Teoría do holoxenoma da evolución

A **teoría do holoxenoma da evolución** é unha teoría que considera aos seres multicelulares individuais (animais, plantas etc.) xunto con todos os microbios dos que son hóspedes como unha comunidade ou "holobionte". Os xenomas do holobionte (xenomas do hospede multicelular máis os xenomas dos microorganismos simbiontes) constitúen en conxunto un **"holoxenoma"**. Os holobiontes e os holoxenomas son entidades estruturais aínda que non foi no contexto de diversas poboacións de microbios. O termo holobionte deriva do grego antigo ὅλος (hólos, 'completo, todo'), e da palabra bionte, 'unidade de vida'.

En setembro de 1994, Richard Jefferson acuñou o termo holoxenoma cando presentou a teoría do holoxenoma da evolución nunha presentación no Cold Spring Harbor Laboratory. No Simposio CSH e antes, o abraiante número e diversidade de microbios que se estaban descubrindo coa poderosa ferramenta da amplificación por PCR dos xenes do ARN ribosómico de 16S era excitante, pero daban lugar a interpretacións confusas en diversos estudos. Varios autores denominaban as contribucións microbianas que aparecían en mostras de mamíferos e plantas  "contaminación". Na súa conferencia, Jefferson argumentou que estas probablemente non eran contaminación, senón compoñentes esenciais das mostras que reflectían a verdadeira composición xenética do organismo que se estaba a estudar, que formaba parte integral do complexo sistema no cal vivía. Iso implicaba que a lóxica do funcionamento e capacidades do organismo estarían incluídas só no holoxenoma.  Nesta hipótese utilizáronse as observacións sobre a ubicuidade de microbios en plantas e mostras de solo, así como no traballo de laboratorio sobre xenética molecular de enzimas microbianos asociados a vertebrados que afectan a acción hormonal. Fixéronse referencias ao traballo indicando que as feromonas de apareamento se liberaban só despois de que a microbiota da pel activaba os precursores.

No 14º Congreso Surafricano de Bioquímica e Bioloxía Molecular de 1997, Jefferson describiu como a modulación do nivel de esteroides e outras hormonas feito polas glicuronidases e arilsulfatases microbianas afectaban profundamente o funcionamento da entidade composta. Traballos feitos a continuación sobre o illamento de numerosas e diversas glicuronidases de mostras microbianas de feces de animais africanos, e corte que fan das moléculas hormonais, servíronlle para hipotetizar que este fenómeno, a modulación de hormonas mediada por microbios, podía subxacer na evolución de enfermidades e no comportamento social, así como na fitness ou aptitude e no sistema de resistencia do holobionte. Nas súas conferencias, Jefferson acuñou e definiu o termo "ecoterapéutica", referíndose ao axuste da estrutura poboacional da composición microbiana en plantas e animais (o microbioma)  e o seu ecosistema de soporte para mellorar o funcionamento do organismo.

En 2008, Eugene Rosenberg e Ilana Zilber-Rosenberg, aparentemente de forma independente, usaron o termo holoxenoma e desenvolveron a teoría do holoxenoma da evolución. Esta teoría estaba baseada orixinalmente nas súas observacións do branqueamento do coral *Oculina patagonica* causado pola bacteria *Vibrio shiloi*. Desde a súa primeira presentación, a teoría foi promovida como unha fusión do lamarckismo e o darwinismo e ampliada a toda a evolución, non só aos corais. A historia do desenvolvemento da teoría do holoxenoma e a lóxica que asegurou o seu desenvolvemento foi o tema dun artigo de portada de Carrie Arnold en New Scientist en xaneiro de 2013. Un tratamento completo da teoría, incluíndo actualizacións polos Rosenbergs sobre neutralidade, patoxénese e selección multinivel, pode atoparse no seu libro de 2013. revigorizaron o concepto de holoxenoma ao mostraren que os microbiomas intestinais de especies estreitamente emparentadas da avespa *Nasonia* eran distinguibles e contribuian á morte dos híbridos. Isto establece interaccións entre hóspedes e microbios nun continuo conceptual con interaccións entre xenes do mesmo xenoma. En 2015, Bordenstein e Kevin R. Theis deseñaron un marco conceptual que se aliña con teorías preexistentes en bioloxía. en 1990 indican que feromonas do apareamento esenciais, como os androstenois, necesitan a activación por glicuronidases e sulfatases microbianas asociadas coa pel. En ausencia de poboacións microbianas na pel, non se liberan feromonas aromáticas detectables, xa que a proferomona permanece en forma hidrosoluble e non volátil. Isto realmente significaba que os microbios da pel eran esenciais para producir un sinal de apareamento.

