Ecological and association genetics in two Mediterranean pine species

Rodríguez Quilón, Isabel (2017). Ecological and association genetics in two Mediterranean pine species. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.47140.

Descripción

Título: Ecological and association genetics in two Mediterranean pine species
Autor/es:
  • Rodríguez Quilón, Isabel
Director/es:
  • Alía Miranda, Ricardo
  • González Martínez, Santiago César
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: local adaptation, genetic differentiation, quantitative genetics, population genetics, conservation genetics, phenotypic plasticity, microsatellite, single nucleotide polymorphism, pines
Escuela: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Departamento: Biotecnología - Biología Vegetal
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Los bosques poseen un gran valor ecológico, económico y social, además de jugar un papel estratégico en el mantenimiento de la biodiversidad y como sumideros de dióxido de carbono. Sin embargo, durante las últimas décadas, el cambio climático está modificado la distribución geográfica de los bosques naturales y el funcionamiento de estos ecosistemas. Los bosques mediterráneos son especialmente sensibles al cambio climático, ya que se espera que su efecto sea más notable en regiones secas y templadas. En estos lugares muchas especies de árboles se encuentran además en su límite adaptativo. Como respuesta, los árboles tienen tres opciones: adaptarse, migrar o extinguirse. La capacidad de hacer frente a condiciones ambientales futuras en los rangos de distribución actuales podría lograrse mediante procesos de adaptación o a través de respuestas plásticas. La adaptación local, por su parte, implica una respuesta genética a las presiones de selección, mientras que la plasticidad podría permitir la aparición de fenotipos adaptados sin que exista un cambio genético subyacente. En general, las poblaciones de árboles forestales son genéticamente muy diversas, y se espera que la adaptación local surja de esta variabilidad genética dentro y entre poblaciones. Es fundamental comprender los procesos adaptativos actuales y pasados, y conocer los agentes ecológicos que han dado forma a la diversidad genética dentro de cada especie, para poder predecir el futuro de nuestros bosques e implementar estrategias efectivas de conservación. Sin embargo, seguimos sin conocer la base genética de la adaptación local, a pesar de su vital importancia en la persistencia de las especies y sus posibles cambios de distribución ante el cambio climático. Esta tesis se enmarca dentro del campo de la genética ecológica. Está estructurada en cuatro capítulos, que corresponden a artículos científicos ya publicados o manuscritos en preparación. Incluye también tres anexos, con información adicional y artículos complementarios ya publicados. El objetivo principal de la tesis es evaluar los procesos evolutivos y ecológicos, pasados y actuales, que han dado lugar a la adaptación local de los árboles forestales. Se pretende desentrañar la compleja interacción entre genotipo, fenotipo y ambiente, avanzando en el conocimiento de las bases genéticas de los caracteres adaptativos. Estas preguntas de investigación se relacionan a continuación con cuestiones prácticas para la conservación dinámica de los recursos genéticos forestales. Pinus pinaster Ait. (pino rodeno o negral) y P. halepensis Mill. (pino carrasco) son dos especies alógamas de pinos mediterráneos de gran importancia ecológica y económica, con diferentes historias demográficas y niveles de diversidad genética intraespecífica. Ofrecen así la oportunidad de integrar información respecto a la diferenciación poblacional, su arquitectura genética, plasticidad y tendencias ecotípicas, proporcionando numerosas ventajas para el estudio de la adaptación local. Para ello se han utilizado datos genéticos de microsatélites nucleares (12 nuSSRs) y polimorfismos de un único nucleótido (384 y 6.100 SNPs), y datos fenotípicos, medidos en ensayos de ambiente común replicados en múltiples condiciones ambientales. Los datos procedentes de los ensayos de ambiente común permitieron estimar en qué medida la expresión fenotípica tiene base genética. Su replicación bajo ambientes contrastantes ayudó a estimar si esta expresión también está condicionada por una respuesta plástica. La genética cuantitativa, la genética de poblaciones y los estudios de asociación genotipo-fenotipo se utilizan de forma complementaria en los cuatro capítulos de la tesis para avanzar en la comprensión de la base genética de los caracteres adaptativos en los pinos rodeno y carrasco. En general, a lo largo de los diferentes estudios incluidos en esta tesis, se encontró evidencia de variación genética intraespecífica y de procesos de adaptación local en ambas especies. Los rasgos adaptativos mostraron un control genético moderado y estructurado entre poblaciones. La diferenciación genética cuantitativa entre poblaciones fue consistentemente superior a la diferenciación en marcadores moleculares para todos los