Descubren genes relacionados con la diferenciación sexual en un pez amazónico gigante

Hallazgos a cargo de científicos brasileños y alemanes pueden facilitar el sexado precoz del paiche y su reproducción controlada en cautiverio, aparte de allanar el camino hacia el mejoramiento genético de la especie

Por Peter Moon  |  Agência FAPESP – En el marco de un proyecto colaborativo, científicos brasileños y alemanes secuenciaron y analizaron el genoma del paiche (Arapaima gigas), una especie de pez amazónico gigante con el más alto índice de crecimiento conocido entre los peces de agua dulce.

Este trabajo derivó en descubrimientos que podrán simplificar el sexado de estos animales aún en su fase de alevinos, facilitando así la selección de especímenes destinados a la formación de planteles y el comercio de lotes específicos de cada sexo; y todo esto, por supuesto, aparte de allanar el camino de los estudios tendientes al mejoramiento genético de la especie.

Los resultados de esta investigación, que contó con el apoyo de la FAPESP, se dieron a conocer en la revista Scientific Reports.

Esta colaboración empezó en 2015, cuando el genetista alemán Manfred Schartl, de la Universidad de Wurzburgo, recibió una consulta del biólogo Rafael Henrique Nóbrega y de su alumno de doctorado en ese entonces, Marcos Antonio de Oliveira. Actualmente, De Oliveira es doctor por el Centro de Acuicultura de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), con sede en la localidad de Botucatu, en Brasil.

Nóbrega, quien es docente del Instituto de Biociencias de Botucatu, de la Unesp, propuso en aquel momento unir esfuerzos con miras a investigar los mecanismos de determinación y diferenciación del sexo en los paiches.

“Por tratarse de una especie icónica de la Amazonia, con un gran valor económico, Schartl se sorprendió al saber que el genoma del paiche se desconocía hasta aquel momento y que aún no se habían identificado marcadores genéticos a los efectos de determinar el sexo del mayor pez de agua dulce del mundo”, declaró Nóbrega a Agência FAPESP.

Según el investigador, los alevinos de paiche no exhiben diferencias fenotípicas secundarias ligadas al sexo, es decir, no es posible diferenciar macho y hembra según características morfológicas en esa fase del desarrollo. La información al respecto de los mecanismos de determinación y diferenciación sexual de la especie constituye un importante avance para el sector acuícola brasileño.

El grupo de Schartl se dedica a identificar los genes determinantes del sexo en peces, como así también a entender los mecanismos de determinación y diferenciación sexual en ese grupo abundante y diverso de vertebrados.

La identificación sexual temprana de alevinos, antes incluso de que lleguen al estadio de madurez (cuando se concreta la diferenciación morfológica y fenotípica entre machos y hembras), constituye un paso fundamental a los efectos de estudiar el ciclo reproductivo de una determinada especie de pez.

El avance del conocimiento

El primer genoma del paiche, un trabajo a cargo de científicos de las universidades federales de Pará, de Rio Grande do Norte y de otras instituciones, se publicó en septiembre de 2018. 

En tanto, la secuenciación realizada más recientemente por Nóbrega, De Oliveira y sus colaboradores llevó a descubrimientos genéticos importantes al respecto de ciertas características del paiche, tales como como su gigantismo y su rápido crecimiento. Y reveló también que el sistema de determinación y diferenciación sexual de esta especie es compatible y análogo a un sistema de determinación sexual XY.

Este trabajo contó con el apoyo de la FAPESP mediante una ayuda a la investigación para Nóbrega y una beca doctoral concedida a De Oliveira.

“Pese a que el paiche posee cromosomas sexuales heteromórficos detectados citológicamente [es decir, mediante el análisis de las células], detectamos marcadores exclusivos de los machos que soportan la existencia de un sistema de determinación sexual XY”, dijo Nóbrega.

En 2015, De Oliveira se dirigió a la propiedad de piscicultura llamada Peixes da Amazônia, con sede en Senador Guiomard, una ciudad aledaña a Rio Branco, en el estado brasileño de Acre, donde recolectó pequeños fragmentos de aletas de 60 paiches adultos: 30 machos y 30 hembras.

Se envió entonces ese material al laboratorio de Schartl, en donde se procedió a la extracción del material genético de cada uno de los 60 especímenes. Luego se secuenció el ADN en Francia, tarea a cargo de científicos de las universidades de Rennes y Montpellier.

