Las simbiosis entre diferentes especies son una constante en la naturaleza. Algunos ejemplos conocidos incluyen la relación entre los seres humanos y la flora intestinal, o la simbiosis entre algas y hongos que forman los líquenes. Dentro de los insectos (y algunos otros organismos), la presencia de la bacteria endosimbionte Wolbachia es muy abundante; puede inducir alteraciones reproductivas muy considerables en sus hospedadores que, potencialmente, incluso conducen a procesos de especiación (Baião et al., 2019; Bruzzese et al., 2022).
Wolbachia: bacteria endosimbiótica y experta manipuladora
Wolbachia es una bacteria intracelular obligada de transmisión por vía materna, lo que implica que solo puede sobrevivir dentro de las células de sus hospedadores y que mayoritariamente se trasmite de la madre a su descendencia a través de las células reproductivas (endosimbionte obligado). El interés en esta bacteria radica principalmente en su habilidad para manipular el sistema reproductivo de su hospedador de distintas formas para asegurar su mantenimiento en las poblaciones (Werren et al., 2008; Kaur et al., 2021). Por ello, se le considera un parásito reproductivo, aunque en ciertos insectos su presencia puede incluso resultar beneficiosa y/o obligada (mutualismo) ya que llega a potenciar la respuesta inmune o promover la síntesis de nutrientes (Wong et al., 2011; Ju et al., 2020). Cabe destacar que actualmente Wolbachia se utiliza en programas de control de vectores de plagas agrícolas y de enfermedades infecciosas como el Zika, el dengue y la malaria, ya que la infección artificial de algunos insectos, como por ejemplo los mosquitos, limita la transmisión de estos patógenos (Turley et al., 2009; Dutra et al., 2016; Crawford et al., 2020).
Por tanto, Wolbachia es una bacteria fascinante con unas capacidades extraordinarias para relacionarse con su hospedador y afectar a distintos procesos fisiológicos. El mecanismo que utiliza para generar todos estos efectos prácticamente se desconoce, aunque lógicamente se vincula con su influencia sobre la expresión de ciertos genes de los individuos infectados (Baião et al., 2019; Dou et al., 2021). Pero esta habilidad se ha relacionado también con que Wolbachia potencialmente altere el epigenoma del hospedador, es decir, con que provoque una modificación global de la expresión de sus genes (Negri et al., 2009; Wu et al., 2020).
El epigenoma y Wolbachia
Por aclarar términos, ¿qué es la epigenética? La epigenética hace referencia al estudio de los procesos, en ocasiones hereditarios, que no implican cambios en la secuencia del ADN, sino modificaciones sobre ella o sobre sus proteínas asociadas (las histonas), incluso en los ARNs, y que resultan en una alteración de la expresión génica (Mukherjee et al., 2015). Es decir, existen pequeñas etiquetas químicas que se agregan o eliminan del genoma en respuesta al entorno (dieta, temperatura, estrés, infecciones, etc.) y que condicionan las características finales de un individuo. Según estas etiquetas se activa o desactiva la expresión de ciertos genes (Glastad et al., 2019). Esto explica por qué, entre otras cosas, los gemelos univitelinos no son idénticos a pesar de presentar la misma secuencia de ADN: su entorno durante la gestación y el crecimiento, por poco diferente que haya sido, no es igual.
En este contexto, y como ya hemos indicado, Wolbachia llega a modificar el epigenoma y a alterar la expresión génica global de los organismos a los que infecta. En los pocos estudios previos al respecto se ha analizado principalmente su efecto sobre la metilación del ADN, una de las modificaciones epigenéticas más frecuentes. La metilación del genoma hace referencia a la eliminación o adición de grupos metilo en la secuencia de ADN y que conllevan una mayor o menor expresión de los genes, respectivamente (Glastad et al., 2019; Abudukadier et al., 2021).
Wolbachia-Chorthippus parallelus: estudios de expresión génica y epigenómicos
En mi Trabajo Fin de Máster, una codirección UAM-UNED, hemos explorado la influencia de Wolbachia en un saltamontes común – Chorthippus parallelus – también conocido como “saltamontes de los prados” (Figura 1). Los estudios previos de nuestro grupo de investigación (Zonas Híbridas, HyZo) han determinado que esta bacteria endosimbionte limita la reproducción entre individuos infectados y no infectados, lo que genera una importante barrera reproductiva en las poblaciones (Zabal-Aguirre et al., 2014). Dado este efecto de Wolbachia en el saltamontes, recientemente se han puesto a punto diferentes técnicas de laboratorio para ver cómo su infección afecta a la expresión génica y al epigenoma de esta especie.
