manual sistemÁtica vegetal-2012b
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UNIVERSIDAD AUTONÓMA DEL ESTADO DE MEXICO
Facultad de Ciencias
“MANUAL DE PRÁCTICAS DE
SISTEMÁTICA VEGETAL”
Profesores
María Eulalia García Morales
Carlos Jorge Aguilar Ortigoza
Septiembre 2012
2
Índice
I
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 1
Práctica 1. Clasificaciones ............................................................................................................................ 2 Práctica 2. Nomenclatura ................................................................................................................................... 4
Práctica 3. Caracterización cualitativa de traqueofitas ...................................................................................... 6
Práctica 4. Caracterización cuantitativa de traqueofitas .................................................................................... 8
Práctica 5. Bases de datos para reconstrucción filogenética ........................................................................... 10
Práctica 6.Codificación de caracteres y relaciones filogenéticas ..................................................................... 19
Práctica 7. Distancia genética ........................................................................................................................... 22
Práctica 8. Construcción de Árboles filogenéticos por máxima verosimilitud y máxima parsimonia.
Chlorophyta y Bryophyta .................................................................................................................................. 25
Práctica 9. Método bayesiano: Licophyta y Monilophyta ................................................................................ 33
Práctica 10. Evolución de caracteres: Gimnospermas y Angiospermas ........................................................... 37
1
INTRODUCCIÓN
Las plantas colectivamente llamadas embriofitas, son organismos con
gran variación y complejos sistemas morfológicos y funcionales, cuyo
conocimiento y comprensión requiere de un cuidadoso estudio estructural a
nivel microscópico y macroscópico. Para su análisis evolutivo se requieren
estudios filogenéticos y taxonómicos; estos organismos están integrados por
un sin número de especies, que van desde las pequeñas briofitas, hasta las
inconfundibles orquídeas.
Las embriofitas son plantas que se caracterizan principalmente por
tener un embrión, una cutícula de protección, anteridios, arquegonios y
esporas cubiertas con esporopolenina; dentro de este grupo de organismos se
encuentran las Briofitas, plantas que se caracterizan, entre otras cosas, por la
ausencia de tejidos de conducción bien desarrollados.
Con el desarrollo del xilema y floema, posiblemente en el silúrico, se originan
las plantas vasculares inferiores caracterizadas por presentar una
reproducción mediante esporangios y esporas
Para el carbonífero, el desarrollo de la semilla permite la evolución de un sin
número de organismos, entre los cuales encontramos a las gimnospermas,
plantas vasculares superiores que muestran gran diversidad morfológica y que
se caracterizan por la semilla sin protección alguna, es decir “desnuda”. Con el
posteriormente desarrollo del fruto y la flor, encontramos en el cretácico a
las Antophyta, plantas vasculares superiores que actualmente dominan en la
tierra por su amplia diversidad de formas y tamaños.
El presente trabajo, es una serie de prácticas que tienen por objetivo el ser
una ayuda al alumno y al docente en el estudio de la unidad de aprendizaje
Sistemática Vegetal.
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Práctica 1. Clasificaciones
INTRODUCCIÓN
Las clasificaciones de organismos se basan en sus características, también
llamadas caracteres o atributos para construir grupos a los cuales se les asigna
nomenclaturas informativas, que permiten estimar la diversidad, relaciones y
organización de la vida (Llorente, 1990). Si los atributos utilizados son ajenos
al grupo estudiado, como aquellos caracteres similares que se basan en la
utilidad para el humano pero no emparentan a los organismos, entonces las
clasificaciones resultantes se les llama artificiales; cuando los atributos son
inherentes al grupo y se basan en relaciones genealógicas, se crean
clasificaciones naturales, las cuales forman linajes con sus grados de
diferenciación, adaptaciones y radiaciones adaptativas (Morrone, 2001) o
agrupaciones que comprenden solo al ancestro y todos sus descendientes
soportados por caracteres compartidos (Judd et al, 2002).
Cada sistema de clasificación puede representar las agrupaciones con
diferentes diagramas, ya sean por conjuntos, redes y árboles de relación de
los organismos y además arreglar jerárquicamente a las agrupaciones.
OBJETIVO
Construir clasificaciones artificiales y naturales con un grupo de organismos.
MATERIALES Y MÉTODO
Organismos vegetales locales que muestren tallos, hojas, flores y frutos: dos
herbáceos, dos arbustivos y dos arbóreos
Cuaderno de notas y lápiz
1.- Colocar los organismos en la mesa de trabajo
3
2.- Comparar sus estructuras somáticas y reproductivas, depositar la
información en la tabla siguiente:
Organis
mo
(nombre
local o
científic
o)
Hábito
(hierb
a,
arbust
o,
Árbol)
Tallo
consistenc
ia
(herbáceo
,
Leñoso)
Tallo
Superfic
ie
(lisa,
Rugosa)
Hoja
Constituci
ón
(simple,
Compuest
a)
Hoja
Cubierta
(glabra,
Pubescent
e)
Flores
Perianto
(trímero,
Tetrámer
o,
Pentámer
o)
Flore
s
Color
de
pétalo
s
Frutos
superfic
ie
(lisa,
Rugosa)
Frutos
Consistenc
ia
(secos,
Carnosos)
3.- Formar 3 grupos de organismos por sus características estructurales
(columnas)
4.- Determinar si los grupos son artificiales o naturales
BIBLIOGRAFÍA
Judd, S.W., Chirstopher, S. C., Kellogg, E.A., Peter, F.S y Donoghue, M.J.
