Introducción
La domesticación es un proceso por el cual los humanos llegan a controlar la reproducción y/o la sobrevivencia de otro organismo (animal, planta, hongo o bacteria), para así aprovechar con más eficiencia algún recurso que produzca ese organismo (Solbrig & Solbrig, 1994; Zeder, 2015). Durante la domesticación se seleccionan diferentes características útiles para el humano (Darwin, 1859; Solbrig & Solbrig, 1994; Zizumbo-Villarreal & Colunga-GarcíaMarín, 2010).
La domesticación ha fascinado a los naturalistas y biólogos por mucho tiempo. Así, hay diferentes trabajos clásicos sobre la domesticación de plantas y animales, entre los que destacan los estudios de Charles Darwin (1809-1882). Si recuerda el lector, sus ejemplos de selección en el Origen de las Especies (1859) se refieren a casos de selección artificial por los humanos y a partir de ellos deduce y ejemplifica que un proceso similar debe ocurrir en especies silvestres, que es la selección natural.
Otro científico importante en los primeros estudios sobre domesticación fue Alphonse Pyrame de Candolle (1806-1893) , un botánico suizo que fue una de las primeras personas en pensar seriamente de dónde venían las plantas cultivadas en su obra Origine des plantes cultivées (1883). Candolle intenta descubrir los parientes silvestres de las plantas cultivadas y su distribución geográfica, para luego explicar los mecanismos de cómo han llegado a diferentes lugares y su variación geográfica. Ya durante el siglo XX, el famoso científico soviético Nikolai Vavilov (1887- 1943) fue el primero en describir a México y Mesoamérica como centros activos de domesticación de plantas y realizó amplias colectas de germoplasma e importantes estudios en muchas partes del mundo, incluyendo a una buena parte de México (Jardón-Barbolla, 2015).
A partir de estos estudios seminales, se han desarrollado un creciente número de estudios sobre el proceso y la genética de la domesticación. Se ha encontrado que para el caso de las plantas lo que usualmente se selecciona es la cantidad y la calidad de los frutos y semillas que producen, mismos que son la principal fuente alimenticia de los seres humanos (Solbrig & Solbrig, 1994). Pero hay otras características que también se seleccionan en estas plantas para facilitar su manejo; por ejemplo, se ha seleccionado que no se liberen las semillas, como en el maíz, que quedan unidas al olote, o permanecen en la vaina, como en los frijoles, para que el agricultor no las pierda. También se han desarrollado variedades donde se eliminan pelos irritantes y compuestos tóxicos en las hojas o frutos, adaptaciones que les ayudan en las condiciones silvestres a no ser consumidas por herbívoros, pero que perderlas las hace más fáciles de manejar por los campesinos, o se vuelven más sabrosas y nutritivas, al no ser tóxicas (Solbrig & Solbrig, 1994; Purugganan & Fuller, 2009; Zizumbo-Villarreal & Colunga-GarcíaMarín, 2010; Meyer & Purugganan, 2013). Así, se llega a un punto en el que la planta (o el organismo domesticado) ya no puede reproducirse sin ayuda del humano. En este momento se considera que un organismo esta totalmente domesticado, como lo veremos después. Las plantas domesticadas también cambian su fenología (crecen más rápido o muestran una mayor plasticidad en sus fechas de germinación que sus contrapartes silvestres) sus semillas usualmente son más grandes, germinan más fácil y uniformemente (no presentan latencia, por ejemplo) facilitando su manejo y consumo. (Solbrig & Solbrig, 1994; Purugganan & Fuller, 2009; Zizumbo-Villarreal & Colunga-García Marín, 2010; Meyer & Purugganan, 2013; Gaut, 2015; Gaut et al., 2015).
En animales el proceso de domesticación es más complejo y variable que en las plantas, depende del uso del animal, pero generalmente se selecciona que los animales sean más fáciles de manejar, menos feroces o peligrosos (Francis, 2015). En algunos animales lo que se busca al seleccionarlos es que crezcan rápido y que mejore la calidad de su carne; en otros animales, como en las vacas o cabras, lo que se selecciona es la cantidad de leche, o en gallinas, la cantidad y calidad de los huevos. El humano también ha seleccionado la fuerza o velocidad en diferentes razas de caballos, o comportamientos complejos y útiles, como las características de las diferentes variedades de perros: pastores (que guían al ganado y lo juntan), o para cacerías de diferente tipos, por ejemplo, que siguen a las presas por el olfato, las señalen, o las recojan una vez abatida la presa. También hay perros seleccionados para vigilancia o compañía, así se han conseguido razas de perros de compañía que en muchos casos son extraños o especialmente feos o bonitos. Diferentes estudios recientes de domesticación en animales, incluyendo una amplia revisión de la domesticación de los perros, se reseñan en la obra de Francis (2015), que además incluye una extensa bibliografía.
En concreto, las presiones selectivas ejercidas sobre los animales y plantas domesticados favorecen cambios fenotípicos en los caracteres que son de interés para el domesticador, lo cual conlleva a una divergencia morfológica, fisiológica y genética entre el organismo domesticado y su pariente silvestre, que en algunos casos pueden implicar que la cruza entre la variedad silvestre y la domesticada sea difícil, o hasta imposible. En ciertos casos ha sido muy difícil encontrar a las poblaciones silvestres, ya que la forma domesticada es muy diferente a la original. Este es el caso del maíz, donde hasta muy recientemente se aceptó de manera general que su ancestro silvestre son los teosintes del centro de México (Mangelsdorf, 1974; Solbrig & Solbrig, 1994; Kato et al., 2009; Bennetzen et al., 2001; Eguiarte et al., 2013; Aguirre Liguori et al., 2016). A veces se considera a la domesticación como un ejemplo de coevolución mutualista, ya que inclusive el humano no sólo cambia a las especies de animales, plantas o aun microbios (como las levaduras del pan y la cerveza) domesticadas, sino que la interacción con ellos ha cambiado nuestro genoma por selección natural (Purugganan & Fuller, 2009; Laland et al., 2010). Un caso muy interesante es el de la tolerancia a la lactosa en humanos adultos, que ha evolucionado de manera independiente varias veces, debido al incremento en el consumo de productos lácteos gracias a la domesticación de animales como vacas y cabras para obtener leche (Simoons, 1970; Beja-Pereira et al., 2003; Ingram et al., 2009; Gerbault et al., 2011), o la tolerancia al alcohol en humanos (Han et al., 2007; Laland et al., 2010), que es un caso más complejo, donde se seleccionaron granos (semillas), frutas y otras partes de las plantas (como en el caso de los agaves o de la caña de azúcar), que junto con las levaduras producen el alcohol, cambiando nuestro genoma y fisiología de la tolerancia al etanol; aunque hay una fuerte variación geográfica entre las poblaciones humanas al respecto (Chen, et al., 1999; Han et al., 2007; Laland et al., 2010).