“Se obtuvieron genomas con tamaños distintos entre los sexos. El de los machos suma 666 millones de pares de bases. El de las hembras es un poco menor, con 664 millones de pares de bases. Son genomas relativamente pequeños entre los peces. En comparación con el genoma humano (3.000 millones de pares de bases), el del paiche es cinco veces menor”, dijo De Oliveira.

Se comparó entonces el genoma del paiche con el del arawana o pez dragón (Scleropages formosus), que habita en el Sudeste Asiático, el otro integrante del orden Osteoglossiformes cuyo genoma ha sido mapeado. Y también con los genomas de otros diez peces de diversos órdenes, tales como la anguila europea, el bacalao, la tilapia, el pez globo, el pez cebra y los primitivos celacantos, que evolucionaron hace 400 millones de años y desde ese tiempo cambiaron poco y nada.

“Se construyó un árbol filogenético con probables edades de divergencia entre los antepasados de los peces estudiados. Cuanto más emparentados genéticamente, menor es el tiempo de separación entre los linajes. El orden de los Osteoglossiformes, que agrupa a paiches y peces dragón, evolucionó hace 138,4 millones de años, es decir, en la misma época que empezaban a separarse América del Sur y África para dar lugar a la apertura del Atlántico Sur”, dijo Nóbrega.

Entre los otros diez peces, el más emparentado fue la anguila europea. Esta especie comparte con paiches y arawanas un antepasado común, que vivió hace alrededor de 200 millones de años.

Un éxito adaptativo

Otra vertiente de la investigación apuntó a identificar cuáles serían los genes seleccionados positivamente en el genoma del paiche, es decir, aquéllos resultantes de la evolución adaptativa de un linaje, a menudo asociados con nuevas funciones perfeccionadas o seleccionadas de una especie.

“En el caso del paiche, identificamos 105 genes seleccionados positivamente, algunos relacionados con el crecimiento y con la división celular”, dijo Nóbrega.

Estos datos sugieren que el crecimiento espectacular durante los primeros años de vida del paiche –en otras palabras, su gigantismo– es la clave del éxito adaptativo de la especie. Esta característica no se observó en ninguna otra especie estudiada.

El análisis genético demostró que las funciones de esos genes seleccionados positivamente están relacionadas fundamentalmente con el desarrollo del sistema muscular, lo cual sugiere que contribuyen con respecto al gran tamaño corporal del paiche.

Acuicultura y desarrollo sexual

El paiche llega a medir tres metros de largo y a pesar 220 kilos. Pertenece al orden Osteoglossiformes, un grupo muy antiguo de peces de agua dulce originario del desaparecido supercontinente Gondwana, que hace 140 millones de años, cuando empezó a fragmentarse, estaba conformado por las masas de tierras australes que actualmente conocemos como América del Sur, África, la India, la Antártida y Australia.

Tanto tiempo de deriva continental hizo que los linajes vivientes de Osteoglossiformes, peces altamente adaptados al agua dulce e incapaces de sobrevivir en agua salada, se encuentren hoy en día separados por vastos océanos.

Mientras que los paiches están confinados a las aguas de la cuenca amazónica, sus parientes más cercanos, las 10 especies de arawanas, habitan en cuatro continentes: América del Sur (tres especies), África (una), Asia (cuatro) y Australia (dos especies).

“Durante el primer año de vida, el paiche joven llega a pesar entre 10 y 15 kilos y presenta una tasa de conversión alimentaria extraordinariamente eficiente”, dijo Nóbrega. Por cada kilo de alimento que consumen, los paiches jóvenes aumentan 700 gramos de peso.

Otra particularidad de esta especie es su respiración aérea (hasta el 95% de su absorción de oxígeno transcurre por la vía de la respiración). El hecho de que sus ejemplares posean branquias degeneradas redunda en una ventaja adaptativa, pues los paiches son capaces de tolerar niveles extremadamente bajos de oxígeno en el agua, en lugares donde casi ningún otro pez sobreviviría.

“Esta combinación de adaptaciones poco comunes hace del paiche un postulante prometedor para la acuicultura. Sin embargo, hasta ahora, y pese a que existen pequeñas propiedades dedicadas a la piscicultura distribuidas por la región amazónica, aún no ha sido posible afianzar la producción a mayor escala”, dijo Nóbrega.