(2002). 'Chapter 1: Science of plant systematic'. En: Sinauer Associates,
Inc (ed), Plant systematics: a phylogenetic approach. 2nd ed. USA:
University Yale. pp. 578.
Llorente, J. (1990). La búsqueda del método natural. 1st ed. México D.F.
FCE. 95 pp
Morrone, J. , (2001). Sistemática, biogeografía, evolución. 1st ed. UNAM
México D.F.: Facultad de Ciencias.
4
Práctica 2. Nomenclatura
INTRODUCCIÓN
Las clasificaciones de organismos se basan en sus características, también
llamadas caracteres o atributos para construir grupos a los cuales se les asigna
nomenclaturas informativas, que permiten estimar la diversidad, relaciones y
organización de la vida (Llorente, 1990). Los nombres de los organismos, sin
ambigüedad, son esenciales para una comunicación científica efectiva; éstos no
tendrán confusión si son internacionalmente aceptados, bajo reglas que
gobiernan su formación y uso. Esta aceptación internacional se logró con el
Código Internacional de Nomenclatura Botánica ratificado en cada congreso
Internacional de Botánica (IAPT 2005) donde se indica que el Código se aplica
retroactivamente desde 1753, por considerarse el año que inicia la Sistemática
moderna con la publicación de Species Plantarum de Carlos Linneo. Los nombres
de las especies descritos por primera ocasión desde esta fecha son los válidos,
así los que se publiquen después son sinonimias, lo mismo ocurre con los
nombres anteriores a 1753, incluso Linneanos.
OBJETIVO
Determinar y construir nombres científicos correctos de diversas jerarquías
taxonómicas de plantas.
MATERIALES Y MÉTODO
Computadora personal
1.- Ingresar a la página de internet
www.bgbm.org/iapt/nomenclature/code/default.htm
2.- Ingresar a preámbulo, Principios, reglas y recomendaciones; discutirlos
3.- Analizar las reglas para las diferentes categorias taxonómicas
4.- Ver apéndices para nomina conservanda de Bryophyta y Spermatophyta
5
5.- Basado en lo anterior determinar los nombres correctos para los siguientes
sinónimos: 5.1.- leguminosa americana: Crotularia Medikus 1787; Clavulium
Desvaux 1826; Chrysocalyx Guill. et Perrottet 1831; Crotalaria L. Sp. Pl.
1753; Clavulum G.Don 1832; Phyllocalyx A.Rich. 1847. 5.2.-Bignoniacea
sudamericana tropical: Bignonia quadrivalvis Jacq. Fragm.Bot. 1800;
Spathodea fraxinifolia H.B.K. Nov. Gen. Sp. Pl. 1819; Bignonia populifolia DC.
Prodr. 1845; Tabebuia pisoniana (DC) Miers Proc. Roy.Hort. Soc.1863; Melloa populifolia (DC) Britt. Ann. New York Acad.Sc.1893; Melloa quadrivalvis (Jacq.)
A.Gentry Britt. 1973
BIBLIOGRAFÍA
International Association for Plant Taxonomy 2005. XVII International
Botanical Congress. Vienna, Austria, july 2005.
Llorente, J. (1990). La búsqueda del método natural. 1st ed. México D.F.
FCE. 95 pp
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Práctica 3. Caracterización
cualitativa de traqueofitas
INTRODUCCIÓN
Las traqueofitas se caracterizan por presentar haces vasculares para la
conducción de agua, minerales nutritivos y sustancias elaboradas por el proceso
fotosintético, se pueden reconoces varios grupos evolutivos como los de
licofitas (Lycopodium, Selaginella e Isoetes), Monilofitos (Psilotáceas,
ofioglosáceas, maratias, osmundáceas, hymenofiloides, gleichenioides,
esquizeoides, heterospóricos, helechos arborescentes y polipodioides),
Gimnospermas (cícadas, ginkgos, coníferas y gnetales) y Angiospermas.
OBJETIVO
Qué el alumno caracterice las estructuras vegetativas y reproductoras de las
plantas con sistema vascular.
MATERIALES Y MÉTODO:
Plantas frescas o herborizadas con hojas y estructuras reproductoras (pueden
ser por ejemplo Lycopodium clavatum, Equisetum hyemale, Nephrolepis cordifolia, Dioon edule, Pinus montezumae y Taraxacum officinale).
Navajas y agujas de disección
Microscopios de campo claro y estereoscópicos
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PROCEDIMIENTO
1. Observar las estructuras morfológicas vegetativas y reproductivas de
las plantas frescas.
2. Caracterizar las formas bidimensionales y tridimensionales de las
estructuras, por lo menos de tres caracteres vegetativos y tres
reproductivos
3. Para cada carácter establecer sus estados de variación.
4. codificar los caracteres de manera binaria
5. Determinar las homologías de los caracteres.
CUESTIONARIO
1.) ¿Qué tipos de caracteres vegetativos y reproductivos encontró en cada
taxon examinado?
2.) ¿Qué estados de carácter asignó en cada uno de los caracteres
delimitados?
3.) ¿Bajo que criterios realizó la codificación binaria para cada uno de los
caracteres delimitados?