La domesticación puede ser un largo proceso con varios pasos intermedios. Como se indicó en líneas anteriores, se puede definir a un organismo como totalmente domesticado cuando depende completamente de los humanos para su sobrevivencia y reproducción. Ejemplos de organismos totalmente domesticados son el maíz y el frijol. Pero hay etapas intermedias, que se conocen como de domesticación parcial o incipiente, en las que ya han cambiado algunas características, pero los organismos aún pueden sobrevivir y reproducirse sin ayuda de los humanos. Así, diferentes especies de plantas y animales en distintas etapas de la domesticación pueden regresar a la naturaleza y volver a vivir como organismos silvestres, aunque conservando algunos cambios evolutivos incipientes que ocurrieron en la domesticación. Estos organismos se definen como escapados, mismos que pueden llegar a ser especies invasoras, algunas de ellas muy dañinas para los ecosistemas, como es el caso de los gatos ferales en todo el mundo, especialmente en islas donde pueden acabar, en poco tiempo, con grupos completos de especies endémicas de aves y mamíferos pequeños (e.g., Medina & Nogales, 2009; Aguirre-Muñoz et al., 2015).
Recientemente, el desarrollo de métodos moleculares ha permitido avances notables en el estudio moderno de la domesticación (Purugganan & Fuller, 2009; Meyer & Purugganan, 2013; Gaut, 2015; Gaut et al., 2015). Actualmente, se pueden secuenciar genomas completos muy rápidamente, a un costo relativamente modesto, analizar las diferencias entre todo el genoma de las plantas u otros organismos silvestres y cómo cambiaron a consecuencia de la domesticación. También se pueden usar diferentes marcadores genéticos, para evaluar geográficamente dónde se domesticaron las diferentes especies, estimar hace cuánto tiempo sucedieron los cambios fisiológicos y morfológicos, cómo cambiaron sus tamaños efectivos, cuáles características y/o genes fueron los blancos de la selección y la intensidad de esta selección, entre otros procesos evolutivos (Eguiarte et al., 2013; Escalante et al., 2014; Gaut, 2015; Gaut et al., 2015).
Así, como inicialmente describió Charles Darwin (1859), la domesticación es un sistema especialmente útil para estudiar procesos evolutivos, como la adaptación, la especiación, la evolución de los organismos y sus genes, debido a que los cambios son rápidos con presiones de selección que pueden ser muy grandes, y muchas veces es relativamente fácil identificar los genes afectados por la selección artificial (Eguiarte et al., 2013; Meyer & Purugganan, 2013; Gaut, 2015; Gaut et al., 2015). Para una introducción a los conceptos básicos de evolución, se puede revisar Eguiarte (1986) o Piñero (1987).
Actualmente, estamos observando grandes avances en el estudio de la genética de las especies domesticadas, debido a su relevancia económica e importancia para la alimentación mundial; estos datos genéticos a su vez facilitan los estudios ecológicos y evolutivos de la domesticación y de la variación poblacional de estas especies (Hancock, 2005; Eguiarte et al., 2013; Meyer & Purugganan, 2013; Gepts, 2014). El análisis conjunto de los datos genéticos y ecológicos puede revelar información importante sobre caracteres de relevancia agronómica, que eventualmente podrían ayudar en el mejoramiento de estas especies (Gustafson et al., 2008; Hufford et al., 2012a; Meyer & Purugganan, 2013). Con esta información, en el futuro próximo se van a poder realizar análisis predictivos de respuesta de la variación en escenarios de cambio ambiental, no sólo usando la distribución potencial, como se ha hecho en el teosinte, el maíz silvestre (Hufford et al., 2012b; Aguirre-Liguori et al., manuscrito enviado b), sino también analizando la distribución de la diversidad genética en el futuro y como alelos particulares nos podrán ayudar ante escenarios de cambio climático, sequía, limitación de nutrientes o ataque de plagas, virus y enfermedades (Aguirre-Lugori et al., manuscrito enviado a).
Recursos genéticos vegetales en México
México es un país con una gran biodiversidad agrícola y cultural además de ser un centro de origen, domesticación y diversificación de una gran cantidad de cultivos (CONABIO, 2006; Zizumbo-Villarreal & Colunga-GarcíaMarín, 2010), por lo que obviamente es de gran interés estudiar, conservar y utilizar de forma sostenible su diversidad genética y de especies, sobre todo considerando el contexto actual del cambio climático (CONABIO, 2006; Dirzo et al., 2014; Álvarez-Yépiz & Martínez-Yrízar, 2015; Eguiarte et al., 2017). Esta tarea nos toca a los científicos mexicanos, y es una labor urgente, dada la extensa destrucción ambiental que sufre todo el territorio del país, que sólo se va a intensificar con el cambio climático acelerado (CONABIO, 2006; Álvarez-Yépiz & Martínez-Yrízar, 2015).
