¿La primera mascota de mi hija, el próximo gran modelo de organismo?

ARRIBA: Sky Banana posando en su tanque CHRISTIE WILCOX

¿Cuál debería ser su nombre? Le pregunto a mi futura hija de cuatro años, Bianca. Ella y yo acabábamos de elegir su primera mascota: un pez betta hembra. El color favorito de mi hija (por ahora, de todos modos) es el púrpura, así que aunque la tienda de mascotas tenía una exhibición completa de bettas para elegir, de inmediato le atrajo una variedad de tono lavanda del fenotipo oreja de elefante o Dumbo, llamado así porque de sus aletas pectorales particularmente grandes que se asemejan a las orejas de los elefantes.

Cielo, responde con confianza.

Ese es un nombre hermoso, le digo. Un hermoso nombre para un hermoso pez. Pero mi hija no está satisfecha; ella siente que el pez también necesita un segundo nombre. ¡Banana! ella declara sin dudarlo y con copiosas risitas. Es Sky Banana, digo con una sonrisa.

La mayoría de los dueños de peces betta se sienten atraídos por los peces debido a sus colores vibrantes y aletas ornamentadas, pero mi esposo y yo nos decidimos por uno para nuestra familia por una razón diferente. : son uno de los pocos peces que les va bien en espacios pequeños (aunque quizás no tan pequeños como mucha gente piensa).

Los magníficos bettas disponibles hoy en día son un linaje domesticado de Betta splendensuna especie que se encuentra en estanques poco profundos y arrozales en partes de Asia. En esos hábitats, los niveles de oxígeno pueden ser peligrosamente bajos, pero los peces tienen una estructura especial, llamada órgano laberinto, que les permite respirar aire de la superficie según sea necesario, lo que es parte de lo que los hace aptos para tanques más pequeños que carecen de sistemas de aireación y filtración. La naturaleza resistente de los peces probablemente también facilitó su domesticación. A diferencia de la mayoría de los peces, que son relativamente nuevos en nuestros hogares, la gente ha estado criando bettas durante siglos. De hecho, la evidencia genómica de una preimpresión de bioRxiv del 30 de abril sugiere nuestra relación con B. splendens se remonta a mil años o más. Si esa estimación es correcta, es probable que los bettas sean los primeros peces mascota de nuestra especie.

Ahora, están en camino de convertirse en mucho más que eso. Gracias a su compleja y larga historia de domesticación, existe una gran diversidad a la que recurrir dentro de la especie para investigar la base genética de las características de los peces. Al igual que los ratones o el pez cebra, también podrían usarse para profundizar en la genética de la enfermedad y el comportamiento con implicaciones de mayor alcance. Y debido a que los bettas son más fáciles de mantener y más baratos de estudiar que la mayoría de los otros animales de laboratorio, algunos investigadores dicen que están preparados para convertirse en el próximo gran modelo de organismo.

Músculo antes que belleza

Un par de bettas luchando ISTOCK.COM, Superoke

Algunos lectores podrían objetar que llame mascotas a los primeros bettas domesticados. Después de todo, aunque son criaturas encantadoras que parecen reconocer a las personas e incluso aprender trucos, no fueron domesticadas como animales de compañía, ni el objetivo principal de la primera cría en cautividad fue realzar su vibrante belleza. En cambio, los primeros bettas llevados a los hogares humanos eran guerreros, con apuestas sobre los resultados de sus batallas.

De hecho, el otro nombre común para los bettas es pez luchador siamés, y si pones dos bettas juntos, es probable que los vea pelear, especialmente si ambos son hombres, dice el biólogo y estudiante graduado de la Universidad de Columbia, Young Mi Kwon, el primer autor de la preimpresión de abril. En la naturaleza, los animales pelean cuando se encuentran con un rival potencial, pero las batallas típicas se diluyen rápidamente y el combatiente más débil se retira. Sin embargo, en los confines artificiales de un tanque pequeño, no hay manera de rendirse, y las batallas suelen terminar en la muerte, a veces, para ambos peces.

