Adaptación local y dinámica espacio-temporales en el tunicado Pyura chilensis molina 1782 (urochordata: Ascidiacea) a lo largo del sistema de corriente de humboldt

Abstract

La adaptación local corresponde a aquellos procesos que surgen debido a que la selección natural en ambientes heterogéneos se contrapone a los efectos homogenizadores de procesos neutrales como el flujo genético. En hábitats marinos costeros, muchos animales cuentan con estadios larvales dispersivos que permiten la conectividad entre poblaciones locales, sin embargo, la conectividad no necesariamente está correlacionada con la capacidad de dispersión. Por otro lado, el transporte físico de individuos entre poblaciones locales no asegura flujo genético efectivo, ya que este requiere que los migrantes sobrevivan y se reproduzcan, lo que implica que la mortalidad selectiva de migrantes por efectos de presiones ambientales podría reducir el flujo genético entre poblaciones. Pocos estudios filogeográficos han sido abordados usando marcadores moleculares que permitan detectar los efectos de la selección natural y contrastarlos con los efectos de fuerzas evolutivas neutrales. Para una mayor comprensión de los aportes de distintas fuerzas evolutivas en la estructuración filogeográfica, se utilizó como modelo de estudio el tunicado Pyura chilensis, un organismo sésil endémico del altamente heterogéneo sistema de corriente de Humboldt (HCS), con baja capacidad de dispersión larval, pero una alta capacidad de dispersión por efecto del transporte antropogénico en cubierta de barcos. Estudios previos, mostraron estructura genética moderada en la especie, y ausencia de diferenciación genética asociada a un quiebre biogeográfico ampliamente reportado a los 30°S, que si ha sido reportado para otros taxa marinos con baja capacidad de dispersión. En el primer capítulo, se comparó la diversidad y diferenciación genética de seis poblaciones locales entre los 24° a los 42°S usando datos de 2251 loci SNPs neutrales y 81 loci putativamente sujetos a selección obtenidos mediante Genotypìng-bySequencing. Los resultados encontrados con SNPs neutrales y SNPs putativamente bajo selección fueron contrastantes. Los loci neutrales, por un lado, reconocen un linaje evolutivo significativamente diferenciado en la población local de Los Molinos (39°S), con valores de Fs un orden de magnitud mayores al resto de las comparaciones. Estos resultados son consistentes con los reportados en un estudio previo realizado con secuencias del gen mitocondrial Citocromo Oxidasa I (COI). Con marcadores SNPS neutrales no se detectó una discontinuidad genética asociada al quiebre biogeográfico de los 30°S. Por otro lado, los SNPs putativamente sujetos a selección arrojaron que la mayor parte de la divergencia se explica por la presencia dos grupos de poblaciones, uno al norte y otro al sur de los 30°S (que incluye a Los Molinos). Por lo tanto, la estructura filogeográfica de loci sujetos a selección estaría más influenciada por condiciones ambientales disímiles en el quiebre biogeográfico a los 30°S que por la historia de divergencia detectada con marcadores neutrales. El segundo capítulo de esta tesis, se evaluó la estructura genética espacio-temporal en Pyura chilensis, utilizando 592 secuencias del gen mitocondrial COI en seis sitios (entre 24° y 42°S) y tres muestreos anuales (2012, 2014 y 2015). Las secuencias de COI correspondieron a tres linajes previamente descritos en la literatura, uno de los cuales es altamente divergente y está restringido a la zona de los 39°S. Los datos indican un patrón general de estabilidad temporal, aunque se observan diferencias significativas de un año a otro en ciertos sitios y al analizar estos tres linajes por separado. La estabilidad temporal detectada, podría deberse a restricciones al flujo genético, tal como se espera para especies con baja dispersión larval y susceptibles a cambios ambientales. En el tercer capítulo, se utilizaron herramientas de genómica del paisaje, para asociar variables ambientales a la estructura genética adaptativa asociada al quiebre biogeográfico de los 30°S usando marcadores SNPs dispersos por el genoma en Pyura chilensis a lo largo del HCS. En este estudio analizamos la relación entre nueve variables oceanográficas y la estructura genética adaptativa usando 2902 SNPs en 149 individuos de 5 sitios entre los 24° y los 42°S. Se detectaron cientos de marcadores candidatos (entre 390-585), los que estuvieron significativamente asociados a la temperatura superficial del mar y a variables asociadas a surgencias y productividad como el fosfato, nitrato, fluorescencia y pH. La estructura genética espacial de los marcadores candidatos a cada variable ambiental muestra consistentemente el quiebre a los 30°S más allá de lo que se espera por la distancia entre sitios de estudio, lo que sugiere que estas variables podrían modelar la divergencia adaptativa entre el norte y sur de los 30°S en especies como P. chilensis. Adicionalmente, se identificaron 8 genes con funciones anotadas conocidas, las que están asociadas a procesos como filtración y ventilación (biogénesis de cilios), crecimiento y factores de transcripción. La susceptibilidad del piure a cambios ambientales sugerida en este estudio se contrapone a reportes anteriores, donde se considerada a la especie como un solo stock pesquero a lo largo de su distribución geográfica. Esto es fundamental tanto para la conservación del recurso, como para perspectivas futuras de estudios de resiliencia de organismos marinos al cambio climático. En esta tesis, se ha mostrado como la heterogeneidad del paisaje puede contraponerse al efecto del flujo genético a lo largo de la corriente de Humboldt, lo que repercute en diferencias en la estructuración genética adaptativa de P. chilensis a través de procesos de adaptación local asociados a un quiebre biogeográfico asociado a los 30°s.