### Apoio procedente da bioloxía dos corais 
Unha rearticulación posterior que describía a teoría do holoxenoma de E. Rosenberg e I. Zilber-Rosenberg, publicada 13 anos despois da definición de Jefferson da teoría, estaba baseada nas súas observacións dos corais e na hipótese probiótica do coral.

miniatura|250px |Corais non branqueado e branqueado

Os arrecifes de coral son as estruturas máis grandes creadas por organismos vivos, e conteñen comunidades microbianas abundantes e moi complexas. Unha "cabeza" de coral é unha colonia de pólipos xeneticamente idénticos, a cal segrega un exoesqueleto preto da base. Dependendo da especie, o exoesqueleto pode ser duro, baseado no carbonato de calcio, ou mol e proteináceo. Despois de moitas xeracións, a colonia crea un gran exoesqueleto que é característico da especie. Diversas formas de vida toman como residencia a colonia de coral, incluíndo as algas fotosintéticas como *Symbiodinium*, e unha ampla gama de bacterias, como as fixadoras de nitróxeno, e descompoñedoras de quitina, todas as cales forman unha parte importante da nutrición do coral. A asociación entre o coral e a súa microbiota é dependente da especie, e encóntranse diferentes poboacións bacerianas no moco, esqueleto e tecidos dun mesmo fragmento de coral.

Nas últimas décadas observáronse importantes declives nas poboacións de corais. O cambio climático, a polución da auga e a sobrepesca son tres factores estresantes que se describiron como causantes de susceptibilidade a enfermidades. Describíronse unhas 20 doenzas que afectan o coral, pero destas, soamente dunha manchea delas se illaron e caracterizaron os axentes causantes.

O branqueamento do coral é a máis grave destas doenzas. No mar Mediterráneo, o branqueamento de *Oculina patagonica* foi descrito primeiramente en 1994 e, por unha rigurosa aplicación dos postulados de Koch, determinouse que se debía á infección pola bacteria *Vibrio shiloi*. De 1994 a 2002, o branqueamento bacteriano de *O.&nbsp;patagonica* ocorreu cada verán no Mediterráneo oriental. Porén, sorprendentemente, despois de 2003, *O.&nbsp;patagonica* nesa mesma zona era resistente á infección por *V.&nbsp;shiloi*, aínda que hai outras doenzas que aíndan causan branqueamento.

A sorpresa deriva de que os corais son animais de longa vida, con esperanzas de vida de décadas, e non teñen sistemas inmunitarios adaptativos. O seu sistema inmunitario innato non produce anticorpos, e non debería aparentemente ser capaz de responder a novos desafíos excepto a escalas de tempo evolutivas. Porén, múltiples investigadores documentaron variacións na susceptibilidade ao branqueamento que pode denominarse "tolerancia mediada pola experiencia". O crebacabezas de como os corais se apañan para adquirir resistencia a un patóxeno específico levou a Eugene Rosenberg e Ilana Zilber-Rosenberg a propoñer a hipótese probiótica do coral.
* "Todos os animais e plantas establecen relacións simbióticas con microorganismos."
* "Diferentes especies hóspedes conteñen diferentes pobaocións simbióticas e os individuos da mesma especie poden tamén conter diferentes poboacións de simbiontes."
* "A asociación entre un organismo hóspede e a súa comunidade microbiana afecta tanto o hóspede coma a súa microbiota."
* "A información xenética codificada polos microorganismos pode cambiar baixo as demandas ambientais máis rapidamente e por máis procesos que a información xenética codificada polo organismo hóspede."
* "...&nbsp;o xenoma do hóspede pode actuar en consorcio cos xenomas dos microorganismos simbióticos asociados para crear un holoxenoma. Este holoxenoma... pode cambiar máis rapidamente que o xenoma do hóspede só, o que confire un maior potencial adaptativo á evolución combinada do holobionte."
* "Todos estes puntos tomados en conxunto [levaron a Rosenberg *et al.* a propoñer que] o holobionte co seu holoxenoma debería ser considerado como a unidade de selección natural en evolución."

Algúns autores suplementan os principios anteriores con outro adicional. Se un determinado holobionte debe ser considerado unha unidade de selección natural:
* O holoxenoma debe ser herdable de xeración en xeración.

