Estudio de la diversidad genética de la morera de papel (Broussonetia papyrifera) en Oceanía remota para inferir posibles rutas de poblamiento de esta región

Abstract

El poblamiento humano de las islas del Pacífico (Oceanía Remota) corresponde a la colonización de los últimos territorios inhabitados del planeta, ocurrido hace 4.000 a 1.000 años AP. Éste fue un proceso complejo, debido a la extensión y condiciones del territorio. La reconstrucción de este proceso es un tema actualmente en estudio, dentro del cual se enmarca este trabajo. El poblamiento de Oceanía Remota se ha analizado mediante estudios arqueológicos, lingüísticos y genéticos. Los estudios genéticos en humanos presentan inconvenientes, ya que las poblaciones actuales no son necesariamente descendientes directos de los pobladores originales. Por este motivo, se han estudiado especies estrechamente relacionadas al humano para comprender el poblamiento de Oceanía Remota. Entre estas especies se encuentra la morera de papel o Broussonetia papyrifera, una especie vegetal de importancia cultural en Oceanía Remota por su uso para la fabricación de textiles. Esta planta dioica originaria de Asia es una de las pocas especies no comestibles transportadas por los pre-polinésicos hacia el Pacífico. Por lo tanto, B. papyrifera es un modelo que podría entregar una mirada diferente del poblamiento humano en Oceanía Remota. Estudios previos de B. papyrifera con marcadores de microsatélites (SSR) en un número limitado de muestras sugieren que las poblaciones de Oceanía Remotas Oeste y Oceanía Remota Este son distintas genéticamente. Por este motivo, un análisis focalizado de la diversidad genética de esta especie en la región de Oceanía Remota Oeste ayudaría a la comprensión de su dispersión en Oceanía Remota y a inferir los procesos globales de poblamiento humano en el Pacífico. A partir de lo anteriormente expuesto, la hipótesis propuesta es: “Existe una mayor diversidad genética de B. papyrifera en Oceanía Remota Oeste que en Oceanía Remota Este, que es detectable mediante el uso de distintos marcadores moleculares, la cual permite determinar los patrones de dispersión de esta especie en el Pacífico e inferir posibles rutas de poblamiento humano de los colonizadores pre-polinésicos de Oceanía Remota”. El objetivo general es: “Caracterizar la diversidad genética de B. papyrifera a partir de individuos provenientes de Oceanía Remota Oeste y Este mediante el análisis de distintos marcadores moleculares, para determinar los patrones de dispersión de esta especie en el Pacífico e inferir posibles rutas de migración de los colonizadores pre-polinésicos de Oceanía Remota”. Los objetivos específicos son: “1. Caracterizar la diversidad genética de los individuos de B. papyrifera provenientes de Oceanía Remota Oeste mediante el análisis de diferentes marcadores moleculares y 2. Comparar la relación entre diversidad genética y localización geográfica de los individuos de B. papyrifera provenientes de Oceanía Remota Oeste, en relación a Oceanía Remota Este y Asia, para determinar patrones de dispersión de esta especie vegetal en las islas del Pacífico; e integrar los resultados con otros modelos de estudio para inferir posibles rutas de poblamiento de Oceanía Remota”. En este trabajo se analizaron 120 muestras de B. papyrifera provenientes de cuatro islas o archipiélagos de Oceanía Remota Oeste (Nueva Caledonia, Fiji, Wallis y Tonga) mediante tres marcadores moleculares: región ITS-1, marcador de sexo y 10 marcadores de SSR. Adicionalmente, se analizaron 41 muestras seleccionadas de Oceanía Remota (19 de Oceanía Remota Oeste y 22 Oceanía Remota Este) mediante el marcador de cloroplasto ndhF-rpl32. Los análisis de la región ITS-1 y el marcador de sexo muestran que todos los individuos analizados de Oceanía Remota Oeste son idénticos genéticamente, mientras que mediante SSR se identificaron 13 genotipos diferentes en las cuatro localidades estudiadas de dicha región. Al integrar la información con análisis previos de B. papyrifera provenientes de Asia y Oceanía Remota, los marcadores ITS-1 y de sexo muestran que los individuos de Oceanía Remota son homogéneos, lo cual concuerda con la introducción de sólo algunos ejemplares en esta región. La excepción sería Hawái, donde se observan dos grupos de individuos: uno genéticamente similar al resto de Oceanía Remota y otro más cercano a los individuos asiáticos. El último grupo se explicaría debido a una segunda introducción de B. papyrifera posterior al poblamiento de las islas del Pacífico. Por otra parte, el análisis integrado de SSR permitió diferenciar 32 genotipos en Oceanía Remota, agrupándose en 3 grupos o poblaciones. Hay genotipos diferentes en las distintas regiones geográficas, observándose llamativamente que los genotipos de Oceanía Remota Oeste se encuentran en todas las regiones de Oceanía Remota. De este modo, los resultados sugieren que hubo una red de interacción que conectaba las diversas islas de Oceanía Remota Oeste y la parte central y los extremos de Oceanía Remota Este entre sí. Hay que destacar que muchas de estas interacciones son nuevos aportes a las rutas planteadas por otros modelos de estudio. Por otro lado, el análisis de 41 individuos seleccionados de Oceanía Remota mediante ndhF-rpl32 identificó solamente uno en Oceanía Remota Oeste y cinco haplotipos en Oceanía Remota Este. De los cinco haplotipos observados en Oceanía Remota Este, tres corresponden a nuevos haplotipos no descritos previamente en Oceanía Remota. Este resultado sugiere que Oceanía Remota no es una región homogénea, puesto que la diversidad genética entre Oceanía Remota Oeste y Este es diferente. Por lo tanto, sería interesante ampliar el análisis de este marcador a un mayor número de muestras de Oceanía Remota y así complementar los resultados obtenidos mediante este marcador con los análisis de SSR. En resumen, existe diversidad genética de la morera de papel en Oceanía Remota y ésta es diferente entre Oceanía Remota Oeste y Este. A partir de este estudio, es posible establecer rutas de intercambio entre las distintas islas del Pacífico, que apoyan lo observado mediante arqueología y análisis genéticos en otros modelos de estudio. La caracterización genética de B. papyrifera es un aporte a la reconstrucción de las rutas migratorias desde Asia a Oceanía Remota Oeste y luego a Oceanía Remota Este, para contribuir a la comprensión del poblamiento humano de las islas del Pacífico