Según Fabrice Teletchea, un biólogo de peces de la Universidad de Lorraine en Francia que ha pasado la última década estudiando la acuicultura y la domesticación de peces, solo unos pocos peces están en el club de domesticación de más de mil años. Está la tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus), que los egipcios empezaron a cultivar hace más de 3500 años, y varias especies de carpas cultivadas en China. Si bien los koi domésticos son descendientes de la carpa común (Cyprinus carpio), cuya domesticación comenzó hace más de 2500 años, estos peces se criaron únicamente por sus filetes hasta el siglo XIX. Las primeras menciones de la cría de peces betta, por otro lado, se remontan a 500 años antes.

Por supuesto, los registros antiguos son raros, y la falta de documentación no significa necesariamente que los animales no se mantuvieran y criaran antes de el siglo XIV. Es por eso que Kwon y su asesor de doctorado, el neurocientífico y genetista de Columbia Andrs Bendesky, decidieron observar el genoma betta en busca de pistas sobre cuándo la especie fue llevada al cautiverio por primera vez.

Domesticaciones anteriores

Se cree que los perros fueron los primeros animales domesticados por humanos, probablemente hace entre 20 000 y 40 000 años, incluso antes de que nuestra especie comenzara a cultivar. Otros amigos peludos, incluidos los gatos y las ovejas, se unieron a nuestras familias y nuestras granjas hace entre 10 000 y 7 500 años. Por lo que sabemos, se necesitarían otros 4000 años antes de que los habitantes de Egipto y China construyeran los primeros corrales para peces, especies de tilapia y carpas criadas para el consumo humano.

Usando secuencias de lectura larga seguidas de lecturas cortas -leer pulido, construyeron un genoma de referencia de alta calidad para un B salvaje. splendens de Tailandia, el primer genoma betta salvaje en ser ensamblado. Los investigadores también secuenciaron los genomas de 37 bettas ornamentales que se supone que son B. splendens, aunque se necesitaba confirmación, y 58 individuos de otras especies de betta salvajes: cuatro parientes cercanos de B. splendens y un primo más lejano. Alineando las secuencias al nuevo B. splendens , el equipo creó un árbol filogenético para determinar las relaciones evolutivas entre las especies. También usaron un subconjunto de sus secuencias betta ornamentales para calcular la tasa de mutación de la línea germinal: cuántas mutaciones surgen por generación, y de eso y del árbol filogenético, dedujeron que la domesticación comenzó hace entre 1000 y 7000 años, siendo el momento más probable hace alrededor de 4.000 años.

Entonces, es posible que los bettas fueran traídos a casa y criados cuando surgieron las primeras piscifactorías. Su domesticación puede incluso haber comenzado antes que cualquier carpa o tilapia. Y continúa hasta el día de hoy, señala Teletchea. La domesticación es un proceso que tiene un comienzo, pero no un final, dice. Nunca se detiene.

Una historia complicada

Kwon dice que fue la hermosa diversidad de bettas lo que los llevó a ella ya Bendesky a estudiarlos. Son uno de los peces mascota más diversos que puedes encontrar, dice ella. Cuando el dúo comenzó a investigar a los animales, señala Bendesky, se sabía poco o nada acerca de cómo la evolución o su domesticación llevaron a toda esta diversidad de estos rasgos. Pero da la casualidad de que no fueron los únicos investigadores seducidos por las hermosas criaturas.

Sin que Kwon y Bendesky lo supieran, casi al mismo tiempo, un laboratorio en China había decidido investigar de manera similar los genomas de estos carismáticos peces. . Wanchang Zhang, un postdoctorado en el laboratorio del investigador de acuicultura Yijiang Hong en la Universidad de Nanchang, se inspiró durante su puesto postdoctoral anterior en Singapur. Todos los días, para llegar a su banco en el Laboratorio de Ciencias de la Vida de Temasek, pasaba por delante de varias tiendas de acuarios y observaba una gran cantidad de bettas diferentes en exhibición. Él dice que no pudo evitar preguntarse cómo los peces llegaron a ser tan coloridos y diversos.

