Genetic consequences of living in a highly polluted environment : the case of the Silverside Basilichthys Microlepidotus (Jenyns) (Teleostei: Atherinopsidae) in the Maipo river basin, central Chile

Abstract

En la actualidad, la actividad humana está produciendo grandes cambios en la biodiversidad, disminuyendo el tamaño de las poblaciones aumentando la vulnerabilidad y el riesgo de extinción de las especies. Debido a esto, la adaptación de los organismos a las nuevas condiciones ambientales se ha convertido en uno de los mayores focos de investigación en el área de la conservación, y la comprensión de la base genética de esta adaptación es actualmente un tema fundamental en la biología evolutiva. Los sistemas de agua dulce son uno de los ambientes que han sido más impactados por la actividad humana, siendo la contaminación uno de los factores más importantes. En Chile, una de las cuencas más perturbadas y con altos niveles de contaminación es la cuenca del río Maipo, en la cual se encuentra ubicada la cuidad de Santiago. En esta cuenca habita el pejerrey de río endémico Basilichthys microlepidotus (Jenyns). Un trabajo previo demuestra que esta especie se comporta como una sola gran población en tres cuencas de la zona norte del país, sin embargo se observó una diferenciación poblacional para esta especie en la cuenca del río Maipo. Considerando esta información, el objetivo principal de esta tesis fue determinar las consecuencias genéticas de la contaminación en las poblaciones de B. microlepidotus de la cuenca del río Maipo. Para esto, se determinó la estructuración poblacional del pejerrey con la ayuda de la variabilidad de ocho loci microsatélites. Además, se realizó un escaneo genómico para determinar la proporción de loci bajo selección direccional y balanceada debido a la contaminación, esto con el uso de marcadores AFLP. Finalmente, se identificó genes con expresión diferencial y polimorfismos de nucleótido simple (SNP) relacionados a la contaminación utilizando la técnica de RNA-seq. En total, cinco poblaciones de pejerrey fueron encontradas en la cuenca del río Maipo, dos habitando zonas contaminadas y tres habitando zonas no contaminadas. No se observó efectos de la contaminación en la diversidad génica o tasa de migración de las poblaciones de B. microlepidotus, pero un total de diez loci de AFLP (6.7% del total de loci) fueron identificados como candidatos de estar bajo selección debido a la contaminación; seis (4.0%) bajo selección direccional y cuatro (2.7%) bajo selección balanceada. Además, se detectaron seis genes con expresión diferencial, dos sub-regulados en los individuos de las áreas contaminadas y cuatro sobre-regulados en estos individuos. También se identificó dos SNPs posiblemente relacionados con la contaminación, ambos ubicados en genes mitocondriales. Se concluye que la contaminación está causando un efecto selectivo, adaptativo y fisiológico sobre las poblaciones de B. microlepidotus habitando en la cuenca del río Maipo.

At the present, human activities produce changes in the biodiversity by reducing the population size that increases vulnerability and extinction risk of species. Thus, the organismal adaptation to new environmental conditions has become a major research focus in conservation and the understanding of the genetic basis of this adaptation is currently a fundamental issue in evolutionary biology. Freshwater systems are one of the environments that has been most impacted by human activity, being the pollution one of the most important factors affecting rivers and lakes. In Chile, one of the basins most perturbed and with high pollution levels is the Maipo River basin where the city of Santiago is located. The silverside Basilichthys microlepidotus (Jenyns) is an endemic fish species that inhabits this basin. A previous work performed with this species showed that each river drainage studied in northern of Chile contained one population, however several populations were detected inside of the Maipo River basin. Considering this information, the main goal of this research was to determine the genetic consequences of the pollution on the different populations of the silverside В. microlepidotus in the Maipo River basin. For this, the population structure of the silverside was first identified by analyzing the variability of eight microsatellites loci, plus a genome scan with AFLP loci was performed in order to determine the proportion of loci under directional and balancing selection related to pollution. Finally, genes with differential expression and single nucleotide polymorphisms (SNP) related to the pollution were identified by using the RNA-seq technique. In total, five populations of B. microlepidotus were detected in the Maipo River basin, two inhabiting in polluted areas and three in non-polluted areas. No effects of the pollution over the gene diversity or migration rate were observed, however a total of ten ALFP loci (6.7% of the total loci) were identified as candidate loci under selection related with the pollution; six (4.0%) under directional selection and four (2.7%) under balancing selection. Moreover, six genes with differential expression were identified, two down-regulated in the individuals from the polluted areas and four up-regulated in these individuals. Also, two candidate SNPs possibly related with the pollution and located in mitochondrial genes were detected. It is concluded that pollution is having a selective, adaptive and physiological effect over the populations of B. microlepidotus inhabiting in the Maipo River basin.