Los recursos fitogenéticos se pueden definir como las plantas que han sido seleccionadas y conservadas por los agricultores de forma tradicional (Allem, 2000; FAO, 2011). Estas plantas y sus genes tienen un valor actual con potencial para la alimentación y la agricultura, constituyen la base biológica de la producción agrícola para la seguridad alimentaria nacional y mundial, en este momento así como en el futuro. La diversidad genética de los recursos fitogenéticos está integrada por la variación genética, tanto de las diferentes variedades, así como de las especies cultivadas y de las especies silvestres cercanas (Allem, 2000; FAO, 2011).
El estudio de la diversidad genética ayuda a la conservación y al uso sostenible de estos recursos genéticos, ya que por ejemplo, puede permitir la adaptación de los cultivos a condiciones de estrés biótico o abiótico, mitigando los efectos de la “erosión genética” causada por la sustitución de las variedades locales por variedades comerciales, y servir como un amplio reservorio de diversidad genética útil para seleccionar diferentes características morfológicas, fisiológicas, etc., que sean relevantes en el manejo futuro de una especie (FAO, 2011; Eguiarte et al., 2013, 2017).
Recientemente se han realizado diferentes estudios enfocados al análisis de la variación genética en especies cultivadas y/o en sus parientes silvestres, empleando no sólo diferentes marcadores moleculares, sino ya a nivel genómico, usando información de muchos - miles o millones de sitios de DNA-o genomas completos. Estos estudios han revelado loci (genes) candidatos a cambios por selección durante la domesticación (Eguiarte et al., 2013; Meyer & Purugganan, 2013; Gepts, 2014; Aguirre-Liguori et al., 2017; Fustier et al., 2017;). Estos genes explican diferencias morfológicas además de bioquímicas entre taxa domesticados y sus parientes silvestres (Qi et al., 2013; Shang et al., 2014).
Por ejemplo, recientemente se han publicado estudios genómicos enfocados a la domesticación en plantas originarias de México, que son parte de la milpa, como el maíz (Hufford et al., 2012a; Jiao et al., 2012; Romay et al., 2013; Moreno-Letelier et al., 2018), el frijol común y el frijol ayocote (Schmutz et al., 2014; Guerra-García et al., 2017), o el chile (Qin et al., 2014). También se están realizado estudios similares en cultivos de importancia mundial como el jitomate (Koenig et al., 2013; Lin et al., 2014), la soya (Lam et al., 2010; Li et al., 2013), el arroz (Xu et al., 2011) y el pepino (Qi et al., 2013; Shang et al., 2014), entre otros. A continuación vamos a revisar con cuidado nuestros estudios que tratan sobre los recursos genéticos y la domesticación en las calabazas de México, inciando con una descripción de las especies del género, tanto silvestres como cultivadas.
Historia natural y biología de las calabazas
Las calabazas pertenecen al género Cucurbita, de la familia Cucubitaceae. Son llamadas zapallos en Sudamérica y es un grupo de plantas herbáceas nativas del continente americano que presentan frutos del tipo pepo (Lira et al., 2009 a y b). El género incluye de 12 a 15 especies, y en total unos 20 taxa tomando en cuenta a las subespecies, la mayor parte de sus taxa se distribuyen en México (Paris, 2016; Lira, 1995; Lira et al., 2016).
Cucurbita se considera como uno de los géneros con mayor variedad morfológica (hojas, frutos, flores, semillas, etc.) en las angiospermas (Bisognin, 2002). Tanto las especies silvestres como las cultivadas del género son plantas monoicas (las flores son masculinas (estaminadas) o femeninas (pistiladas)), rastreras o trepadoras. Las flores son gamopétalas, sus pétalos están fusionados en una gran flor, tubular y campanulada, su color varía entre amarillo pálido a tonos amarillos brillantes. Las plantas producen muchas más flores masculinas que femeninas (Lira, 1995: Lira et al., 2016), mismas que normalmente son polinizadas por abejas solitarias del género Peponapis y Xenoglosa, que visitan las flores al amanecer, cuando abren; aunque las flores también pueden ser visitadas y polinizadas por otras abejas, incluyendo Apis mellifera, la abeja europea (Hurd et al., 1971; Montes-Hernández, 2002). Las abejas visitan todas las especies de Cucurbita de manera indiscriminada, por lo que si crecen varios taxa cercanos, puede haber flujo genético e hibridación entre los taxa silvestres y cultivados emparentados (Montes-Hernández, 2002; Montes-Hernández & Eguiarte, 2002).
Los frutos de las especies de Cucurbita son en general grandes, especialmente en algunas especies cultivadas. En las especies y variedades silvestres los frutos son más pequeños y relativamente uniformes en forma, superficie, tamaño y coloración, además de ser muy amargos debido a un compuesto químico, la cucurbitacina, un esteroide que las defiende de los herbívoros.
Origen y filogenia de las calabazas
El género Cucurbita tuvo un origen relativamente reciente, hace 16 ± 7 millones de años, desde la divergencia con su género hermano, Peponopsis (Schaefer et al., 2009; Paredes-Torres, 2016; Castellanos-Morales et al., 2018). Se han realizado diferentes estudios para inferir las relaciones filogenéticas entre las diferentes especies de calabazas (Sanjur et al., 2002; Zheng et al., 2013; Kistler et al., 2015; Paredes-Torres, 2016; Kates et al., 2017; Castellanos et al., 2018; Figura 1). Por ejemplo, recientemente se publicaron filogenias usando datos obtenidos del transcriptoma (los datos que se obtienen de secuenciar su RNA, es decir, el material genético ya transcrito (del DNA a RNA), que contiene información que da origen a las proteínas e información para otras moléculas con función regulatoria y de traducción, como veremos posteriormente) de once taxa del género (Montero-Pau et al., 2017). Otro esfuerzo importante es el realizado por Kates et al. (2017), donde utilizaron 44 loci nucleares con 20 taxa del género, incluyendo varios ejemplares de cada taxón. Estos estudios, aunque técnicamente impresionantes, presentan incertidumbres sobre la posición filogenética de especies importantes como el chilacayote, C. ficifolia, y no incluyen a una importante especie silvestre, C. radicans.