Local adaptation corresponds to the processes that arise because natural selection in heterogeneous environments is opposed to the homogenizing effects of neutral processes such as gene flow. In coastal marine habitats, many animals have dispersive larval stages that allow connectivity between local populations, yet connectivity is not necessarily correlated with dispersal capacity. On the other hand, the physical transport of individuals among local populations does not ensure effective gene flow, since this requires that the migrants survive and reproduce, implying that the selective mortality of migrants' due to environmental pressures could reduce gene flow between local populations. Few phylogeographic studies have been approached using molecular markers to detect the effects of natural selection and contrast them with the effects of neutral evolutionary forces. For a better understanding of the contributions of different evolutionary forces in phylogeographic structuring, the tunicate Pyura chilensis, a sessile organism endemic to the highly heterogeneous Humboldt Current System (HCS), was used as the study model. This organism has a low capacity for larval dispersion, but a high dispersion capacity due to anthropogenic transport on deck of boats. Previous studies showed moderate genetic structure in the species and absence of genetic differentiation associated with a biogeographic break widely reported at 30°S, which has been reported for other marine taxa with low dispersal capacity. In the first chapter, we compared the genetic diversity and differentiation of six local populations between 24° and 42°S using data from 2251 neutral SNPs and 81 putative under positive selection loci obtained through Genotyping-by-Sequencing. The results founded with neutral and putatively under selection loci were contrasting. Neutral loci, on the one hand, recognize a significantly differentiated evolutionary lineage in the local population of Los Molinos (39°S), with FST values of an order of magnitude higher than the rest of the pairwise comparisons. These results are consistent with those reported in a previous study using sequences of the mitochondrial gene Cytochrome Oxidase I (COI). Neutral SNP loci did not detect a genetic discontinuity associated with the biogeographic break at 30°S as main signal. On the other hand, SNPs putatively under selection showed that most of the divergence is explained by the presence of two groups of populations, one to the north and one to the south of the 30s (which includes Los Molinos). Therefore, the phylogeographic structure of loci under selection would be more influenced by dissimilar environmental conditions in the biogeographic break at 30°S than by the history of divergence detected with neutral markers. The second chapter of this thesis, we evaluated the spatial-temporal genetic structure in Pyura chilensis using 592 partial sequences of the mitochondrial COI gene in six localities (between 24° and 42°S) and three annual sampling (2012, 2014 and 2015). The COI sequences corresponded to three lineages previously described in the literature, one of which is highly divergent and restricted to the 39°S zone. The data indicate a general pattern of temporal stability, although significant differences was observed from year to year in certain geographical sites and when analyzing these three lineages separately. The detected temporal stability could be due to restrictions on the genetic flow, as expected for species with low larval dispersion and susceptible to environmental changes. In the third chapter, seascape genomics tools were used to associate environmental variables with the adaptive genetic structure associated with the biogeographic break of the 30°S using SNPs scattered throughout the genome in Pyura chilensis along the HCS. In this study, we analyzed the relationship between nine oceanographic variables and the adaptive genetic structure using 2902 SNPs in 149 individuals from 5 sites between 24° and 42°S. Hundreds of candidate loci (between 390-585) were detected, which were significantly associated with sea surface temperature (SST) and variables associated with upwelling and productivity such as phosphate, nitrate, fluorescence and pH. The spatial genetic structure of candidate markers for each environmental variable consistently shows the break at 30°S beyond what is expected by the distance between study sites, suggesting that these variables could model the adaptive divergence between the north and south of 30°S in species such as P. chilensis. In addition, 5 genes with known annotated functions were identified, which are associated with processes such as filtration and ventilation (biogenesis of cilia), growth and transcription factors. The susceptibility of the model species to environmental changes suggested in this study is in contrast to previous reports, where the species was considered as a single fishing stock along its geographical distribution. This is critical for both the conservation of the resource and future prospects for studies of the resilience of marine organisms to climate change. In this thesis, it has been shown how the heterogeneity of the seascape can counteract the effect of gene flow along the Humboldt Current System, which has repercussions on the adaptive genetic structure of P. chilensis through associated local adaptation processes to a biogeographic break associated with the 30°S.