Los análisis genómicos detectaron contribuciones de varias especies de Betta en el B domesticado. splendens genomas.Fila superior, desde la izquierda: B. imbellis; B. siamorientalis; B. mahachaiensis; B. esmaragdina; B. guitarra esmaragdina; B. stiktosFila inferior: A salvaje B. splendens (izquierda) y una variedad de lucha domesticada Fila superior: Henry Diep; Fila inferior: HENRY DIEP, Wanchang Zhang

Cuando regresó a su país de origen, China, y se unió al laboratorio de Hongs en 2018, Zhang solicitó la ayuda del genetista Rasmus Nielsen de la Universidad de California, Berkley. El equipo secuenció los genomas de 727 B domesticados. splendens, incluidas las razas ornamentales y de pelea, y 59 bettas salvajes de varias especies y encontró que los luchadores se ramificaron del salvaje B. splendens línea primeroun hallazgo consistente con la idea de que los peces fueron inicialmente criados para el deporte. Fue solo más tarde, cuando surgieron nuevos colores y formas corporales entre los combatientes, que la gente comenzó a criarlos por su belleza, concluyeron los investigadores en un artículo de bioRxiv publicado el 10 de mayo, como resultado un poco antes de lo planeado originalmente. de la preimpresión de Kwon y Bendesky publicada en abril, señala Nielsen. Los dos grupos ahora están coordinando sus publicaciones para que los laboratorios eviten enfrentarse entre sí.

Una cosa está clara en ambos conjuntos de datos: la domesticación de los bettas no fue un evento singular. En los árboles evolutivos construidos por ambos equipos de investigación, todos los bettas domesticados eran vástagos de B. splendens pero tenía fragmentos de secuencias de otras especies relacionadas. Además, ambos grupos de investigación descubrieron la hibridación repetida entre B domesticados. splendens y sus parientes salvajes, lo que sugiere que los bettas cautivos y libres intercambiaron genes a lo largo del proceso de domesticación.

Construir un betta

Además de observar la historia de la domesticación , ambos equipos buscaron descubrir la base genética de la asombrosa diversidad de animales. Los análisis en profundidad realizados por cada grupo de investigación para conectar los fenotipos con los genotipos son prácticamente desconocidos en la industria de la acuicultura de peces, dice Teletchea. Yo diría que probablemente hay menos de diez artículos en el mundo que han hecho este tipo de trabajo, y probablemente menos de cinco, dice.

Un betta azul con aletas «corona» ISTOCK.COM, GABRIELE DIDIO

Resulta que el atractivo color y los rasgos de las aletas de los bettas tienden a estar desvinculados, lo que significa que ocurren en secciones dispares del genoma. Los datos de ambos equipos vincularon las aletas anales en forma de corona, donde las aletas aparecen trituradas en lugar de enteras, con variaciones en un tramo de un cromosoma que incluye un gen llamado frmd6, que se sabe que regula el crecimiento del tejido. Curiosamente, la coronación de la aleta caudal se rastreó hasta un punto en un cromosoma diferente. Mientras tanto, el equipo de Kwon y Bendesky vinculó genes en otro cromosoma con coloración azul o roja, mientras que el equipo de Zhang encontró una asociación entre colores rojos vibrantes y RNF213, un gen que está involucrado en la formación de vasos sanguíneos y se encuentra en un cromosoma diferente.

Esto finalmente les da a los criadores la capacidad de construir el betta de sus sueños, intercambiando colores y formas de aletas a voluntad a través de una crianza cuidadosa. Si imagina bloques de Lego, simplemente puede ensamblar estos diferentes Legos, o genes, para crear el tipo de pez que desea, dice Kwon.

Si imagina bloques de Lego, simplemente puede ensamblar estos diferentes Legos, o genes, para crear el tipo de pez que deseas.