Figura 1. Hembra (abajo) y macho adultos de Chorthippus parallelus copulando. Obsérvese el dimorfismo sexual patente: mayor tamaño y ausencia de alas en las hembras. Fuente: Grupo HyZo.
Los resultados que hemos obtenido muestran cómo Wolbachia altera estos dos parámetros de estudio en C. parallelus. En este saltamontes, Wolbachia afecta a la expresión de genes relacionados con distintas rutas fisiológicas fundamentales de los insectos, como el sistema inmune, el metabolismo energético y la reproducción. Y no solo eso; Wolbachia también manipula los procesos epigenéticos de C. parallelus, incluyendo el nivel de metilación global del ADN. Cabe destacar que, en general, hemos observado cómo esta bacteria afecta en mayor medida a las hembras, promoviendo en ellas un menor nivel de metilación del genoma y una mayor expresión de los genes analizados, lo que podría estar asociado con su transmisión por vía materna. Por tanto, Wolbachia tiene la capacidad de modificar la biología de este hospedador alterando diferentes procesos fisiológicos, algo esperable dado que, como ya hemos indicado, interfiere en la reproducción entre saltamontes infectados y no infectados, lo que necesariamente implica que modifica la expresión de algunos de sus genes.
Estos estudios de carácter pionero amplían el conocimiento sobre la biología de este endosimbionte bacteriano, sus relaciones con el hospedador y aportan un modelo experimental extrapolable a otros organismos y sistemas.
El saltamontes de los prados y su zona híbrida
Chorthippus parallelus presenta dos subespecies que se diferencian por diversos rasgos genéticos, entre ellos también algunos morfológicos y comportamentales: C. p. erythropus, endemismo de la Península Ibérica, y C. p. parallelus, localizada en el resto del continente europeo (Butlin y Hewitt, 1985a, 1985b). Ambas forman una zona híbrida en los Pirineos (Figura 2), lo cual indica que en esta región se han reproducido individuos genéticamente diferentes de una y otra subespecie entre sí, resultando en descendientes viables y parcialmente fértiles, híbridos, que ocupan áreas muy concretas. El origen y establecimiento de esta zona híbrida se atribuye al aislamiento geográfico que experimentaron las poblaciones ancestrales de este saltamontes por las glaciaciones del Pleistoceno, por lo que acumularon esas diferencias genéticas hasta su reunión en la cordillera pirenaica hace unos 10.000 años. Esta zona ofrece un modelo destacado en biología para el estudio de diferentes procesos evolutivos, como la divergencia genética y la especiación incipiente (Martínez-Rodríguez y Bella, 2018).
Figura 2. Localización de la zona híbrida en Portalet (Pirineos) de Chorthippus parallelus: C. p. erythropus (Cpe) y C. p. parallelus (Cpp). Fuente: modificado de Funkhouser et al., (2015).
La presencia de Wolbachia, que infecta a ambas subespecies de este saltamontes y a sus híbridos, añade una dosis extra de complejidad, resultando en un modelo biológico aún más fascinante para el estudio de interacciones simbióticas y evolutivas. En los análisis que hemos llevado a cabo en estos últimos años sólo se ha trabajado con una de las subespecies, por lo que nos surgen muchas preguntas al respecto del efecto de Wolbachia en la otra subespecie y en los híbridos. De la misma forma, nos planteamos de qué manera la infección de esta bacteria ha tenido y tiene consecuencias en el establecimiento y mantenimiento de la zona híbrida de C. parallelus. Actualmente, estamos profundizando en estas cuestiones para tener una visión global de la influencia de Wolbachia en esta región.
Conclusiones
Wolbachia provoca alteraciones transcripcionales y epigenómicas en el saltamontes de los prados, lo que podría ser relevante para la zona híbrida que éste forma en los Pirineos. Con todo ello, podemos ver cómo la coevolución de Wolbachia con los insectos es tan compleja como interesante, y manifiesta una estrecha y compleja relación endosimbiótica. Profundizar en esta interacción a través de herramientas moleculares permitirá no solo dar respuesta a cuestiones relevantes dentro de la biología evolutiva, debido a su influencia en la reproducción y, en ciertos casos, en la especiación, sino también por su aplicación en el ámbito sanitario y agrícola (Porter y Sullivan, 2023).
(*) Esta investigación ha sido financiada por el Gobierno de España (Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades), proyecto PID2019-104952GBI00, y se ha desarrollado dentro del grupo de investigación Zonas Híbridas HyZo / Hybrid Zones de la UAM. El TFM se desarrolló con una Ayuda para el Fomento de la Investigación en Estudios de Máster del Dpto. de Biología (UAM).
