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Ensamblando el Arbol de la Vida de las Algas Verdes
Lopez-Bautista, Juan M.
The University of Alabama, USA
[email protected]
El Arbol de la Vida
Darwin 1837
Haeckel 1866
Haeckel 1879
El grupo heterogeneo de las algas y sus relaciones evolutivas
Usted esta aqui
Adl et al. 2006
Era
Mya
Major events/Radiations
Cenozoic
65
Mesozoic
248
Paleozoic
543
Neo
900
Proterozoic
1200
Meso
Secondary
endosymbiosis
1600
Paleo
Archean
-
Primary endosymbiosis
3500 Earliest Archean eubacterial fossil
CB
Yoon et al., 2004
Endosimbiosis Primaria
Endosimbiosis Secundaria
Una estimacion conservadora de la biodiversidad algal
•  73,000 spp.
•  Alrededor de 44,000 han sido descritas
•  mas de 28,000 permanecen por ser descritas por ficólogos,
especialmente diatomeas, cianobacterias y algas verdes dulceacuicolas
Importancia de la identification taxonomica de la especie
• Esenciales en estudios ecologicos
• Esencial para la aplicacion de la biotecnologia
• Especies bioindicadoras
• Las patentes
• Y para la comunicacion cientifica en general
Tres ejemplos
•  Subestimando y sobrestimando la Biodiversidad:
El caso del genero Ulva en el Atlantico Americano y Chile
•  Los Genomas de Algas verdes y su Arquitectura
•  La Filogenomica de las Algas Verdes
Subestimando y sobrestimando la Biodiversidad:
El caso del genero Ulva en el Atlantico Americano y Chile
Marea verde e Qingdao
Trey Melton – Estudiante de Graduados Universidad de Alabama
Erasmo Macaya - Universidad de Concepcion
Michael J. Wynne – Universidad de Michigan
Timeline of Ulva
1820: Link separated
the tubular forms into
Enteromorpha.
2003: Hayden et al. (U.S.
West Coast)
•  rbcL (chloroplast)
•  ITS
1998: Blomster et al.
(Europe)
•  ITS (nuclear)
1753: Linnaeus
recognized tubular and
blade morphologies in
the genus Ulva.
Type specimen of Ulva lactuca L.
http://www.linnean-online.org/13720/
2010: Saunders & Kucera
(Canada)
•  tufA (chloroplast)
•  rbcL
•  ITS
•  LSU (nuclear)
En general podemos comentar que la morfologia plastica de
muchos especies de algas crea una problematica taxonomica a
nivel de especie Sobrestimando la Diversidad
Tubos aplanados
Tubos no ramificados
Laminas
Adapted from Hofmann et al. 2010
Ulva compressa L.
Tubos ramificados
Adapted from Heesch et al. 2007
Tal parece que las algas contienen una increbile diversidad
genetica criptica que nos crea otro problema taxonomico al
subestimar la diversidad
Talos laminares de Ulva morfologicamente co-similares y
correspondiendo a U. lactuca
Ulva lactuca
Ulva rigida
Ulva pertusa
Ulva compressa
Adapted from Hofmann et al. 2010
Gulf of Mexico
Collection Sites
Maps made in Google Maps
Chile
Conclusiones
•  Nuevas especies esperan descripciones
•  La diferencia entre las morfoespecies:filoespecies corresponde a 17:19
para el Atlantico Americano y 16:11 para Chile
•  Se espera que la sinonimia en el genero Ulva requerira un trabajo
nomenclatural extenso
•  Se necesitan mas muestreos del Sur del GoMx, el Caribe y Chile
•  Secuenciacion de los especimenes tipo o Topotipos
•  Alertar a las agencias interesadas acerca de la introduccion de especies
“invasivas” y generadoras de “mareas verdes” o Green Tides
Los Genomas de Algas verdes y su Arquitectura
Trey Melton – Estudiante de Graduados Universidad de Alabama
Daryl Lam – Universidad de Alabama
Frederik Leliaert – Universidad de Alabama/GhentU
Plastidomas de Chlorophyta
•  Approx. 70 plastidomas de algas verdes
•  Rango remarcable de arquitecturas
genomicas
•  Muchos plastidomas tienen una
estructura cuadripartita
•  Se caracteriza por la presencia de dos
copias de una sequencia repetida
grande e invertida separando una region
de una sola copia pequeña y otra
grande
•  Aunque esta arquitectura se cree que es
ancestral en las algas verdes, muchas
especies no tienen esta estructura
cuadripartita
IR
Pseudendoclonium
akinetum
196 kb
105 genes
62 % coding
IR
Plastidomas en Ulvophyceae
•  Plastidomas completos son
disponibles para 3 especies al
empezar 2015
•  Oltmannsiellopsis y
Pseudendoclonium comparten
la arquitectura cuadripartita, y
un gran complemento similar de
genes (104 y105 genes,
respectivamente), pero difieren
en tamaño debido al numero de
intrones (5 en Oltmannsiellopsis
vs 27 en Pseudendoclonium).