Figura 1
Filogenia de Cucurbita resaltando cada clado o grupo con un color distinto. Morado: grupo Digitata; azul: grupo Foetidissima; verde-agua: C. ficifolia; naranja: grupo Maxima (calabazas sudamericanas); verde: grupo Pepo; rojo: grupo Okeechobeensis; amarillo: grupo Argyrosperma; los grupos externos se observan en color negro). Los nombres en color verde denotan especies de origen Americano (todo el género Cucurbita), en amarillo de origen Africano (i.e., Cucumis melo ssp. melo) y en rojo de origen Asiático (Lagenaria siceraria). Se señalan con una estrella a las especies domesticadas. Los símbolos se refieren a distintas características como mesofíticas (climas húmedos) o xerofíticas (de climas áridos); tipo de raíz (tuberiforme: con estructuras de almacenamiento); anuales o perennes (verdes todo el año), como se indica en el recuadro en la figura. El número corresponde al área de distribución de cada especie, 1, Estados Unidos; 2, Península de Florida; 3, Norte de México; 4, Centro de México; 5 Península de Yucatán, 6, Sur de México; 7 Centroamérica, 8, Sudamérica, y se muestra la foto de la semilla a escala, de manera que se puede apreciar que las especies domesticadas presentan gigantismo en las semillas. Topología obtenida utilizando secuencias de DNA de cloroplasto. Figura modificada de Paredes-Torres (2016).
Recientemente se ha avanzado en el estudio de la filogenia usando secuencias del cloroplasto que resuelven la posición de dichas especies, e incluyen todos los taxa generalmente reconocidos en el género (Paredes-Torres, 2016; Castellanos-Morales et al., 2018; Figura 1). Los resultados muestran que los distintos taxa se agrupan siguiendo sus características ecológicas, fisiológicas y su distribución. Así, las especies xerofíticas perennes (de climas áridos) son las que divergen más temprano en la filogenia, mientras que los grupos más recientes están conformados por especies mesofíticas anuales (de climas más húmedos) y se distribuyen en áreas tropicales (Figura 1). Así, la diversificación de las calabazas se relaciona con los cambios climáticos del Pleistoceno en Norte América y Mesoamérica que promovieron desplazamientos en sus áreas de distribución. Las calabazas ancestralmente se encontraban en el norte de México y California y en regiones muy áridas y estacionales (Baja California, desiertos del sur de California y Sonora), con el tiempo se adaptaron a condiciones más templadas, avanzando hacia el centro de México (Faja Volcánica Transmexicana), mientras que los linajes más recientes se encuentran en lugares cada vez más al sur, inicalmente en regiones climáticamente menos extremas. Finalmente, las calabazas llegaron a lugares tropicales húmedos y muy calientes, como las regiones del sur de México, toda la Costa del Golfo de México desde Florida, y Texas, hasta la Península de Yucatán, donde actualmente proliferan las especies que divergieron hace relativamente poco, unos cientos de miles de años o menos.
El cultivo de las calabazas
Las calabazas en México y en el resto de Mesoamérica son parte importante del sistema de la milpa y otras formas de policultivo, ya que si bien su producción no es tan importante en toneladas como el maíz o el frijol, son un componente crítico de la milpa, al mitigar la erosión del suelo, mantener su humedad gracias a sus hojas, anchas y gruesas que forman una densa capa sobre la superficie, reduciendo además el establecimiento y crecimiento de malezas (Altieri, 1995; Gliessman, 1983, 1990; Lozada-Aranda et al., 2017; Sánchez de la Vega, 2017).
Las calabazas son cultivos de alta importancia a nivel mundial y parte central de la alimentación en muchas regiones del mundo, como China, India y diferentes países de Europa, América y África (Lira et al., 2009b). Paradójicamente, hasta el momento existen pocos estudios sobre sus recursos genéticos (Lira et al., 2009b, 2016), especialmente en México, su centro de diversidad y domesticación donde carecemos hasta ahora de estudios a nivel genómico donde se analice explícitamente su domesticación.
Las especies cultivadas de Cucurbita destinadas a la alimentación humana tienen gran diversidad en el tamaño, forma, color, ornamentación de los frutos, que no son amargos (Figura 2), por lo que se pueden consumir de la misma manera que sus semillas, flores y guías. Los frutos de las formas cultivadas pueden llegar a ser realmente muy grandes, llegando a pesar hasta 45 kg o más en ciertas variedades e individuos; el record mundial de peso de una calabaza es de 1,190.5 kg (https://en.wikipedia.org/wiki/Giant_pumpkin). Las formas cultivadas tienen también un mayor tamaño en las hojas, semillas, frutos y flores.
Figura 2
Diversidad morfológica de calabazas domesticadas (género Cucurbita). Fotos: C. maxima naranja, J.H. Mora (2001). Potiron ‘rouge vif d’Étampes’ (Cucurbita maxima). Wikipedia, actualizado 06 de Agosto de 2006. Gabriela Castellanos Morales, Helena S. Hernández-Rosales, Guillermo Sánchez de la Vega y Leslie Paredes-Torres.