Presentáronse dez principios sobre holobiontes e holoxenomas en PLOS Biology: Os endosimbiontes cuxa transmisión é predominantemente vertical poden ser considerados como como contribuíntes á variación xenética herdable presente nunha especie hóspede. A transmisión da infección é vertical a través do citoplasma do ovo.

En contraste con isto, describíronse na literatura moitas relacións simbióticas obrigadas nas que a transmisión dos simbiontes é por medio de transferencia horizontal. Un exemplo ben estudado é a lura que se alimenta de noite *Euprymna scolopes*, que camufla o seu perfil contra a superficie oceánica alumada polo luar ao emitir luz desde a súa parte inferior coa axuda de bacterias simbióticas da especie *Vibrio fischeri*. Os Rosenbergs citan este exemplo dentro do contexto da teoría do holoxenoma da evolución. As luras e as bacterias manteñen unha relación altamente coevolucionada. As luras que acaban de facer a eclosión recollen as súas bacterias da auga do mar e a transferencia lateral (horizontal) de simbiontes entre hóspedes permite unha transferencia máis rápida de mutacións beneficiosas dentro dunha especie hóspede do que son posibles con mutacións no xenoma do hóspede.

### Simbiontes primarios fronte a secundarios 
[miniatura |150px |O [hemíptero *Nezara viridula* en Fronton, Francia]]

Outra distinción tradicional entre endosimbiontes é entre simbiontes primarios e secundarios. En contraste, a endosimbiose secundaria adoita ser facultativa, polo menos desde o punto de vista do hóspede, e as asociacións son menos antigas. Os endosimbiontes secundarios non residen en tecidos do hóspede especializados, senón que poden vivir na cavidade corporal dispersos entre a graxa, músculo ou tecido nervioso, ou poden crecer dentro do tracto dixestivo. A transmisión pode ser de tipo vertical, horizontal, ou tanto vertical coma horizontal. A relación entre o hóspede e o endosimbionte secundario non é necesariamente beneficiosa para o hóspede; de feito, a relación pode ser de parasitismo. Igualmente, en áfidos, a transmisión vertical de bacteriocitos que conteñen o endosimbionte primario *Buchnera* redúcese drasticamente a altas temperaturas. Do mesmo xeito, a distinción entre as relacións de  comensalismo, mutualismo e parasitismo tampouco é absoluta. Un exemplo é a relación entre legumes e especies de *Rhizobium*: a captación de N2 é enerxeticamente máis custosa que a captación do nitróxeno fixado do solo, así que o N do solo é o preferido se non é limitante. Durante as etapas iniciais da formación de nódulos radiculares, a relación  planta-rizobios lembra en realidade á patoxénese máis que a unha asociación mutualista.

### O neolamarckismo dentro dun contexto darwinista 
[miniatura|upright=2|Herdanza [neolamarckismo|neolamarckista do holoxenoma.]]
O lamarckismo, o concepto de que un organismo pode pasar as características que adquire durante a súa vida á súa descendencia (tamén chamado herdanza dos caracteres adquiridos ou herdanza branda), incorporou dous ideas que eran comúns no seu tempo:
* Uso e desuso.– Os individuos perden as características que non necesitan (non usan) e desenolven aquelas que lles son útiles.
* Herdanza dos caracteres adquiridos.– Os individuos herdan os caracteres que os seus antepasados adquiriron durante a súa vida.

Aínda que a teoría lamarckista foi rexeitada polo neodarwinismo da síntese evolutiva moderna, na cal a evolución ocorre por variacións aleatorias que están sometidas a selección natural, a teoría do holoxenoma ten aspectos que lembran conceptos lamarckistas. Ademais dos modos de variación tradicionais recoñecidos (é dicir, recombinación sexual, rearranxo cromosómico e mutación), o holobionte permite dous mecanismos adicionais de variación que son específicos da teoría do holoxenoma: (1) cambios na poboación relativa de microorganismos existentes (é dicir, amplificación e redución) e (2) adquisición de novas cepas do ambiente, que poden pasar á descendencia. A relación é, en realidade, máis complicada que unha nutrición mutua; algunhas cepas de *Buchnera* incrementan a termotolerancia do hóspede, mentres que outras cepas non. Ambas as cepas están presentes nas poboacións de campo, o que suxire que nalgunhas condicións, o aumento da tolerancia á calor é vantaxoso para o hóspede, mentres que noutras condicións, a diminución da tolerancia á calor pero o aumento da tolerancia ao frío pode ser vantaxoso. Pode considerarse os xenomas variantes de *Buchnera* como alelos do holoxenoma máis grande.