La explicación de esto, en parte, tiene que ver con el déficit de conocimiento acerca de su desarrollo sexual (a los efectos de hacer posible la reproducción controlada en cautiverio) y con la falta de información sobre los mecanismos moleculares y bioquímicos implicados en su crecimiento gigantesco.

“Lo que se sabe hasta ahora es que el paiche llega a su madurez sexual aproximadamente a los cuatro años y medio [se cree que estos peces viven hasta un siglo]. En la fase reproductiva parece haber un dimorfismo sexual: los machos cambian de coloración y pasan entonces a exhibir un tono rojizo en sus escamas que los distingue de las hembras”, dijo De Oliveira.

Para descubrir formas de determinar tempranamente el sexo de los paiches jóvenes, Nóbrega y sus colegas buscaron marcadores “sexuales”, es decir, partes del genoma que estuviesen inequívocamente relacionadas con un sexo o con el otro.

Los paiches no poseen cromosomas sexuales. Debido a que en su genoma no hay un cromosoma que sea distinto en machos y en hembras, los científicos tuvieron que hallar ingeniosos marcadores moleculares a los efectos de detectar zonas del genoma que estarían presentes en los machos y no en las hembras, o viceversa.

Los investigadores efectuaron el análisis de marcadores de ADN asociados a sitios de restricción (RAD, por sus siglas en inglés), un tipo de marcadores genéticos útiles para investigar la genética de poblaciones, la genética ecológica y la evolución.

“Se realizó el análisis de los marcadores RAD presentes en el material genético de 25 paiches hembras y 25 machos. Con base en dicho análisis, se extrajeron 30 marcadores RAD presentes en la mayoría de los machos, pero ausentes en la mayoría de las hembras”, dijo Nóbrega.

Pese a la ausencia de cromosomas sexuales, los científicos detectaron marcadores RAD capaces de identificar mediante pruebas genéticas si un paiche joven es macho. “En efecto, los datos muestran una región específica del genoma que es característica de los machos, no de las hembras, y que, por ende, es compatible con el sistema XY de determinación sexual”, dijo Nóbrega.

Un órgano secretor

Una especialización morfológica del paiche con relación a la reproducción es el llamado órgano secretor: se cree que el mismo tendría una función en el cuidado parental. Este órgano secretor es una glándula que se ubica en la cabeza de machos y de hembras, es decir que no exhibe diferencias morfológicas específicas entre los sexos.

Durante el período reproductivo, el órgano secretor libera un líquido lechoso, que supuestamente les aporta nutrientes a las crías. “Este líquido sirve para alimentar a las larvas mientras las mismas se desarrollan para convertirse en alevinos”, dijo Nóbrega.

Entre los paiches, son los machos quienes cuidan a las crías durante los primeros tres meses de vida, en tanto que las hembras abandonan a la prole con tan sólo un mes de vida.

“Extrajimos muestras de tejido del órgano secretor de machos y hembras para analizar el transcriptoma, el conjunto completo de ARNs transcritos del tejido: ARNs mensajeros, ARNs ribosómicos, ARNs transportadores y micro-ARNs”, dijo Nóbrega.

“Los resultados sugieren que el fluido lechoso que libera el órgano secretor contiene compuestos que previenen a la hembra contra la entrada en un nuevo ciclo reproductivo mientras se lleva a cabo el cuidado parental. Asimismo, este fluido también contiene factores de crecimiento que podrían estar relacionados con el crecimiento vertiginoso de las crías”, dijo Nóbrega.

El artículo intitulado The genome of the arapaima (Arapaima gigas) provides insights into gigantism, fast growth and chromosomal sex determination system (doi: https://doi.org/10.1038/s41598-019-41457-x), de Kang Du, Sven Wuertz, Mateus Adolfi, Susanne Kneitz, Matthias Stöck, Marcos Oliveira, Rafael Nóbrega, Jenny Ormanns, Werner Kloas, Romain Feron, Christophe Klopp, Hugues Parrinello, Laurent Journot, Shunping He, John Postlethwait, Axel Meyer, Yann Guiguen y Manfred Schartl, se encuentra publicado en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-019-41457-x.