Especies domesticadas del género Cucurbita
Cucurbita ha tenido cuando menos cinco eventos independientes de domesticación, que en su mayoría sucedieron en México (Nee, 1990; Zheng et al., 2013) (Tabla I; Figura 1 y 2). Por ejemplo, C. pepo, la calabacita que se consume como verdura o zucchini, tal vez fue domesticada una vez en México y otra en EUA (Paredes-Torres, 2016; Castellanos-Morales et al., 2018), mientras que C. maxima fue domesticada en Sudamérica, aunque aún se necesitan más estudios para poder decir más sobre su domesticación y cómo sucedió. C. ficifolia, el chilacayote, seguramente fue domesticado en Mesoamérica y en nuestros estudios encontramos que C. moschata, llamada calabaza de castilla, se agrupa con otros dos taxa de C. argyrosperma (Figura 1), uno de ellos es la subespecies domesticada, C. argyrosperma spp. argyrosperma, conocida comúnmente como calabaza pipiana; estos tres taxa forman al grupo Argyrosperma, que también fue domesticado en Mesoamérica (Lira et al., 2009 a y b), en dos eventos independientes de domesticación (Nee, 1990; Zheng et al., 2013; Figura 3). Para C. moschata aún se desconoce su especie hermana silvestre, que tal vez esté extinta actualmente (Nee, 1990). Estos tres taxa son polinizados principalmente, como mencionamos antes por abejas especialistas de los géneros Peponapis y Xenoglossa, siendo frecuente el entrecruzamiento entre el taxón silvestre y los dos taxa domesticados (Montes Hernández, 2002; Lira et al., 2009b).
Figura 3
Diversidad morfológica observada en C. moschata (calabazas muy grandes de color beige o café claro que se aprecian en la parte superior de la fotografía) y C. argyrosperma (calabazas medianas de color verde con franjas o manchas bien marcadas, frutos generalmente en forma de pera con pedúnculos gruesos que se aprecian en la parte inferior de la fotografía). Foto: Gabriela Castellanos Morales.
Los registros arqueológicos más antiguos del género corresponden al hallazgo de restos de calabazas (semillas y fragmentos de fruto) de C. pepo de hace unos 8,000 años en la cueva Guilá Naquitz, en Oaxaca. Estos datos permitieron determinar que las calabazas fueron las primeras plantas domesticadas en México, tal vez miles de años antes que el maíz y el frijol, que después conformaron juntos la milpa. También se registraron restos de C. argyrosperma ssp. argyrosperma y C. moschata de más de 7 mil años, y de 6.9-5.5 mil años de antigüedad, respectivamente (Whitaker, 1981; Sánchez-de la Vega, 2017).
Actualmente, se están realizando diferentes análisis evolutivos a nivel genómico y de genética de poblaciones, así como de la filogeografía en diferentes especies del género, principalmente en las cultivadas y en sus parientes silvestres de las que fueron domesticadas. A continuación nos vamos a concentrar en describir los avances en el estudio de C. argyrosperma tanto silvestre como cultivada y C. moschata cultivada, ya que no existe de forma silvestre) además de C. pepo silvestre y cultivada.
Genética de poblaciones, filogeografía y recursos genéticos en Cucurbita
i) Cucurbita argyrosperma silvestre y cultivada
El cultivo de C. argyrosperma ssp. argyrosperma se ha enfocado al consumo de sus semillas, con menor énfasis en la utilización de sus frutos, flores o tallos (Paris, 2016; Sánchez-de la Vega, 2017). Las poblaciones de su pariente silvestre, C. argyrosperma spp. sororia, se distribuyen por toda la costa del Pacífico en México y Centroamérica, desde Sonora hasta Nicaragua, con unas poblaciones aisladas en Veracruz y en el Golfo de México (Lira et al., 2009a). Los análisis a nivel poblacional realizados con marcadores moleculares de cloroplasto, mitocondriales y nucleares, sugieren que las variedades de C. argyrosperma ssp. argyrosperma, C. moschata y C. pepo ssp. pepo se encuentran genéticamente bien diferenciadas entre si, a pesar de que son cultivadas frecuentemente en parcelas vecinas o cercanas (Sánchez de la Vega et al., 2018; Castellanos-Morales et al., 2018; Hernández-Rosales et al., en preparación). Sin embargo, en algunos casos se han detectado señales de flujo génico considerable entre C. argyrosperma ssp. argyrosperma y su contraparte silvestre C. argyrosperma ssp. sororia (Sánchez de la Vega et al., 2018) apoyando los resultados iniciales de Montes-Hernández & Eguiarte (2002).
Recientemente, Sánchez de la Vega et al. (2018) estudiaron la estructura genética y diversidad a lo largo de México de C. argyrosperma, de sus dos subespecies, la ssp. argyrosperma (cultivada) y la ssp. sororia (silvestre) usando microsatélites. Se detectaron moderados niveles de variación genética en las poblaciones de estas subespecies y menores a los reportados en C. moschata, con un porcentaje promedio de loci polimórficos de 70%, encontrándose mayor diversidad en la subespecie cultivada, argyrosperma (77%) que en la subespecie silvestre, sororia (64%), aunque la variación genética medida como la H E fue similar entre subespecies (H E = 0.41 en argyrosperma; H E = 0.42 en sororia). Nueve poblaciones de la ssp. argyrosperma mostraron niveles estadísticamente significativos de endogamia (cruza entre parientes). Ambas subespecies están bien diferenciadas, y la diferenciación genética (F ST ) entre poblaciones dentro de cada subespecie varía de moderada, 0.152, a muy alta, 0.652, además se estimaron bajos niveles de flujo génico a nivel regional.
Sánchez de la Vega et al. (2018) sugieren que hace relativamente poco tiempo C. argyrosperma ssp. argyrosperma pasó por un "cuello de botella" y que esta reducción en el tamaño poblacional posiblemente estuvo relacionada con su domesticación, seguido de una rápida expansión poblacional. Sus resultados muestran que las poblaciones de Oaxaca son las más cercanamente emparentadas con la subespecie silvestre C. argyrosperma ssp. sororia. También se observa una clara diferenciación de las variedades cultivadas en la Península de Yucatán con respecto al resto de México (Sánchez de la Vega et al., 2018). En esta especie aún quedan por describir los patrones de flujo génico a nivel regional asociados a las actividades humanas, así como explorar hipótesis demográficas, y en particular encontrar a las poblaciones genéticamente más cercanas al centro de origen de la especie, utilizando para esto métodos genómicos, ya que como discutiremos más adelante, con las tecnologías de secuenciación de siguiente generación podremos además explorar la historia demográfica e identificar señales de selección en genes de importancia agronómica (ver también Eguiarte et al. (2013); Escalante et al. (2014)).