4.) ¿Cuáles son las diferencias entre angiospermas analizadas?
5.) ¿Cuáles son las similitudes entre las angiospermas analizadas?
6.) ¿Qué relaciones observa en la matriz?
7.) ¿Las similitudes son homólógicas u homoplásicas?
8
Práctica 4. Caracterización
cuantitativa de traqueofitas
OBJETIVO
Qué el alumno caracterice cuantitativamente las estructuras vegetativas y
reproductoras de las plantas con sistema vascular.
MATERIALES Y MÉTODO:
Cinco plantas herborizadas por especie, con hojas y estructuras reproductoras
de: Selaginella pallens, Equisetum hyemale, Adiantum concinnum, Pinus montezumae y Cupressus lyndleyi
Navajas y agujas de disección
Regla graduada en milímetros
Microscopios de campo claro y estereoscópicos
Computadora con paquetes estadísticos
PROCEDIMIENTO
1.) Medir las estructuras morfológicas vegetativas y reproductivas de
cinco plantas frescas por cada especie (cada estructura le
denominaremos parámetro). Medir por lo menos tres parámetros en
tres especies diferentes.
2.) Obtener el valor medio y la desviación estándar para cada parámetro
en cada una de las especies. Graficar estos valores.
3.) Obtener el análisis de varianza de cada parámetro en el conjunto de
especies
4.) Hacer un análisis de Rangos múltiples para obtener estados de
carácter
5.) Codificar los caracteres de manera binaria
6.) Determinar las homologías de los caracteres.
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CUESTIONARIO
1.) ¿Qué tipos de caracteres vegetativos y reproductivos se pueden
caracterizar cuantitativamente?
2.) ¿Cuáles son los caracteres con mayor variación, los vegetativos o los
reproductivos?
3.) ¿Qué estados de carácter asignó en cada uno de los caracteres
delimitados?
4.) ¿Bajo que criterios realizó la codificación binaria para cada uno de los
caracteres delimitados?
5.) ¿Qué relaciones observa en la matriz?
6.) ¿Las similitudes son homólógicas u homoplásicas?
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Práctica 5. Bases de datos para
reconstrucción filogenética
INTRODUCCIÓN
Gen Bank es una base de datos genética, cuenta con aproximadamente 126,
551, 501, 141 bases en 135, 440, 924 registros. Esta base de datos se
encuentra disponible en el Centro Internacional para avances en Biotecnología,
Ciencia y Salud (NCBI) mediante el acceso a información biomédica y genómica.
El banco de datos genético (GenBank ®) es parte de la Colaboración
Internacional de bases de Datos de Secuencias Nucleotídicas, que comprende
el Banco de datos de Japón (DDBJ) y el laboratorio Europeo de Biología
Molecular (EMBL) (NCBI, 2012).
El alineamiento de secuencias génicas es una herramienta esencial para
estudios de inferencia filogenética, así como predicción de función y
estructura de proteínas o coevolución entre especies (Gast y Caron, 1996). En
la actualidad existe gran cantidad de software generado para mejorar el
alineamiento, tales como PREFAB, SABMARK, OXBENCH, IRMBASE y
CLUSTALW, esta última es la herramienta de uso común actualmente; sin
embargo día a día se generan herramientas más rápidas y precisas (Robert y
Batzoglou, 2006). Los alineamientos múltiples de secuencias facilitan el manejo
de gran cantidad de datos, aunque la eficiencia de estos depende de la
capacidad de memoria en la computadora y disminuye su poder de resolución.
Para contrarrestar estas inconsistencias se creó MUSCLE una herramienta
accesible y gratuita, que es más rápida y precisa que las antes mencionadas, tal
que es capaz de alinear 1000 secuencias de 282 pares aproximadamente en 21
segundos en una computadora común, esta herramienta se encuentra disponible
en http;//www.drive5.com/muscle (Robert, 2004; Tamura et al., 2011ª y
2012b). Bioedit es otro programa gratuito para edición de alineamientos y
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análisis de secuencias que funciona únicamente sobre ambiente MS/Windows.
BioEdit cuenta con varias herramientas que van desde la creación de
alineamientos hasta la anotación de plásmidos. Para mayor se puede consultar
la web: http://www.mbio.ncsu.edu/BioEdit/bioedit.html
El objetivo de esta práctica es introducir al alumno al uso de software y bases
de datos filogenéticas para el estudio de grupos basales en el árbol
filogenético de los organismos fotosintéticos.
Las algas son un grupo artificial ubicado en la base del árbol filogenético de las
eucariotas, están emparentadas con el linaje de plantas terrestres dentro del
clado plantae (Fig. 1).
Fig 1. Se observa la parafilia de algas en la base del árbol filogenético, mostradas
como ramas rayadas (Patrick et al.,2000)
OBJETIVO
Conocer bases de datos en Genbank y realizar alineamientos de secuencias
génicas de algas excavata, Chromoalveolata (Strameopilas y Alveolata) y
Plantae.
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MATERIALES Y MÉTODO
Software Mega 5.01 (Tamura et al., 2012) y software Bioedit
Información génica de proclorofitos, cianobacterias, Euglenas, dinoflagelados,
algas doradas, algas rojas y algas verdes obtenidas del genbank .