The peopling of the Pacific Islands (Remote Oceania), took place about 4000-1000 years BP and corresponds to the last colonization of uninhabited territories of our planet. This was a complex process due to the extent and conditions of the territory. The settlement of Remote Oceania has been analyzed by archaeological, linguistic, and genetic studies. Genetic studies in humans present some weaknesses, as the current populations are not necessarily direct descendants or representative of the original voyagers. For this reason, other species closely associated to humans have been studied in order to understand the peopling of Remote Oceania. One such species is paper mulberry (Broussonetia papyrifera), a plant of high cultural value, because of its use for manufacturing textiles. This dioecious plant is native to Asia and is one of the few non-edible species transported by pre-Polynesians into the Pacific. Therefore, B. papyrifera is used as a model that could give a different perspective to other species studied so far in order to reconstruct the settlement of Remote Oceania. Previous studies of B. papyrifera with microsatellite markers (SSR) using a limited number of samples suggested that populations of West and East Remote Oceania are genetically distinct. For this reason, a deeper analysis of the genetic diversity of this species focused on West Remote Oceania was expected to increase our understanding of its dispersal in Remote Oceania and the global processes of the settlement of the Pacific. Based on the above, we pose the following hypothesis for this work: “B. papyrifera presents a greater genetic diversity in West Remote Oceania than in East Remote Oceania, which can be detected by different molecular markers, that allows to determine dispersal patterns of this species in the Pacific and infer possible human migration routes of pre-Polynesian settlers in Remote Oceania”. The aim of this work is “to characterize the genetic diversity of B. papyrifera from West and East Remote Oceania, using different molecular markers, for establising dispersal patterns of this species in the Pacific to infer posible human migrations routes of pre-Polynesian settlers in Remote Oceania”. The specific aims of this work are: “1. To characterize the genetic diversity of B. papyrifera from West Remote Oceania de B. papyrifera by different molecular markers and 2. To compare the genetic diversity and geographic localization of the B. papyrifera individuals from West Remote Oceania, with those from East Remote Oceania and Asia, for establishing dispersal patterns of this species in the Pacific and infer posible human migrations routes in Remote Oceania”. For this work 120 samples were analysed from four different islands or archipelagos of West Remote Oceania (three from New Caledonia, 71 from Fiji, 13 from Wallis, and 33 from Tonga) using three kinds of molecular markers: the ribosomal ITS-1 region, a sex marker and 10 SSR markers. Further, 41 selected samples from Remote Oceania (19 from West Remote Oceania and 22 from East Remote Oceania) were analysed using the ndhF-rpl32 chloroplast region. The analysis of the ITS-1 region and sex marker showed that the 120 individuals are genetically identical, while the analysis of 10 SSR markers identified 13 different genotypes in the four Western Remote Oceanian islands or island groups. Integration of data from this thesis with previous work from our laboratory on B. papyrifera specimens from Asia and Remote Oceania, showed that the ITS-1 region, the sex marker and the ndhF-rpl32 region presented greater diversity in Asia than in the Pacific. Using these markers, paper mulberry from Remote Oceania behaves as a homogeneous population, which is consistent with the introduction of only a few specimens into this region. The major exception is Hawaii, where two groups are observed: one that is genetically similar to Remote Oceania and another that is closer to Asian individuals. The origin of the latter group of plants can be explained by a second, relatively recent introduction of B. papyrifera to this archipelago that is independent of the peopling of the Pacific Islands. In addition, using the SSR markers we were able to distinguish 32 genotypes in Remote Oceania, grouped into three clusters or populations. There are different genotypes in the different geographic regions; however, the genotypes from West Remote Oceania are present throughout Remote Oceania. Therefore, these results suggest an extensive interaction network, connecting the various islands of West Remote Oceania to Central and the most distant regions of East Remote Oceania. It is important to point out that several of these interactions had not been observed previously using other model species, such as the Polynesian rat, or through the genetic analysis of contemporary human populations of the Pacific. The analysis of the ndhF-rpl32 chloroplast region in the 41 selected individuals from Remote Oceania identified five haplotypes in East Remote Oceania and only one in West Remote Oceania. Of the five haplotypes detected in East Remote Oceania, three are new haplotypes that have not been described previously (Chang et al., 2015). This result suggests that Remote Oceanía is not a homogenous region, since the genetic diversity between West and East Remote Oceania is different. Therefore, it would be interesting to analyse a greater number of samples from Remote Oceania, in order to characterize the genetic diversity in West and East Remote Ocenia and, thus, complement the results of this choloplast region with the SSR markers analysis. In summary, we detect genetic diversity of paper mulberry in Remote Oceania, and we also detect differences between the western and eastern regions of Remote Oceania. From this work, it is possible to suggest possible interaction or even trade routes between the various islands of the Pacific, supported by the genetic analysis and in conjunction with the archeological evidence. The genetic characterization of B. papyrifera contributes to the reconstruction of the migration routes from Asia to West and East Remote Oceania, and to the understanding of the peopling of the Pacific Islands