Cucurbita moschata cultivada
Curubita moschata es aprovechada de manera amplia, consumiéndose tanto sus frutos maduros e inmaduros, así como sus semillas, tallos y flores, e incluso sus saponinas se utilizan en la producción de jabón (Paris, 2016; Sánchez de la Vega, 2017). La especie exhibe una notable diversidad morfológica de frutos y semillas respecto a color, forma y grosor (Tabla I, Figuras 2 y 3), presenta además variantes en ciclos de vida como las reportadas en Yucatán: xmejen k´uum, de ciclo de vida corto y xnuk k´uum de ciclo largo (Zizumbo-Villareal & Terán, 1985; Zizumbo-Villareal et al., 2010). Su amplio acervo genético lo demuestra en la gran diversidad de variedades locales y cultivares comerciales (Lira, 1995: Lira et al., 2016).
Tabla I
Principales características de las especies domesticadas del género Cucurbita (Lira, 1995; Lira et al., 2009 a y b; Villanueva, 2007 ).
Debido a que esta calabaza, aunque relevante para México y Centro América es menos importante a nivel mundial que otras especies del género, los esfuerzos hasta el momento por documentar su diversidad y estructura genética han sido escasos. Tradicionalmente se considera que el cultivo de C. moschata se realiza del centro de México y Centro América hasta Sudamérica (Colombia; Whitaker & Davis, 1962), sin embargo, las colectas realizadas en los últimos años indican que también se cultiva en el Norte de México en estados donde previamente no se había documentado su cultivo (Sonora, Chihuahua y Coahuila). Su extensa distribución en parte se debe a que la especie puede adaptarse a diversas condiciones ecológicas, lo que facilita su cultivo en diferentes ambientes. Si bien es preferentemente cultivada en zonas de baja altitud, clima cálido y alta humedad, tolera un intervalo geográfico-altitudinal relativamente amplio (Lira et al., 2009 a y b, 2016). En México, las variedades locales son normalmente cultivadas en las milpas, huertos y solares. Por otro lado, algunas variedades mejoradas como Butternut pumpkin (híbrido de Gooseneck squash x Hubbard squash) son cultivadas de manera extensiva en el norte de México (Sinaloa) (Hernández Rosales y Sánchez de la Vega observaciones personales).
Cucurbita moschata ha sido estudiada más bien con objetivos comparativos debido a su estrecha relación con el grupo Argyrosperma más que por si misma, por lo tanto la literatura sobre su genética de poblaciones y recursos genéticos es limitada. Por ejemplo, Montes-Hernández & Eguiarte (2002) determinaron los niveles de variación genética de los tres taxa del grupo Argyrosperma en Jalisco por medio de loci isoenzimáticos. Encontraron altos niveles de variación genética en estas poblaciones: un porcentaje medio de loci polimórficos para C. moschata de 97%, una heterocigosis esperada (H E ) de 0.416 y un ligero exceso de heterócigos (con respecto a lo que se esperaría si los apareamientos fueran al azar) en las poblaciones, así como una baja pero significativa diferenciación genética total (F ST = 0.087) para los tres taxa y las 15 poblaciones, lo que sugiere flujo genético entre el grupo y alta cercanía genética entre C. moschata y el grupo Argyrosperma. Sus resultados confirmaron los obtenidos por Wilson (1990), quien analizó 46 poblaciones con datos de loci isoenzimáticos para variedades criollas de C. moschata y C. argyrosperma ssp. argyrosperma (como C. mixta) y poblaciones silvestres de C. argyrosperma ssp. sororia de varias regiones de México.
Más recientemente, Barboza et al. (2012) describieron la diversidad genética de 218 individuos C. moschata de Mesoamérica mediante PCR-SSCP de la región nuclear ITS1-ITS2 y la región de cloroplasto trnL-trnF. Para la región nuclear encontraron 25 haplotipos y en el cloroplasto 24. Las muestras de México con el marcador nuclear ITS1-ITS2 revelaron valores altos de diversidad genética (H E = 0.874). Respecto al marcador de cloroplasto las muestras de México mostraron un elevado número de haplotipos (12), lo cual es consistente con los datos del marcador nuclear. Además, los valores de variación genética a nivel secuencia fueron los más altos respecto a las muestras de otros países. Los resultados de este estudio apoyan la idea de que la elevada diversidad es una característica de C. moschata.
Sin embargo, la documentación de la diversidad genética de C. moschata de México es limitada, por lo que en este momento se están estudiando los niveles de diversidad y los grupos genéticos de variedades nativas de la especie en México, comparando la variación genética y sus patrones geográficos, para así inferir su historia evolutiva y las fuerzas evolutivas que han modelado su filogeografía (Hernández-Rosales et al., en preparación). Actualmente se tienen avances en el estudio de la especie a lo largo de todo México usando microsatélites y marcadores mitocondriales (Hernández-Rosales et al., en preparación); este es el primer estudio que evalúa la diversidad y estructura genética de las variedades nativas (razas locales) de C. moschata que se cultivan en el país. Las estimaciones preliminares de variación genética de C. moschata en todo México (Hernández-Rosales et al., en preparación) son similares a las encontradas en otras especies cultivadas del género Cucurbita, y consistentes con las reportadas por Montes-Hernández & Eguiarte (2002), aún considerando las diferencias metodológicas (isoenzimas vs. microsatélites nucleares), en el tamaño de la muestra y en particular la cobertura geográfica (una región de Jalisco en Montes-Hernández & Eguiarte (2002)vs. todo el país en el nuevo estudio de Hernández-Rosales et al., en preparación).