PROCEDIMIENTO
1.) Descargar secuencias de página NCBI en el genbank:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/
2.) Realizar la búsqueda de secuencias
3.) Descargar archivos en formato FASTA
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4.) Abrir secuencias en programa mega 5.01
5.) Seleccionar secuencias y alinear con en el comando muscle.
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6.) Para alinear con Bioedit seguir los pasos del 1 al tres.
7.) Una vez descargado en formato Fasta, el archivo se abre en Bioedit
8.) Se importa la secuencia del grupo externo en [File] y se busca la
carpeta donde se encuentra
15
9.) El alineamiento se puede hacer mediante pares o para múltiples
secuencias (se realizará esta última mediante comando ClustalW)
10.) Ya alineado se guardan todas las secuencias en formato Fasta
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11.) Se procede a realizar el análisis cladístico, primero se abre la matriz
en MacClade, se guarda y se construye el árbol en PAUP.
12.) Compara resultados
13.) Realizar discusiones y reporte
BIBLIOGRAFÍA
17
Gast, R.J y Caron, D.A. (1996). Molecular phylogeny of symbiotic
dinoflagellates from planktonic Foraminifera and Radiolaria. Molecular Biology and Evolution. 13 (9), pp.1192-1197
Judd, S.W., Chirstopher, S. C., Kellogg, E.A., Peter, F.S y Donoghue, M.J.
(2002). 'Chapter 1: Science of plant systematic'. En: Sinauer Associates,
Inc (ed), Plant systematics: a phylogenetic approach. 2nd ed. USA:
University Yale. pp.578.
NCBI. Centro Internacional para avances en Biotecnología, Ciencia y Salud.
(2012). Gene Bank Overview. [ EN LÍNEA] Disponible en:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/. [último acceso el 12 de septiembre
del 2012].
Patrick K., Brian S. L. y Simpson, A. (2000). Eukaryotes: Eukaryota, Organisms with nucleated cells. [ EN LÍNEA] disponible en:
http://tolweb.org/Eukaryotes/3. [último acceso el 12 de septiembre de
2012].
Robert, C. E, y Batzoglou, S. (2006). Multiple sequence alignment. Current Opinion Structural Biology. 16 (1), pp. 1-6
Robert, C.E. (2004). Software MUSCLE: a multiple sequence alignment method
with reduced time and space complexity. BMC Bioinformatics. 5, pp. 113
Soltis, P.S y Douglas, E.S., (1993). Ancient DNA: Prospects and
limitations. New Zealand Journal of Botany. 31, pp.203-209
Tamura, K., Daniel, P., Peterson, N., Glen, S., Nei, M. y Kumar, S.
(2012)b. MOLECULAR EVOLUTIONARY GENETICS ANALYSIS. [ EN
LÍNEA] Disponible en: http://www.megasoftware.net/history.php. [último
acceso el 11 de septiembre de 2012].
Tamura, K., Daniel, P., Peterson, N., Glen, S., Nei, M. y Kumar, S. (2011)a.
MEGA5: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Using Maximum
Likelihood, Evolutionary Distance, and Maximum Parsimony
Methods.Molecular Biology and Evolution. 28 (10), pp.2731–2739
CUESTIONARIO
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1. ¿Qué utilidad representa el uso y manejo de filogenias en la época
actual?
2. Menciona los caracteres sinapomórficos de excavata, Chromoalveolata
(Strameopilas y Alveolata) y Plantae.
3. De los grupos antes mencionados, ¿cuáles poseen compuestos tóxicos?
4. ¿Qué aspectos mejoran el software para alineamiento de secuencias
génicas “Muscle”, a diferencia de otros?
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Práctica 6.Codificación de
caracteres y relaciones
filogenéticas
INTRODUCCIÓN
Los caracteres permiten relacionar taxonómicamente a los organismos, ya sea
por su similitud total o por la heredabilidad de los rasgos aun sin tenga
parecido morfológico.
Los caracteres homólogos permiten relacionar filogenéticamente a los
organismos, describir sus cambios evolutivos, formar grupos taxonómicos
naturales e inferir su forma de vida pretérita y aun hacer propuestas de
conservación y manejo. La filogenia de las plantas se puede representar como
diagramas ramificados, llamados árboles filogenéticos o cladogramas, los
cuales son hipótesis históricas. Los caracteres con los que se construyen los
cladogramas pueden ser compartidos o exclusivos de cada taxon, lo cual
permite determinar la pertinencia de cada hipótesis, que se cuantifica con los
índices de distribución de los caracteres.
OBJETIVO
Qué el alumno construya una filogenia con la caracterización de 3 plantas
obteniendo los índices de consistencia y homoplasia para determinar la mejor
hipótesis filogenética
MATERIALES Y MÉTODO:
3 Plantas frescas completas (raíz, tallo, hojas, flores y frutos) de la localidad
Papel blanco tamaño carta y lápiz
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PROCEDIMIENTO
1.) Caracterizar morfológicamente por órganos, cada una de las plantas
2.) Para cada caracterización establecer los estados de carácter.
Codificar los estados de carácter
3.) Con los mismos datos llene la siguiente matriz:
Especie Carácter
1
Carácter
2
Carácter
3
Carácter
4
Carácter
5
Carácter
6
A
B
C
4.) Elabore las posibles hipótesis de relaciones filogenéticas de las tres
especies.
5.) Distribuya los caracteres en esos cladogramas
6.) Determine los caracteres sinapomórficos y autapomórficos.