•  Bryopsis es diferente, pues
carece la organizacion
cuadripartita
IR
Pseudendoclonium
akinetum
196 kb
105 genes
62 % coding
IR
IR
Oltmannsiellop
sis viridis
152 kb
105 genes
59 % coding
IR
Bryopsis
hypnoides
153 kb
111 genes
37 % coding
Resultados
•  Los plastidomas de Bryopsis plumosa
and Tydemania expeditionis, resultaron
en una sola copia circular
•  Los plastidomas circulares de B. plumosa y T.
expeditiones consisten de 106,859 bp y 105,200 bp
•  Sorprendentemente, el plastidoma de B. plumosa es
mucho mas pequeño que el de B. hypnoides
La diferencia es el resultado de grandes espaciadores
intergenicos que ocupan un 38.9% en B. hypnoides
•  Los espacios intergenicos en B. plumosa y T.
expeditiones consisten de 20.3% y 16.3%
•  Los plstidomas de B. plumosa and T. expeditiones
carecen de las regiones invertidas
•  Algunos Marcos Abiertos de Lectura o ORFs fueron identificados y que no muestran ninguna
relacion con genes plastidiales, pero que muestran una estrecha similaridad con genes
bacterianos
•  El orf3 (8,031 bp) mostro una estrecha similaridad a la familia bacteriana de proteinas rhs
•  Un ORF (7,173 bp, interrupted by a 267 bp intron) similar fue tambien encontrado en el
plastidoma re-anotado de B. hypnoides
•  Los genes Rhs son una familia de genes compuestos que ocurren in algunas bacterias
Gram-negativas, incluyendo las Cyanobacteria
•  A pesar de su ocurrencia amplia, la funcion de los genes rhs permanece desconocida
•  Otros ORFs de origen
putativo bacteriano
incluyen un gene
codificando DNA
polimerasa con un
dominio specifico –
maturasa (orf7), y dos
ORFs (orf4 y orf 5) que
muestran una estrecha
similaridad con
proteinas bacteriaans
no caracterizadas
•  Orf3, orf4 y orf5 estan
agrupados en una
region de 13 kb
mientras que orf7 esta
situado en otro lugar
ftsH (1205 aa )
•  Quality control protease essential for photosystem II repair.
•  Acetabularia:
•  Protect kleptoplasts from photodamage
•  Key to long-term plastid activity in slugs
•  El plastidoma de T.
expeditionis
•  Dos ORFs traslapados (orf8
yorf9) estan relacionados con
genes bacterianos
metiltransferasas, que
funcionan como defense en
bacerias en contra de
infecciones por bacteriofagos
•  Una region de cerca de 7 kp
contiene 4 ORFs muestra una
estrecha similaridad con genes
bacterianos involucrados en
funciones mobiles
•  La presencia de estos 4 ORFs
indica que la region 7 kb
puede ser un elemento mobil a
de origen bacteriano
•  La presencia de genes bacterianos en
Bryopsis y Tydemania, y ausentes en otras
algas verdes sugiere que estos genes han
sido adquriridos por una transferencia de
genes horizontal
•  La transferencia de genes en plastidomas
es raramente detectada
•  Las algas verdes sifonadas
(Bryopsidales) se conoce que mantienen
comunidads bacterianas intracelulares
•  Estas bacterias intracelulares podrian
facilitar la transferencia de genes desde las
bacterias endobioticas al genoma
hospedero, posiblemente via vectores
como los bacteriofagos
Hollants et al. 2011
Conclusiones
•  Los plastidomas de genes densos de Bryopsis plumosa y Tydemania expeditionis se
encuentran en los plastidomas mas pequeños de las Clorofitas
•  Nuestros datos confirman la plasticidad remarcable de los plastidomas de las algas
verdes, hasta en las especies congenericas!