El describir los niveles de variación y estructura genética de las variedades criollas de C. moschata no es suficiente. En el futuro, debemos seguir explorando los escenarios que expliquen los patrones para entender cuáles son las condiciones ambientales que los han generado, así mismo integrar el conocimiento del manejo tradicional de esta especie como un factor importante en su diversificación. Para poder conocer la historia evolutiva y del manejo y domesticación de la especie será necesario integrar más muestras de razas locales, que abarquen la distribución de esta especie y así podremos identificar con mayor precisión el área de domesticación e identificar las zonas geográficas de diversificación.
Cucurbita pepo silvestre y cultivada
Cucurbita pepo (Tabla I) es la especie de calabaza de mayor importancia comercial en el mundo, y por lo mismo la más estudiada hasta el momento. En esta especie se ha detectado una alta variación genética, como lo documentaron recientemente Ruíz-Mondragón (2017) y Castellanos-Morales et al. (en preparación), como parte de un estudio que abarcó a las variedades comerciales más importantes de México y de Estados Unidos, así como a variedades criollas y poblaciones silvestres de México.
Resultados recientes sugieren dos centros de domesticación independientes en Norte América: uno en Tamaulipas, México, y otro en las tierras bajas del Sureste de Estados Unidos (Ruíz-Mondragón, 2017; Castellanos-Morales et al., 2018). Las poblaciones silvestres de Tamaulipas, llamadas C. pepo ssp. fraterna, se encuentran cercanamente relacionadas con las variedades comerciales C. pepo ssp. pepo de México. De hecho, se encontró que estos taxa tienen los mismos haplotipos de cloroplasto (Ruíz-Mondragón, 2017; Castellanos-Morales et al., 2018). Las variedades comerciales de Estados Unidos parecen estar más relacionadas con las formas silvestres que crecen en ese país, ya que comparten haplotipos de cloroplasto, mientras que a nivel núcleo se pueden diferenciar tres subespecies (Ruíz-Mondragón, 2017; Castellanos-Morales et al., 2018).
La diversidad genética a nivel nuclear en C. pepo es mayor que la de los otros taxa domesticados del género mencionados en las secciones previas (Ruíz-Mondragón, 2017; Castellanos-Morales et al., en preparación). Además, las variedades criollas presentan mayor diversidad genética nuclear que el taxa silvestre C. pepo ssp. fraterna, mientras que las variedades mejoradas presentaron menor variación que las criollas. Los bajos niveles de variación de C. pepo ssp. fraterna pueden estar relacionados con su restringida área de distribución. La variación genética moderada en las variedades mejoradas-como Black-beauty zucchini, Spaguetti y Delicata honey boat, generalmente cultivadas en EUA - puede deberse a que en realidad son híbridos (cruzas de variedades relacionadas con la subespecie fraterna con variedades relacionadas con la subespecie ovifera) de líneas homocigóticas con baja diversidad genética (Castellanos-Morales et al., en preparación). La alta diversidad genética encontrada en las variedades locales de México sugiere que esta especie tuvo una rápida expansión poblacional después del evento de domesticación (Ruíz-Mondragón, 2017; Castellanos-Morales et al., 2018).
Los resultados recientes indican que indudablemente México es un importante centro de diversidad genética para C. pepo ssp. pepo. Los primeros análisis sugieren un alto flujo génico entre las poblaciones cultivadas y, que a diferencia de lo observado en C. moschata y C. argyrsoperma, no hay clara diferenciación genética entre regiones; apoyando la idea de una rápida expansión del cultivo de esta especie (Ruíz-Mondragón, 2017).
Genómica evolutiva en Cucurbita
Todas las especies de género Cucurbita tienen 20 pares de cromosomas (Whitaker, 1933) y el tamaño de sus genomas es relativamente pequeño, de unos 366 millones de pares de bases (Mpb) a 416 Mpb (Bennett & Smith, 1976; Šiško et al., 2003), alrededor del doble que en Arabidopsis thaliana (115 a 211 Mpb) y casi un orden de magnitud menor que el maíz (2, 500 Mbp) o que el humano (3, 235 Mpb).
Se han realizado detallados mapas del genoma - análisis donde se grafica en qué cromosomas se encuentran diferentes marcadores genéticos y se describe la distancia entre ellos en términos de la recombinación, y su orden relativo- con marcadores moleculares para diferentes especies cultivadas del género, como C. moschata (Gustafson et al., 2008), C. maxima (Zhang et al., 2015) y especialmente en C. pepo, donde también se ha estudiado con detalle su transcriptoma (que se obtiene secuenciando su RNA, como se explicó anteriormente) (Zraidi et al., 2007; Gong et al., 2008; Blanca et al., 2011; Esteras et al., 2012).
Estos estudios han revelado un alto grado de sintenia entre especies, en otras palabras, que el orden relativo de los genes en los cromosomas está conservado dentro del género Cucurbita, y que el género parece en general conservar la organización de su genoma (Gong et al., 2008; Gustafson et al., 2008; Montero-Pau et al., 2017). Estas características hacen posible el estudio comparativo de diversos linajes utilizando herramientas de evolución molecular para entender sus adaptaciones particulares. En esa misma línea, los estudios comparados del transcriptoma de once taxa del género por Montero-Pau et al. (2017), van a ayudar a buscar de manera más eficiente genes relacionados a adaptaciones particulares y eventualmente ser útiles para el mejoramiento genético de las plantas cultivadas.
Dado que el número cromosómico en calabazas es mayor que en otras cucurbitáceas, desde hace muchos años se propuso que el género Cucurbita desciende de una planta poliploide (Weiling, 1959), es decir, que su genoma deriva de una duplicación genómica completa relativamente reciente, aunque actualmente sus cromosomas indican que son diploides (sus cromosomas se han reorganizado, y su cariotipo no muestra cromosomas repetidos). Estudios recientes sobre los genomas de C. pepo, C. moschata, C. maxima y C. argyrosperma apoyan esta idea (Montero-Pau et al., 2017; Sun et al., 2017; Barrera-Redondo et. al., en preparación): sus genomas poseen una mayor cantidad de genes parálogos (genes duplicados en distintas posiciones en el genoma de una especie) que otras cucurbitáceas, y las tasas de transversión (mutaciones donde cambia una base púrica (adenina y guanina) por una pirimídica (citosina y timina)) en familias génicas sugieren un origen paralelo y reciente (hace unos 30± 4 millones de años) de estos genes parálogos en los genomas de las calabazas. Este origen correspondería a la fecha en la cual se produjo la poliploidia que fue encontrada en los genomas en el género.