Young Mi Kwon, Universidad de Columbia

Por supuesto, los volantes y los matices no son los únicos rasgos afectados por la selección artificial. Quizás el cambio más dramático en los animales ha sido invisible: la reproducción artificial alteró la forma en que los peces determinan su sexo. En los bettas salvajes, la determinación del sexo es poligénica, lo que significa que depende de muchos genes. Ambos grupos de investigación descubrieron de forma independiente que, en los bettas domesticados, esa ya no es la norma; en cambio, el sexo es impulsado principalmente por un solo gen llamado DMRT1. Al igual que con los humanos, los machos poseen una sola copia de una versión Y del gen que es distinta de las dos X de las hembras.

Este cambio puede haber sido algo intencional, dice Bendesky. Los criadores pueden haber favorecido a los animales que produjeron el mismo número de machos y hembras y, por lo tanto, seleccionaron inadvertidamente un solo gen determinante del sexo, lo que es más probable que resulte en una proporción de sexos de 1:1 entre la descendencia. También es posible que esto haya sido una especie de respuesta a la selección con fines de lucha, dice, y señala que podría haber estado relacionado con la agresión u otros rasgos relacionados con la batalla. Por el momento, todo esto sigue siendo especulativo.

Si bien muchos de los hallazgos de los dos grupos de investigación se superponen, cada uno también descubrió información única sobre los animales. Por ejemplo, el equipo de Kwons descubrió que un gen llamado alkal2l está asociado con una gran cantidad de células iridiscentes de la piel llamadas iridóforos, que juegan un papel importante en los vibrantes tonos azules de los peces. Y Zhang y sus colegas descubrieron la base genética probable de las aletas Dumbo extraordinariamente grandes y hermosas de Sky Bananas: dos alelos recesivos independientes en genes en diferentes cromosomas.

El enfoque de asociación de todo el genoma que empleó el equipo de Zhang no pudo determinar con precisión qué los genes eran. Pero un análisis que busca puntos calientes de polimorfismos apuntó al gen HOXA, miembro de una familia de factores de transcripción famosos por su importancia en la formación del esqueleto y las extremidades, y un gen llamado FBXL-15. , que está implicado en la formación del patrón dorsoventral y el mantenimiento de la masa ósea.

Este mecanismo de dos genes para aletas más grandes es totalmente diferente de lo que se sabe sobre el control genético de la morfología de las aletas en otras especies de peces, explica Zhang. Además, los rasgos dirigidos por un par de genes son poco comunes, señala Nielsen. Otras características de betta con genética resuelta son loci únicos o poligénicos, dice, pero aquí, en dos posiciones diferentes en el genoma, necesitamos tener la variante correcta. Sky Banana es un pez realmente raro.

Un modelo betta

Ambos equipos de investigación dicen que sus preprints son solo el comienzo de su trabajo con bettas. Argumentan que los animales tienen mucho más que enseñarnos sobre la evolución de los peces, e incluso sobre nosotros mismos.

Creo que el pez luchador siamés tiene un potencial sin explotar porque hay muchos fenotipos diferentes, dice Nielsen. Hong está de acuerdo y señala que el organismo modelo de pez más popular en la actualidad, el pez cebra (Danio rerio), no tiene el mismo nivel de diversidad fenotípica. Los investigadores crean constantemente peces cebra mutantes, dice, mientras que en los bettas domésticos ya hay tantos mutantes, lo más probable es que un investigador pueda encontrar uno que funcione para responder cualquier pregunta que quiera hacer.

Un salvaje B. splendens (arriba) y muchas variedades domesticadas que ilustran la amplia gama de colores y formas de aletas Arriba: Henry Diep; Segunda fila, primeras cuatro desde la izquierda: Bettina Sperl; todos los demás: Wanchang Zhang 

Bendesky señala que los bettas también serían buenos modelos de laboratorio porque son fáciles de cuidar. Es por eso que mucha gente los tiene como mascotas, dice Bendesky. No requieren mucha atención. De hecho, los peces son tan fáciles de criar que la familia Bendesky es el hogar de dos mascotas bettas: su hijo Solomons fish Hider, a quien le encanta esconderse detrás de las plantas y la decoración del tanque, y su hija Anabels fish Anabl. (Los peces de laboratorio por lo general no reciben nombres lindos como Anabl, Hider o Sky Banana, pero uno de sus bettas de laboratorio se ganó un apodo, recuerda Bendesky: Sumphrey Bogart, porque escapó y vivió durante semanas en su tanque de sumidero lleno de equipos de acuarios de laboratorio antes de que el equipo lograra atraerlo y capturarlo).