•  Los plastdiomas de Bryopsis and Tydemania contienen ORFs que muestran como unica y
alta similaridad a genes bacterianos
•  Estos genes incluyen la familia rhs, y genes involucrados en funciones de mobilidad, tales
como transposasas, integrasas, DNA polimerasas, y primasas de DNA de fagos/plasmidos
•  Otro hallazgo fue la presencia de 2 ORFs en T. expeditionis similares a las metiltransferasas
de DNA bacteriano, una familia de genes nunca encontrada en plastidomas
•  Estas regiones de similaridad baccteriana sugiere que han sido adquiridas a traves de una
transferencia de DNA horizontal desde las becterias
•  Las Algas Verdes Sifonadas se caracterizan por celulas tubulares gigantes que contienen
millones de nucleos y plastidios, ademas de una diversa comunidad bacteriana
•  Es posible que estas transferencias horizontales de DNA hallan sido facilitadas por la
ocurrencia de bacterias viviendo dentro de la celula hospedera
La Filogenomica de las Algas Verdes
Daryl Lam – Universidad de Alabama
Frederik Leliaert – Universidad de Alabama/GhentU
La Filogenomica es la convergencia:
•  las ciencias genomicas (el estudio de
la funcion y estrucura de genes y
genomas) y
•  Filogenetica Molecular (el estudio de
la relaciones evolutivas jerarquicas
entre los organismos, sus genes y
genomas)
La Filogenomica nos permite
•  establecer relaciones evolutivas entre
los groupos algales,
•  la anotacion de genes,
•  prediccion de la funcion molecular,
•  reconstruccion de vias metabolicas, y
•  ultimadamente la correlacion entre la
funcion con cambios en la estructura
molecular
•  Nuevos linajes de algas verdes son
descubiertos cada año in habitats
inusuales
•  Esto ha resultado an en una
explosion de una nueva taxonomia
•  Dentro del filum Chlorophyta la
mayoria de este progresos han sido
a nivel de generos y especies
•  Tradicionalmente, cuatro clases se han definido basadas en sus caracteres
ultraestructurales del aparato flagelar y de los aspectos del proceso de division
celular:
•  Ulvophyceae
•  Trebouxiophyceae
•  Chlorophyceae
•  Prasinophyceae
•  Los analisis molecular en algunos casos an apoyado la informacion
ultraestructural
•  Recientemente, nuestros analisis
filogenomicos:
•  56 taxa, 7 cp genes + 18S
•  35 taxa, 53 cp genes
•  Una relacion entre
Oltmannsiellopsis and Tetraselmis
(Chlorodendrophyceae)
•  Las Ulvophyceae
no recibieron apoyo monofiletico
•  Rechazo la monofilia de las
Trebouxiophyceae
Maximum likelihood phylogeny inferred from the 8-gene alignment.
Bootstrap percentages and Bayesian posterior probabilities (MrBayes) are
indicated along branches. Values under 60 BS and 0.90 BPP are indicated
as -, values of 100 BS and 1.00 BPP as *.
Leliaert and Lopez-Bautista 2015
En resumen:
En ese trabajo a principios del 2015
nuestros datos sugirieron que las
clases Trebouxiophycea y
Ulvophyceae no son monofileticas
Proponemos que el termino comun
“Clado UTC” debe ser reemplazado
por el termino “Chlorophyta Central”
Analisis Filogenomicos
•  79-genes
•  Grupos fuertemente apoyados:
Pedinophyceae, Chlorellales, el
core Trebouxiophyceae,
Chlorophyceae y dos clados de
Ulvophyceae
•  50-genes y mas taxa
•  Incluyendo Trentepohliales y
Dasycladales y Tetraselmis
(Chlorodendrophyceae)
•  De nuevo, los mismos resultados, L
monofilia de Ulvophyceae y
Trebouxiophyceae no pueden ser
confirmadas
•  Las Chlorophyeae se mantienen como
un group monofiletico
Los alineamientos MAUVE entre los plastidomas: visualization de bloques colineares
Ulva sp. UNA00071828
Ulva fasciata
Los arreglos altamente complejos de las algas verdes contrastan con los de las algas rojas:
Bhatthacharya lab.
Conclusiones
•  Una reconstruccion filogenetica correcta del las Clorofita central y en
particular de las Ulvophyceae requerira un muestreo mas amplio de
taxa y genes
•  Comparedo con otros grupos de las Clorofita central , las Ulvophyceae
estan todavia subrepresentadas en los estudios flogenomicos del
cloroplasto
•  Plastidomas de algunos groupos importantes estan toadavia ausentes
(e.g. Cladophorales, Trentepohliales, Blastophysa, and Ignatius-clado)
•  Aunque los plastidomas contienen grandes cantidades de informacion
genetica, una combinacion de datos genomicos plastidiales y nucleares
podria ser necesaria para resolver las relaciones dentro de las
Ulvophyceae y entre los clados principales de las Clorofita Central
CONCLUSIONES GENERALES
•  Los métodos modernos de diversidad genética
demuestran problemas en donde la taxonomía
tradicional sobrestima y/o subestima la
biodiversidad real
•  Las nueva tecnologias de secuenciacion estan
resolviendo muchas preguntas que han plagado
por siglos a la ficologia
•  Al mismo tiempo esta tecnologia esta
descubriendo nuevos paradigmas, y generando
mas preguntas!
•  El entrenamiento de ficologos modernos requiere
de nuevas tecnologias (bioinformatica,
biotecnologia, genomas) paralelas con las bases
fundamentales de la morfologia y taxonomia
clasica algal
AgradecimientosEstudiantes
USA: Thaddeus House-Coleman, Scotty DePriest, David Ward, Joe Chow, Trey Melton,
Chambers Avery, Elizabeth Timm, April Mitchell
SKorea: Sam Kim
China: ZiMin Hu
Russia: Sergey and Andrey Bombin
Venezuela: Gabriela Garcia-Soto
Spain: Ana Tronholm
Belgium Frederik Lelieart
Brazil: Nadia Lemes
Agradecimientos
Postdoctorados
Dr. Frederik Leliaert Dr. Nadia Lemes
Dr. Fabio Rindi
Dr. ZiMin Hu
Dr. Daryl Lam
Dr. Haj Allali Dr. Ana Tronholm
Para mas informacion visite el PhycoLab
http://www.as.ua.edu/phycolab/