Recientemente se ha concluido la secuenciación completa del genoma de la calabaza pipiana C. argyrosperma ssp. argyrosperma (Barrera-Redondo et. al., en preparación). Este va a ser nuestro genoma de referencia, debido a su alta cobertura (cuántas veces fue secuenciada en promedio cada base del DNA de un genoma) y calidad (tiene pocos errores de lectura en promedio), para posteriores estudios. El genoma se obtuvo a partir de dos plataformas de secuenciación masiva: Illumina, que genera muchas lecturas de alta calidad (elevada profundidad de secuenciación) pero cortas, por lo que son más difíciles de ensamblar, y PacBio, que produce lecturas muy largas, pero da poca cobertura (pocas lecturas) y tiene altas tasas de error (de hasta del 10 al 15%) (Barrera-Redondo et. al., en preparación). Con el genoma ensamblado resultado de las lecturas de las dos plataformas y datos transcriptómicos, se logró identificar un número de genes similares a los obtenidos en proyectos de secuenciación en otras plantas con flores (Barrera-Redondo et. al., en preparación). Esto es importante ya que confirma que el genoma está bien ensamblado y que se van a poder realizar estudios comparativos detallados de evolución molecular.
Por ejemplo, se están analizando las diferencias a nivel genómico, comparando este genoma recién concluído con otros, como es el genoma de su pariente silvestre C. argyrosperma ssp. sororia y el de la otra especie cultivada muy cercana, C. moschata (Barrera-Redondo et. al., en preparación).
Con los genomas ensamblados y los cambios particulares en sitios de su genoma (DNA), llamados SNPs (del inglés Single Nucleotide Polymorphsims) se están identificando y analizando detalladamente regiones del genoma asociadas al síndrome de domesticación, así como otras regiones genómicas asociadas a la respuesta a distintas condiciones climáticas, como se hizo recientemente en el maíz silvestre, el teosinte (Aguirre-Liguori, 2017; Aguirre-Liguori et al., 2017, manuscrito enviado a y b). Los primeros resultados muestran diferencias entre los genomas domesticados y silvestres debidas al proceso de domesticación. Estos genomas servirán también como referencia para realizar análisis de SNPs de secuencias obtenidas por tGBS, una técnica de secuenciación masiva (Ott et al., 2017), que permite analizar miles y a veces millones de SNPs, con los que se pueden realizar análisis poblacionales del proceso evolutivo y de la dinámica de la domesticación a una resolución antes no imaginada (Aguirre-Liguori et al., 2017; Fustier et al., 2017.
Discusión y Conclusiones
Las especies domesticadas de Cucurbita distribuidas en México tienen una elevada variación genética en sus poblaciones, similar a la de sus parientes silvestres. Este es un resultado interesante y relevante, ya que en los procesos de domesticación usualmente se pierde mucha variación genética debido a las reducciones poblacionales y a la intensa selección que sucede durante la domesticación (Solbrig & Solbrig, 1994; Purugganan & Fuller, 2009; Meyer & Purugganan, 2013; Gaut, 2015; Gaut et al., 2015). Por otra parte, esta gran diversidad genética dentro y entre las poblaciones de las variedades, subespecies y especies de Cucurbita indudablemente representa un valioso recurso genético para el futuro manejo y mejoramiento de las especies. Dicha diversidad genética es particularmente relevante frente al cambio climático global, ya que posiblemente dentro de nuestros recursos genéticos se encuentran genes adaptados para todo tipo de condiciones climáticas futuras.
Entre las especies domesticadas, los datos hasta el momento indican que C. pepo es la que presenta mayor variación genética. En esta especie se observa un gradiente de diferenciación asociado a los dos eventos de domesticación, una en el territorio actual de Tamaulipas, y otra en el Sureste de los Estados Unidos. Aparentemente diversas variedades comerciales que se cultivan en EUA y Europa se originaron de una hibridización entre esos dos linajes, mientras que en México tenemos una alta diversidad proveniente de los dos linajes originales. Otro resultado interesante es que en la Península de Yucatán C. argyrosperma representa una poza genética diferenciada del resto de la especie, ya que el Istmo de Tehuantepec es una importante barrera en la diferenciación genética y la evolución de estas especies.
Los estudios sobre los recursos genéticos y la domesticación del género Cucurbita en México están en una primera fase. Se han realizado colectas a lo largo de todo el país, se conoce relativamente bien su distribución y se tienen bancos de germoplasma adecuados, pero mejorables. Aún falta analizar con cuidado los detalles de estas especies, su evolución, sus tiempos de origen, sus adaptaciones como respuesta a las condiciones y cambios de su ambiente, así como los diferentes aspectos finos de su domesticación. También se han logrado avances en el estudio de los sitios (regiones) del genoma asociados a la domesticación gracias a los estudios del genoma de diferentes especies en el género. Con esta información, en el futuro próximo también se van a poder realizar análisis predictivos de respuesta de la variación genética en escenarios de cambio ambiental en la calabaza .
Así se puede concluir que el género Cucurbita está resultando un modelo útil, para el estudio moderno del proceso de domesticación, cumpliendo los sueños y metas de diversos investigadores y naturalistas desde Charles Darwin, de De Candolle y de Vavilov, el entender bien el papel de la adaptación y de la selección artificial, de la geografía y de la genética en el proceso de domesticación en plantas.
