Les dades moleculars i l’arbre de la vida: dels regnes als dominis

Marta Riutort Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística.

Institut de Recerca de la Biodiversitat (IRBio), Universitat de Barcelona

Carta de Darwin a Thomas Huxley 1857

The time will come I believe,

though I shall not live to see

it, when we shall have fairly

true genealogical (phylogenetic)

trees of each great kingdom of

nature

Haeckel’s pedigree of man

Qué és un arbre filogenètic?

Z

Y X W

V

U

T

P

Q

S R

O

A

Qué és un arbre filogenètic?

• Homologia: similitud resultat de l’herència a partir d’un ancestre comú

Z

Y X W

V

U

T

P

Q

S R

O

A

Grup monofilètic

Per que utilitzem les filogènies?

• Classificació, taxonomia

• Evolució dels organismes

• Evolució dels processos biològics: metabolisme, desenvolupament, ...

• Evolució de gens i genomes: canvis de funció, noves interaccions, …

• Filogènies dels gens

Sistemàtica dels segles XX-XXI

• Dades:

– Morfologia

– Ecologia

– Comportament

– Cariologia

– Moleculars

Diversitat de metazous

ANIMALS

Equinoderms Vertebrats

Artròpodes

Mol·luscs

Anèl·lids

Cnidaris

ANIMALS

Equinoderms Vertebrats

Artròpodes

Mol·luscs

Anèl·lids

Cnidaris

Foto M. Riutort

Cucs i companyia

Foto F. Carbayo

Classificació fílums de metazous: morfologia

Patrons corporals

Foto M. Riutort

Foto F. Carbayo

Esquema M. Riutort, en El árbol de la vida: sistemática y evolución de los seres vivos

Classificació fílums de metazous: morfologia

Classificació fílums de metazous: morfologia

• Fílum es defineix en funció d’un patró corporal específic.

• Els diferents fílums comparteixen pocs caràcters.

• La comparació per establir homologies i a partir d’elles grups monofilètics es fa molt difícil.

Limitacions de la morfologia

cucs

Taxònom

L’aproximació molecular a la filogenia

• El rellotge molecular

El rellotge molecular: l’alpha-globina

Emile Zuckerkandl

Linus Pauling

Avantatges de les dades moleculars

• Més dades

• Menys subjectives

• Es poden quantificar

• Es pot donar un tractament estadístic

• Es poden datar els esdeveniments de cladogènesi

Què necessitem per inferir un arbre?

• Marcadors genètics amb un nivell adequat de canvi:

– Gens mitocondrials, cloroplàstics

– Regions intergèniques, introns

– Exons

– Gens ribosomals

Mètodes d’inferència

• Màxima parsimònia

• Distàncies

• Mètodes probabilístics :

– Màxima versemblança

– Inferència bayesiana

Arbres filogenètics

Organismes

actuals

Ancestres

hipotètics Evolució,

Transformació dels caràcters

L’ARBRE MOLECULAR DELS

METAZOUS

Field et al, Science 1988

Primer arbre molecular dels metazous

18S rRNA

Primers problemes

Winnepenninckx et al, Mol Biol Evol 1995

El rellotge molecular no és perfecte

Atracció de les branques llargues

Winnepenninckx et al, Mol Biol Evol 1995

Noves aproximacions

Aguinaldo et al, Nature 1997 Halanych et al, Science 1995

ECDYSOZOA

LOPHOTROCHOZOA

Com canvia la nostra visió de l’evolució animal?

El celoma, els segments I els apendixs van apareixer en una única ocasió

En la visió clàssica:

Nova filogenia molecular

El celoma, els segments I els apendixs van apareixer al menys en dues ocasions

El árbol de la vida: sistemática y evolución de los seres vivos. Pablo Vargas y Rafael Zardoya (Eds.) Madrid 2012

NGS

• Roche 454

– 1 plate = 1 milion reads

– 1 read ~500 pb

– 500 megabases (Mb)

• Illumina

– 1 plate = 120 million reads

– 1 read ~100 pb

– 1 lane ~ 30 Gb

– Metazoan mitochondrial genome16 Kb 20 Kb

– Coverage x 50 = 1000 Kb = 1 Mb

– Human genome ~3.200 Mb

Filogenòmica

Dunn et al., NATURE 452 2008

150 gens

Filogenòmica: més dades

Hejnol et al., Proc. R. Soc. B December 22, 2009 276 (1677) 4261-4270

~ 1500 gens

Springer et al, TREE, 2004

Mamifers: morfologia vs molècules

Evolució convergent

Springer et al, TREE, 2004

I AIXÍ, QUÈ HA CANVIAT EN

L’ARBRE DE LA VIDA?

Arbre de la vida de Haeckel

• Generelle Morphologie der Organismen (1866).

• Aquest el podriem considerar el primer arbre de la vida modern, mostra tres Regnes: Plantae, Protista i Animalia

Imatge procedent de la Wikipedia

La classificació en cinc Regnes

Biologia 2, Castellnou edicions, 2009

Procariotes

Eucariotes

5 Regnes

Les dades moleculars i l’arbre de la vida

El nou arbre: 3 dominis

“Bacteris” que

viuen a altes

temperatures

o produeixen

metà

16S like rRNA

N. Pace

L’arbre de la vida amb genomes complerts

Hillis lab web

http://www.zo.utexas.edu/faculty/antisense/downloadfilestol.html

I els eucariotes?

Evolution, Barton et al. CSHL Press

ARBRES FILOGENÈTICS

Com els representem i com s'interpreten

Cladogram Phylogram Chronogram

Tipus d’arbres

Relacions entre grups

L’escala de la vida?

http://tolweb.org/tree/

Els vertebrats no som la culminació de l’evolució

You are here

Hillis lab web

http://www.zo.utexas.edu/faculty/antisense/downloadfilestol.html