La ecología molecular es un campo de la biología evolutiva que se ocupa de aplicar la genética de poblaciones moleculares, la filogenética molecular y, más recientemente, la genómica a cuestiones ecológicas tradicionales (diagnóstico de especies, conservación y evaluación de la biodiversidad, relaciones especies-área, etc. preguntas en ecología del comportamiento). Es virtualmente sinónimo del campo de la "Genética Ecológica", como lo iniciaron Theodosius Dobzhansky, E. B. Ford, Godfrey M. Hewitt y otros. Estos campos están unidos en su intento de estudiar cuestiones de base genética "en el campo" en lugar de en el laboratorio. La ecología molecular está relacionada con el campo de la genética de la conservación.
Los métodos incluyen con frecuencia el uso de microsatélites para determinar el flujo de genes y la hibridación entre poblaciones. El desarrollo de la ecología molecular también está estrechamente relacionado con el uso de microarrays de ADN, lo que permite el análisis simultáneo de la expresión de miles de genes diferentes. La PCR cuantitativa también puede usarse para analizar la expresión génica como resultado de cambios en las condiciones ambientales o diferentes respuestas de individuos adaptados de manera diferente.
La ecología molecular utiliza datos genéticos moleculares para responder preguntas ecológicas relacionadas con biogeografía, genómica, genética de conservación y ecología del comportamiento. Los estudios utilizan principalmente datos basados en secuencias de ácido desoxirribonucleico (ADN). Este enfoque se ha mejorado durante varios años para permitir a los investigadores secuenciar miles de genes a partir de una pequeña cantidad de ADN inicial. Los tamaños de los alelos son otra forma en que los investigadores pueden comparar individuos y poblaciones, lo que les permite cuantificar la diversidad genética dentro de una población y las similitudes genéticas entre poblaciones. miniaturadeimagen
Diversidad bacteriana Las técnicas de ecología molecular se utilizan para estudiar in situ cuestiones de diversidad bacteriana. Muchos microorganismos no se pueden obtener fácilmente como cepas cultivadas en el laboratorio, lo que permitiría su identificación y caracterización. También surge del desarrollo de la técnica de PCR, que permite la rápida amplificación del material genético.
La amplificación de ADN de muestras ambientales utilizando cebadores generales o específicos de grupo conduce a una mezcla de material genético, que requiere clasificación antes de secuenciar e identificar. La técnica clásica para lograrlo es mediante la clonación, que consiste en incorporar los fragmentos de ADN amplificados en plásmidos bacterianos. Técnicas como la electroforesis en gel de gradiente de temperatura permiten un resultado más rápido. Más recientemente, el advenimiento de tecnologías de secuenciación de ADN de próxima generación de costo relativamente bajo, como las plataformas 454 e Illumina, ha permitido la exploración de la ecología bacteriana con respecto a gradientes ambientales a escala continental, como el pH que no era factible con la tecnología tradicional. miniaturadeimagen
Diversidad de hongos La exploración de la diversidad fúngica in situ también se ha beneficiado de las tecnologías de secuenciación de ADN de próxima generación. El uso de técnicas de secuenciación de alto rendimiento ha sido ampliamente adoptado por la comunidad de ecología fúngica desde la primera publicación de su uso en el campo en 2009. De forma similar a la exploración de la diversidad bacteriana, estas técnicas han permitido estudios de alta resolución de cuestiones fundamentales en la ecología de los hongos como la filogeografía, la diversidad de hongos en los suelos forestales, estratificación de las comunidades de hongos en los horizontes del suelo, y sucesión de hongos en la hojarasca vegetal en descomposición.
La mayoría de las investigaciones sobre ecología fúngica que aprovechan los enfoques de secuenciación de próxima generación implican la secuenciación de amplicones de PCR de regiones conservadas de ADN (es decir, genes marcadores) para identificar y describir la distribución de grupos taxonómicos en la comunidad fúngica en cuestión, aunque la investigación más reciente se ha centrado en secuenciación de amplicones de genes funcionales. El locus de elección para una descripción de la estructura taxonómica de las comunidades fúngicas ha sido tradicionalmente la región del espaciador transcrito interno (ITS) de los genes de ARN ribosómico debido a su utilidad para identificar hongos a niveles taxonómicos de género o especie, y su alta representación en bases de datos de secuencia pública. Un segundo locus ampliamente utilizado, la región D1-D3 de los genes de ARN ribosómico 28S, puede no permitir la clasificación de bajo nivel taxonómico del ITS, pero demuestra un rendimiento superior en la alineación de secuencias y la filogenética. Además, la región D1-D3 puede ser un mejor candidato para la secuenciación con las tecnologías de secuenciación de Illumina. Se mostró que la precisión de la clasificación de las secuencias de la región ITS o D1-D3 se basaba en gran medida en la composición de la secuencia y la calidad de las bases de datos utilizadas para la comparación, y las secuencias de mala calidad y la identificación errónea de secuencias en las bases de datos públicas es una preocupación importante. La construcción de bases de datos de secuencias que tienen una amplia representación de los hongos y que son seleccionadas por expertos taxonómicos es el siguiente paso fundamental.