7.) Cuantifique las homologías y las homoplasias
8.) Obtenga los índices de consistencia y de homoplasia
9.) Agregue una especie más al análisis y repita el procedimiento
BIBLIOGRAFÍA
Judd, S.W., Chirstopher, S. C., Kellogg, E.A., Peter, F.S y Donoghue, M.J.
(2002). 'Chapter 1: Science of plant systematic'. En: Sinauer Associates,
Inc (ed), Plant systematics: a phylogenetic approach. 2nd ed. USA:
University Yale. pp.578.
Morrone, J. , (2001). Sistemática, biogeografía, evolución. 1st ed. UNAM
México D.F.: Facultad de Ciencias.
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CUESTIONARIO
1.) ¿Qué corrientes o escuelas taxonómicas existen?
2.) ¿Qué es un fenograma?
3.) ¿Qué es un cladograma?
4.) ¿Cuántas representaciones se obtienen con análisis de distancias de
similitudes para las especies las especies A, B y C?
5.) ¿Cuántos posibles árboles filogenéticos se obtiene con las especies
A, B y C?
6.) ¿Si agrega una especie más (grupo externo o especie “D”), cuántos
posibles cladogramas obtiene ahora?
7.) Si esa especie “D” es el hermano filogenético más antiguo, ¿Cómo
codificaría ahora los caracteres? ¿Cuáles serían los caracteres
simplesiomórficos? ¿Cuáles serían las novedades evolutivas o
caracteres más recientes?
22
Práctica 7. Distancia genética
Una manera de construir árboles de relación entre organismos es el método de
distancias UPGMA (unweighted pair-group method using aritmethic averages),
el cual se desarrolla en esta práctica con el ejemplo de 7 taxones a los cuales
se les obtuvo la siguiente tabla de valores mutacionales entre sí de un gen
1.- Matriz de taxa Vs mutaciones o variación caracteres
A B C D E F G
A
B 19
C 27 31
D 8 18 26
E 33 36 41 31
F 18 1 32 17 35
G 13 13 29 14 28 12
2.- Encontrar que taxones tienen el cambio mínimo (en el ejemplo los taxones B
y F)
3.- Cuantificar el promedio de la unión entre ellos (1/2 = 0.5); la distancia o
rama de unión es 0.5
4.- Obtener el valor promedio de cada uno con los demás taxones por ejemplo:
B con A y F con A (( 19+18)/2=18.5); B con C y F con C ((31+32)/2 = 31.5);
ambos con D ((18+17)/2 = 17.5); con E ((36+35)/2 = 35.5) y con G ((13+12)/2 =
12.5.
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5.- Elaborar la nueva matriz con esos valores
A BF C D E G
A
BF 18.5
C 27 31.5
D 8 17.5 26
E 33 35.5 41 31
G 13 12.5 29 14 28
6.- Repetir los pasos. En este caso el número de cambios más pequeño
corresponde a 8 por los taxones A y D, los cuales entre si tienen una distancia
de 8/2 = 4; cada uno tiene con los demás A con BF y D con BF ((18.5+17.5)/2=
18); A con C y D con C ((27+26)/2= 26.5); con E ((33+31)/2=32) y con G
((13+14)/2= 13.5
7.- Elaborar la nueva matriz con esos valores
AD BF C E G
AD
BF 18
C 26.5 31.5
E 32 35.5 41
G 13.5 12.5 29 28
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8.- Repetir el procedimiento. En este momento la rama de unión o distancia más
pequeña es entre BF y G con 12.5/2 = 6.25.
AD BFG C E
AD
BFG
C
E
Calcular las relaciones distantes y concluir el árbol de relaciones:
Primer paso:
Segundo paso:
Tercer paso
B F
0.5
A D
4
G F B
0.5
6.25
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Práctica 8.Construcción de
Árboles filogenéticos por máxima
verosimilitud y máxima parsimonia.
Chlorophyta y Bryophyta
INTRODUCCIÓN
Los estudios filogenéticos han mejorado la visión sistemática de las plantas y
conducen a una clasificación natural, también explican la evolución de
organismos ancestrales, como por ejemplo el análisis de DNA de fósiles de
hojas de Clarkia y Magnolia del mioceno en Idaho, U.S.A. Los primeros estudios
filogenéticos con secuencias génicas en plantas se realizaron con el gen rbcL
del DNA de cloroplasto (Soltis y Douglas, 1993); también son útiles para
reconocer evolución de estructuras y función en las plantas (Judd et al., 2002).
Para construir los árboles filogenéticos existen gran cantidad de software
útiles y muchos de los considerados más potentes generalmente tienen un
costo elevado, de tal manera que se limita el progreso científico; sin embargo,
actualmente existen programas libres o “Freeware” que son de acceso público.
Tales programas están disponibles sin restricción, el inconveniente se presenta
cuando se realizan evaluaciones y análisis, debido a incompatibilidades de
sistema o en muchos casos son de difícil manipulación.
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En este curso se utilizará el software “MEGA” creado por Kumar Sudhir,
Tamura Tamura y Masatoshi Nei en el año de 1994, con la finalidad de realizar
estimaciones de distancias evolutivas, reconstrucciones filogenéticas y
cómputo estadístico básico para datos moleculares: Originalmente fue
programado en C++ . Utiliza los métodos de inferencia filogenética UPGMA,
neighbor-joining, máxima parsimonia y máxima verosimilitud (Kumar et al.,
1994; Kumar et al., 2001; Kumar et al., 2004; Robert, 2004; Tamura et al.,
2007., Kumar et al., 2008; Tamura et al., 2011; Tamura et al., 2012).