Pero quizás el mejor punto de venta de los bettas como organismo modelo es el tamaño de su genoma, dice Bendesky, específicamente, el hecho de que es pequeño. Con solo 450 megabases, B. splendens tiene uno de los genomas de vertebrados más pequeños conocidos por la ciencia. Es menos de un tercio del tamaño del genoma del pez cebra y alrededor de una sexta parte del tamaño de los ratones. La cantidad que gasta en la secuenciación de sus genomas es proporcional a su tamaño, señala Bendesky, por lo que con los bettas, obtiene más por su dinero.

Pequeño también significa más compacto, lo que hace que sea más fácil descifrar el funciones de los genes, añade. Los grandes genomas, a través de la evolución, se basan en este ADN basura, o ADN que no necesariamente codifica genes o proteínas, explica. Eso hace que a veces sea más difícil encontrar los elementos funcionales en el genoma, porque están más entremezclados y diluidos por las cosas.

Además, los bettas emplean la fertilización externa, lo que facilita mucho la manipulación y edición de sus genomas. Podemos tomar el embrión unicelular y luego inyectarle transgenes, y manipular el genoma mucho más fácilmente que en un mamífero o en [un] pez que queda preñado, señala Bendesky.

El uso de Los peces betta como modelos en realidad no son tan novedosos, dice Nielsen. Durante décadas, B. splendens ha servido como especie modelo para la investigación del comportamiento animal (por ejemplo, un estudio de bettas sobre Prozac), pero en todo ese tiempo, la genética no ha sido un foco de atención. El potencial a largo plazo. . . es realmente usar el pez betta como un sistema modelo para comprender la base genética del comportamiento, dice.

El potencial a largo plazo. . . es realmente usar el pez betta como un sistema modelo para comprender la base genética del comportamiento.

Rasmus Nielsen, Universidad de California, Berkley

Los betta son posiblemente mejores modelos para el comportamiento humano que los peludos disponibles. opciones porque, al igual que nosotros y a diferencia de los ratones, utilizan la visión como su sentido principal. Los investigadores ya han optado por usar bettas en lugar de ratones u otros animales de laboratorio para estudiar cosas como el aprendizaje espacial y la memoria y la base neuronal de las diferencias sexuales en el comportamiento, pero, como señala Nielsen, la genética subyacente de todo esto aún está por explorar.

Zhang también sugiere que los bettas podrían servir como modelos para condiciones neurológicas y de salud mental. En la comparación de sus equipos de los genomas de los bettas de pelea y ornamentales, los investigadores descubrieron una señal poligénica que involucra 80 o más genes, muchos de los cuales son homólogos a los genes implicados en la salud mental humana. Kwon y Bendesky también están interesados en estudiar la genética del comportamiento de estos peces, ya que los rasgos de comportamiento como la agresión, la impulsividad y la audacia desempeñaron un papel destacado en los siglos de selección artificial que condujeron a Sky Banana y sus contemporáneos.

La idea de que los investigadores escudriñen los comportamientos de los betta en sus laboratorios de vanguardia, en busca de pistas sobre cómo los genes subyacen a su predilección por la violencia, me resulta un tanto divertida mientras veo a Sky Banana revolotear inofensivamente alrededor de su tanque. Me pregunto qué pensarían de cómo, cuando tiene hambre, nada hacia cualquier dedo colocado en el exterior de la pared del tanque. Y aunque sé que técnicamente es un depredador, parece tan peligrosa como una mosca doméstica (aunque, ahora que lo pienso). de eso, no he visto a sus compañeros de acuario, los camarones que la limpian, en mucho tiempo).