Las tecnologías de secuenciación de próxima generación generan grandes cantidades de datos, y el análisis de datos de genes marcadores de hongos es un área activa de investigación. Dos áreas principales de interés son los métodos para agrupar secuencias en unidades taxonómicas operativas mediante la similitud de secuencia y el control de calidad de los datos de secuencia. Actualmente, no hay consenso sobre los métodos preferidos para la agrupación, y la agrupación y los métodos de procesamiento de secuencias pueden afectar significativamente los resultados, especialmente para la región ITS de longitud variable. Además, las especies de hongos varían en la similitud de secuencia intraespecífica de la región ITS. La investigación reciente se ha dedicado al desarrollo de protocolos de agrupación flexibles que permiten que los umbrales de similitud de secuencia varíen según los grupos taxonómicos, que están respaldados por secuencias bien anotadas en bases de datos de secuencias públicas.
Fertilizaciones extrapares En los últimos años, los datos y análisis moleculares han podido complementar los enfoques tradicionales de la ecología del comportamiento, el estudio del comportamiento animal en relación con su ecología y su historia evolutiva. Un comportamiento que los datos moleculares han ayudado a los científicos a comprender mejor son las fertilizaciones extrapares (EPF), también conocidas como copulaciones extrapares (EPC). Estos son eventos de apareamiento que ocurren fuera de un vínculo social, como la monogamia, y son difíciles de observar. Los datos moleculares han sido clave para comprender la prevalencia y las personas que participan en los EPF.
Si bien la mayoría de las especies de aves son socialmente monógamas, los datos moleculares han revelado que menos del 25% de estas especies son genéticamente monógamas. Los EPF complican las cosas, especialmente para los hombres, porque no tiene sentido que un individuo cuide de la descendencia que no es suya. Los estudios han encontrado que los hombres ajustarán su cuidado parental en respuesta a cambios en su paternidad. Otros estudios han demostrado que en especies socialmente monógamas, algunos individuos emplearán una estrategia alternativa para tener éxito reproductivo, ya que un vínculo social no siempre equivale al éxito reproductivo.
Parece que los EPF en algunas especies son impulsados por la hipótesis de los genes buenos, En alcaudones de lomo rojo (Lanius collurio), los machos extra-par tenían tarsos significativamente más largos que los machos dentro del par, y todos los extra-pares la descendencia eran machos, lo que apoya la predicción de que las hembras inclinarán su nidada hacia los machos cuando se aparean con un macho "atractivo". En los reyezuelos domésticos (Troglodytes aedon), también se descubrió que las crías de parejas adicionales tenían un sesgo masculino en comparación con las crías internas.
Sin la ecología molecular, sería imposible identificar a los individuos que participan en las EPF y la descendencia que resulta de las EPF.
Aislamiento por distancia El aislamiento por distancia (IBD, del inglés Isolation by distance), como el aislamiento reproductivo, es el efecto de las barreras físicas a las poblaciones que limitan la migración y reducen el flujo de genes. Cuanto menor sea la distancia entre las poblaciones, más probabilidades hay de que los individuos se dispersen y aparezcan y, por lo tanto, aumentar el flujo de genes. El uso de datos moleculares, específicamente las frecuencias alélicas de individuos entre poblaciones en relación con su distancia geográfica, ayuda a explicar conceptos como dispersión sesgada por sexo, especiación y genética del paisaje.
La prueba de Mantel es una evaluación que compara la distancia genética con la distancia geográfica y es más apropiada porque no supone que las comparaciones sean independientes entre sí. Hay tres factores principales que influyen en las posibilidades de encontrar una correlación de la IBD, que incluyen el tamaño de la muestra, el metabolismo y los taxones. Por ejemplo, según el metanálisis, los ectotermos tienen más probabilidades que los endotermos de presentar una mayor IBD.
Teoría de la metapoblación La teoría de la metapoblación dicta que una metapoblación consiste en poblaciones espacialmente distintas que interactúan entre sí en algún nivel y pasan por un ciclo de extinciones y recolonizaciones (es decir, a través de la dispersión). El modelo de metapoblación más común es el modelo de extinción-recolonización, que explica los sistemas en los que poblaciones espacialmente distintas experimentan cambios estocásticos en el tamaño de la población que pueden llevar a la extinción a nivel de población. Una vez que esto ha ocurrido, la dispersión de individuos de otras poblaciones emigrará y "rescatará" a la población en ese sitio. Otros modelos de metapoblación incluyen el modelo de fuente-sumidero (modelo isla-continente) donde una (o varias) grandes poblaciones centrales producen dispersiones a poblaciones satélites más pequeñas que tienen una tasa de crecimiento poblacional de menos de uno y no podrían persistir sin la afluencia de la población principal.