En esta práctica se el alumno conocerá y utilizará las utilidades del programa
“Mega 5.01” como herramienta en el alineamiento de secuencias génicas,
traducción de estas mismas a aminoácidos, reloj molecular y construirán
árboles filogenéticos de algas verdes, hepáticas, antoceros y musgos con
diferentes algoritmos: máxima parsimonia, máxima verosimilitud, neighbor-
joining y UPGMA (Unweighted Pair Group Method using arithmetic Averages),
para que el alumno compare y discuta sobre las diferencias, ventajas y
desventajas de cada método, al mismo tiempo reforzará los conocimientos
morfológicos y evolutivos de este grupo de plantas.
Los métodos filogenéticos pueden dividirse en los grupos: basados en
caracteres y basados en distancia. Los métodos de caracteres utilizan
directamente secuencias de génicas o de proteínas de los taxones para
determinar la relación de los taxa ancestrales, en general los métodos
cladísticos son de este tipo y usan el algoritmo para parsimonia. Los método
basados en distancia utilizan una medida resultante de la comparación de las
secuencias, con respecto a la frecuencia y orden de los pares en estas, primero
calculan la distancia total entre todas las parejas y toman en cuenta las
diferencias, luego calculan un árbol basado en distancia, entre los algoritmos
de distancia encontramos la de Hamming (es número de pares de bases que
deben cambiarse para transformar una secuencia en otra) y la de Levenshtein
(es el mínomo número de cambios en una secuencia para ser igual a otra, por
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deleción, inserción o sustitución. El método Neighbor Joining se conoce como
descomposición de la estrella porque no presenta raíz, el árbol inicial en forma
de estrella utiliza una matriz de distancias, luego se reconstruye esta matriz,
la separación de cada par de nodos se determina teniendo en cuenta su
distancia con respecto al resto de los nodos y el árbol resultante se construye
teniendo en cuenta la menor distancia entre los pares. En el método por
UPGMA se asume que las especies son grupos por sí mismos, luego relaciona los
grupos más cercanos basados en una matriz de distancias recalcula la matriz
de distancia y repite el proceso hasta que todas las especies estén conectadas
a un único grupo. El método UPGMA realiza todos sus cálculos con la matriz
calculada hallando la distancia genética entre las OTUs (unidaes taxonómicas
operativas) (Acero, 2007). Los métodos basados en máxima verosimilitud y en
inferencia bayesiana, a diferencia de los antes mencionados son
probabilísticos. En el primero, varios parámetros del modelo maximizan la
probabilidad de obtener los datos observados, encontraste con otros métodos
que trabajan en la dirección opuesta porque inician con las secuencias
observadas y estiman los parámetros de un modelo evolutivo desconocido
(Penny et al, 1993), tal como el de inferencia bayesiana.
Las algas verdes y las briofitas se encuentran en los primeros nodos del árbol
de la vida, no forman un grupo filogenético, pero comparten rasgos de historias
de vida como gametofitos dominantes de vida libre y esporofitos
monoesporangiados, los estudios evolutivos en estas plantas simples son
cruciales para entender la evolución hacia un ambiente terrestre (Shaw y
Renzaglia, 2004).
OBJETIVO
Qué el alumno construya, interprete y compare árboles filogenéticos de
Chlorophyta y Briophyta por los métodos UPGMA, neighbor Joining máxima
parsimonia y máxima verosimilitud.
28
MATERIALES Y MÉTODO
Computadora
Acceso a internet para descarga de secuencias génicas en genbank
Software Mega 5.01
PROCEDIMIENTO
Neighbor-joining
1.) Abrir en el programa mega un archivo de secuencias génicas previamente
descargado del genbank en formato Fasta.
2.) Abrir en el programa mega y alinear en muscle
29
3.) Guardar archivo en formato .meg para abrirlo en Mega
4.) Realizar análisis de máxima parsimonia en pestaña Phylogeny
5.) Dar clik en “compute” y esperar a que termine el análisis
UPGMA
6.) Repetir los pasos del 1 al 4, elegir opción de UPGMA y realizar análisis
30
Máxima parsimonia
7.) Repetir los pasos del 1 al 4, elegir opción de máxima parsimonia y
realizar análisis
Máxima verosimilitud
8.) Repetir pasos del 1 al 4, elegir opción de máxima verosimilitud y realizar
análisis
Neighbor-Joining
9.) Repetir pasos del 1 al 4, elegir opción de Neighbor-Joining y realizar
análisis
10.) Comparar árboles, discutir y concluir.
31
BIBLIOGRAFÍA
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CUESTIONARIO 1. ¿A que se refieren los métodos filogenéticos por distancia y los de
distribución de caracteres?
2. ¿Qué diferencia existe en los diferentes tipos de algoritmos para la
reconstrucción filogenética?