O desenvolvemento de preferencias de apareamento, é dicir, a selección sexual, é considerado un evento inicial no proceso de especiación. En 1989, Dodd informou das preferencias de apareamento en *Drosophila*, que eran inducidas pola dieta. Demostrouse recentemente que cando poboacións de *Drosophila* que noutros aspectos son idénticas se lles cambiaba a dieta entre un medio de melazas e un medio con amidón, as "moscas de melazas" preferían aparearse con outras moscas de melazas, menres que as "moscas de amidón" preferían aparearse con autras moscas de amidón. Esta preferencia de apareamento aparecía despois de só unha xeración e mantíñase por polo menos 37 xeracións. A orixe destas diferenzas eran cambios nas poboacións de moscas dun determinado simbionte bacteriano, *Lactobacillus plantarum*. O tratamento con antibióticos eliminaba as preferenzas de apareamento inducidas. Suxeriuse que as bacterias simbiótica cambiaban os niveis de feromonas sexuais hidrocarbonadas cuticulares; porén, varios outros artigos de investigación informaron que non se conseguiu replicar este efecto.

Zilber-Rosenberg e Rosenberg (2008) tabularon moitos dos xeitos polos cales se transmiten os simbiontes e as súas contribucións á fitness do holobionte, empezando polas mitocondrias atopadas en todos os eucariotas, os cloroplastos de plantas, e varias asociacións descritas en sistemas específicos. As contribucións microbianas á fitness do hóspede incluían a provisión de aminoácidos específicoss, o crecemento a altas temperaturas, a provisión das necesidades nutricionais a partir de celulosa, o metabolismo do nitróxeno, o recoñecemento de sinais, utilización máis eficiente dos alimentos, protección dos ovos e embrións contra o metabolismo, camuflaxe contra predadores, fotosíntese, degradación de polímeros complexos, estimulación do sistema inmunitario, anxioxénese, síntese de vitaminas, degradación da fibra, almacenamento de graxa, subministración de minerais do solo, subministración de compostos orgánicos, aceleración da mineralización, reciclaxe do carbono, e tolerancia ao sal. Unha crítica importante feita por Ainsworth *et al.* foi a afirmación de que *V.&nbsp;shiloi* foi identificada incorrectametne como o axente causante do branqueamento do coral, e que a súa presenza no *O.&nbsp;patagonica* branqueado debíase, simplemente, a unha colonización oportunista.

Se isto é verdade, non sería válida a observación orixinal que fixo que Rosenberg elaborase a articulación posterior da teoría. Por outra parte, Ainsworth *et al.* Novos mecanismos adaptativos como o cambio de simbiontes poderían non ser necesarios para que os corais se axusten ao rápido cambio climático ou a novos estresantes. e o mal uso dos termos levou a confusións sobre o que comprende a evidencia relacionada co holoxenoma. O diálogo que se fai actualmente está intentando aclarar esta confusión. Theis et al. aclaran que "criticar o concepto de holoxenoma non é sinónimo de criticar a coevolución, e argumentar que unha entidade non é unha unidade primaria de selección desestima o feito de que o concepto de holoxenoma sempre aceptou a selección multilevel." Chandler e Turelli (2014) critican as conclusións de Brucker e Bordenstein (2013), subliñando que as súas observacións son tamén consistentes cunha explicación alternativa. Brucker e Bordenstein (2014) responderon a estas críticas, afirmando que eran infundadas debido a inexactitudes en feitos e argumentos e definicións alteradas que non foran propostas por Brucker e Bordenstein (2013).

Recentemente, Forest L Rohwer e colegas desenvolveron un novo test estatístico para examinar o potencial que ten a teoría do holoxenoma da evolución en especies de coral. Atoparon que as especies de coral non herdan comunidades microbianas e, ao contrario, son colonizadas por un grupo fundamental de microbios que se asocian cunha diversidade de especies. Os autores conclúen que: "a identificación destas dúas comunidades de simbiontes apoia o modelo do holobionte e pon en dúbida a teoría do holoxenoma da evolución." Porén, outros estudos en corais adhírense ás definicións orixinais e pluralistas de holobionte e hooxenoma. David Bourne, Kathleen Morrow e Nicole Webster aclararon que "os xenomas combinados deste holobionte coralino forman un holoxenoma coralino, e as interaccións xenómicas dentro do holoxenoma definen finalmente o fenotipo do coral."

## Notas