3. Menciona algunos caracteres apomórficos en la evolución de caracteres
de las Briophyta
33
Práctica 9. Método bayesiano:
Licophyta y Monilophyta
INTRODUCCIÓN
Como disciplina, la filogenia se ha transformado por el aumento de datos
moleculares, estos datos permiten responder parte de las preguntas acerca de
la historia de la vida, pero también presentan dificultades estadísticas y
computacionales. La filogenia mediante inferencia bayesiana aporta nueva
perspectiva en la evolución biológica, incluye el análisis de árboles filogenéticos
y evolutivos con modelos complejos y dirige hacia la detección de la huella de la
selección natural en secuencias de ADN. La inferencia bayesiana aventaja a
otros métodos respecto al análisis de datos evolutivos complejos y el
ordenamiento de la incertidumbre filogenética porque lo hace mediante
cadenas de Markov Montecarlo. El análisis Bayesiano también puede ser muy
útil en el tratamiento de algunos de los problemas pendientes en filogenética,
tales como la detección y la transferencia horizontal de genes (un proceso que
complica los análisis filogenético de bacterias), además las investigaciones
filogenéticas más certeras se obtienen mediante la evaluación de genomas
completos o árboles con gran cantidad de taxa, hecho que se dificulta con
otros algoritmos (Huelsenbeck et al., 2001).
Este método se basa en el teorema de pobabilidad de Bayes en las que se
suman eventos sucesivos, los cuales representan las probabilidades evolutivas
de los organismos estudiados. A diferencia de máxima verosimilitud el modelo
generado se basa en los datos (análisis de secuencias génicas) y después
estiman el modelo evolutivo (Penny et al, 1993).
MrBayes es un software específico para análisis filogenético bayesiano y fue
mejorado usando cadenas de Markov Montecarlo, se trabaja en ambiente
MSdos y con matrices generadas en formato nexus, incluye diferentes modelos
de evolución, así como distribución gamma, además puede inferir estados
ancestrales (Huelsenbeck, 2001).
34
Los licofitos son el grupo de plantas representante en la base del árbol
filogenético de las traqueofitas, son un grupo interesante para estudiar y
entender la trascendencia del ambiente acuático de las plantas hacia uno
terrestre. Posteriormente surgen los helechos de grandes hojas y un sistema
vascular desarrollado que les permite colonizar lugares inhóspitos para los
otros organismos contemporáneos. Este grupo es conocido actualmente como
Monilophyta (Huelsenbeck y Ronquist, 2007).
OBJETIVOS
Dirigir al dicente hacia el conocimiento de Licophyta y Monilophyta con el
análisis filogenético bayesiano.
MATERIALES
Computadora
Software Mrs Bayes
Conexión a Internet
PROCEDIMIENTO
1.) Construir archivo nexus que se llamará plantas.nex
2.) El archivo plantas.nex contendrá secuencias mitocondriales las plantas
elegidas previamente alineadas en muscle.
35
3.) Los siguientes comandos se teclearán textualmente: execute
plantas.nex, el cual deberá estar en la misma carpeta que el ejecutable
de Mrs. Bayes
4.) lset nst=6 rates=invgamma, este comando establece el modelo
evolutivo GTR. Para datos que no sean de ADN o RNA el modelo
establecido será diferente y habrá que realizarlo.
5.) mcmc ngen=10000 samplefreq=10, este comando asegurará que se
obtengan al menos 1,000 muestras para la distribución de probabilidad
posterior. Para muchos datos es probable que se desee ejecutar el
análisis y la muestra con menos frecuencia (la frecuencia de muestreo
por defecto es cada 100 generaciones). Para muchos datos es probable
que se desee ejecutar el análisis y la muestra con menos frecuencia (la
frecuencia de muestreo por defecto es cada 100 generaciones). Si la
desviación estándar de las recuencias divididas son menores a 0.01
después de 100,000 generaciones, se deberá detener el análisis cuando
el programa pregunte ¿“Continue the analysis”? (yes/no)”. Responder
NO. De lo contrario, se sumarán generaciones hasta que el valor caiga
por debajo de 0.01
6.) sump burnin=250, este comando resume los valores de los parámetros (o
cualquier valor que corresponda al 25% de las muestras) Este comando
resume los valores de los parámetros (o cualquier valor que corresponda
al 25% de las muestras). El programa mostrará una tabla con los
resúmenes de las muestras de los parámetros del modelo de sustitución
incluyendo la media, la moda y el intervalo de confianza de 95% para
cada parámetro. Se deberá asegurar que el factor de escala potencial de
reducción (PSRF) está cerca de 1.0 para todos los parámetros; si no, se
deberá correr el análisis más largo.
7.) sumt burnin=250, este comando realiza el resúmen de los árboles (o
cualquier valor que corresponda al 25% de las muestras). El programa
genera un cladograma con las probabilidades posteriores por cada
división y un filograma con la media de las longitudes de las ramas. Los
árboles pueden ser editados en programas como TreeView, MacClade y
Mesquite. Este comando realiza el resúmen de los árboles (o cualquier
valor que corresponda al 25% de las muestras). El programa genera un
36
cladograma con las probabilidades posteriores por cada división y un
filograma con la media de las longitudes de las ramas. Los árboles
pueden ser editados en programas como TreeView, MacClade y
Mesquite.
8.) Discutir y analizar.
9.) Conclusiones y reporte de práctica
BIBLIOGRAFÍA
Huelsenbeck, J.P y Ronquist, F. (2007). A molecular phylogeny for the new
Zealand Blechnaceae ferns from analyses of chloroplast trnL-trnF DNA
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Huelsenbeck, J.P., Fredrik, R., Rasmus, N. y Bollback, J. P. (2001). Bayesian
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progress with methods for evolutionary trees. New Zealand Journal of Botany. 31, pp.275-288
CUESTIONARIO
1. ¿Qué es el teorema de Bayes y como se aplica en la inferencia
bayesiana?
2. ¿Qué diferencia existe con el algoritmo para la reconstrucción
filogenética por máxima verosimilitud?
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Práctica 10. Evolución de
caracteres: Gimnospermas y
Angiospermas
INTRODUCCIÓN
Desde épocas pasadas todos los organismos se han adaptado a las condiciones
ambientales en las que viven; sujetos a la selección natural sus fenotipos y
genotipos evolucionan. Por ejemplo, estos cambios se manifiestan como nuevas
estructuras en la morfología de las plantas con flores, y en general las
diferencias en estructura, forma, orientación y presencia contra ausencia de
caracteres son frecuentemente discretas, pero es difícil especificar la
contribución relativa que estos aportan durante la divergencia evolutiva.
Gottlieb en 1984 pensó que esta prevalencia de características discretas en
las plantas es debida a pocos cambios genéticos. Actualmente esta opinión
toma sentido, puesto que se ha comprobado que los caracteres con menos
cambios evolutivos son los considerados indispensables, tal es el cado del gen
rbcL que codifica para la enzima rubisco y la cual está implicada en la
fotosíntesis, pero no se descarta su mayor contribución para separar familias e
incluso tribus, pero a nivel de especie no suele ser efectivo (Gottlieb,1984;
Olmstead y Palmer, 1992).
El número de genes implicados en la divergencia de caracteres depende en gran
medida de su procedencia, ya que pueden ser epistáticos, ligados al sexo, por
codominancia, dominancia, etc. Por lo que es necesario un análisis genético
profundo y además de una evaluación exhaustiva de los detalles anatómicos y
ontogenéticos del desarrollo del carácter, sin este conocimiento, no será
posible explicar estos eventos.
Es también sabido que los caracteres fenotípicos modificados y parecidos no
necesariamente heredados, ya que algunos pueden ser el resultado de
coevolución en hábitats similares (Alberts et al., 1992).
38
El seguimiento de la evolución de caracteres se puede realizar mediante la
distribución de estos sobre un árbol filogenético, sin embargo la dificultad se
presenta cuando se tienen árboles politómicos, los algoritmos utilizados han
interpretado cada politomía como si se tratara de una especiación múltiple, con
muchas especies hijas que descienden independientemente de una especie
madre, por lo que alguna similitud compartida por sólo algunos de estos hijos se
explica por convergencia. Y no es conveniente explicar detalles evolutivos en
un árbol politómico porque existe incertidumbre en el cladograma. Para
resolver esta situación se han generado nuevos algoritmos que intentan formar
un árbol dicotómico de este árbol incierto mediante la asociación de una
probabilidad más favorable para los organismos que se están analizando
(Maddison, 1989).
La objetivo de esta práctica es que alumno construya su propio árbol
filogenético, reconozca los caracteres sinapomórficos, plesiomórficos,
autapomórficos y homoplásicos de las gimnospermas y angiospermas, mediante
el uso del software McClade 4.0 beta y compare con la información generada
por el grupo de filogenia de angiospermas (Stevens, 2001; versión 12 de julio
2012).
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OBJETIVO
Determinar los caracteres apomórficos en la reconstrucción de un árbol
filogenético de gimnospermas y angiospermas
PROCEDIMIENTO
1.) Descargar secuencias génicas desde genbank en formato fasta
2.) Abrir secuencias en McClade
3.) Realizar filogenia por cualquier método de reconstrucción filogenética
4.) Realizar matriz morfológica de los organismos estudiados en McClade
5.) En el comando trace editar el árbol filogenético construido
6.) Analizar los caracteres apomórficos de angiospermas
7.) Discutir y concluir sobre los resultados
BIBLIOGRAFÍA
Albert, V.A, Williams, S. y Chase, M.W. (1992). Carnivorous plants: Phylogeny
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Gottlieb, L.D. (1984). Genetics and morphological evolution in plants. The American Naturalist. 125 (5), pp.681-709
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http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/. [último acceso el 12 de
septiembre del 2012].
Olmstead, R.G y Palmer, J.D. (1992). A chloroplast DNA of the Solanaceae:
subfamilial relationship and character evolution. Annals of the Missouri Botanical Garden. 79 (2), pp.346-360
Stevens, P. F. (2001, versión 12 de julio 2012). ANGIOSPERM PHYLOGENY WEBSITE, versión 12. [EN LÍNEA] Disponible en:
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http://www.mobot.org/MOBOT/research/APweb/. [último acceso el 15
de septiembre del 2012].
CUESTIONARIO
1. Menciona algunos caracteres apomórficos de las plantas con flores y
explica si les confieren alguna ventaja.
2. ¿Cuáles son los grandes grupos existentes de angiospermas?
3. Escribe las fórmulas florales de las siguientes familias de plantas.
Asteraceae, Brassicaceae, Cactaceae, Lamiaceae, Lauraceae,
Convolvulaceae y Cucurbitaceae.
4. Menciona algunas causas que propiciaron la evolución de las angiospermas