caracteres y ambientes de ensayo, a diferentes niveles jerárquicos, sugiriendo la existencia de adaptación local (Capítulos 3 y 4). También se identificaron loci presumiblemente adaptativos, subyacentes a importantes caracteres de aptitud biológica (Capítulos 2 y 3). Los factores ambientales influyeron en la variabilidad genética y en la arquitectura genética detectada de los caracteres adaptativos estudiados (Capítulos 2, 3 y 4). En lo que respecta al estudio de la relación entre genotipo y fenotipo, en primer lugar, se abordó una cuestión evolutiva clásica: la correlación entre la heterocigosidad y la aptitud biológica (Capítulo 1). El objetivo era averiguar si episodios de endogamia, debidos a un aumento del apareamiento entre familiares o a la deriva genética después de un cuello de botella, conducen a una disminución de la aptitud biológica en el pino rodeno. Se vio que la heterocigosidad genómica tiene poco impacto en la aptitud biológica del pino marítimo, aunque la variación en la endogamia parece estar asociada con la supervivencia. Esto podría explicarse por el sistema reproductivo de la especie y su historia evolutiva. Sin embargo, la heterocigosidad en marcadores presumiblemente adaptativos parece jugar un papel crítico bajo fuertes presiones selectivas, como las que podrían derivarse del cambio climático. Los estudios de asociación genotipo-fenotipo permitieron identificar loci concretos subyacentes a diferentes caracteres adaptativos en ambas especies de pino (Capítulos 2 y 3). Para el pino carrasco se encontraron 15 SNPs significativamente asociados con caracteres de crecimiento, extractivos de madera, contenido en lignina y floración, explicando una variación moderada a nivel fenotípico (<11%). Se demuestra que la inclusión de fenotipos integrados en las pruebas de asociación genotipo-fenotipo puede aumentar ligeramente la proporción de la varianza fenotípica explicada, así como posibilitar la detección de posibles efectos pleiotrópicos (Capítulo 2). En el pino rodeno, los estudios de asociación realizados, con un mayor número de marcadores moleculares (6.100 SNPs) y en ambientes contrastantes, permitieron identificar seis SNPs asociados con la supervivencia en ensayos bajo clima atlántico suave, y dos SNPs asociados con la altura en un ensayo situado en un clima mediterráneo más severo (Capítulo 3). En ambos casos, serían necesarios más estudios para confirmar que los loci candidatos identificados son realmente genes adaptativos funcionales. Teniendo en cuenta que la proporción de varianza fenotípica explicada fue baja (<10%) a pesar del aumento del número de marcadores moleculares utilizados para el pino marítimo, y dado que se espera que la mayoría de los caracteres adaptativos estén controlados por un gran número de loci con efecto pequeño, avanzamos hacia un enfoque de adaptación poligénica. Con ese objetivo, se combinaron la genética de poblaciones y los estudios de asociación, testando la existencia de un exceso de varianza en la diferenciación entre poblaciones, así como la presencia de correlaciones excesivas con variables ambientales. Para ello, se compararon las frecuencias alélicas de un conjunto de loci adaptativos candidatos frente a un modelo nulo de deriva genética neutra e historia evolutiva compartida de la población. Se encontró un exceso de varianza entre poblaciones para altura y supervivencia, en consonancia con la existencia de selección direccional, principalmente impulsada por la covarianza entre loci, es decir, por desequilibrio de ligamiento. También se encontraron señales de correlaciones excesivas con temperaturas mínimas y precipitación media, respectivamente, para altura y supervivencia, lo que confirma el papel clave de tales variables ambientales en los procesos de adaptación local en la especie. Los resultados apuntan a muchos loci de pequeño efecto subyacentes a los caracteres estudiados, estando la adaptación local impulsada por pequeños cambios de frecuencias alélicas (Capítulo 3). En el pino carrasco también se testó la relación entre variables ecogeográficas y diferentes fenotipos adaptativos -incluyendo crecimiento, reproducción, resistencia a la sequía y caracteres de calidad de madera-, así como correlaciones entre caracteres. Los análisis se realizaron carácter por carácter y también para fenotipos integrados. En general, se encontró evidencia de adaptación local intraespecífica. También se comprobó que las relaciones balanceadas en cuanto a asignación a caracteres adaptativos relacionados con crecimiento, reproducción y defensa coinciden con las predicciones de la teoría de la asignación y las teorías de caracteres de historia vital en la especie (Capítulo 2). En pino rodeno se corroboró la existencia de variación clinal a lo largo de gradientes de temperatura y precipitación, y el importante papel del ambiente en la adaptación local de la especie. Una diferenciación genética cuantitativa entre poblaciones consistentemente mayor que la diferenciación molecular neutra, para altura y supervivencia bajo ambientes contrastantes, apuntó también a una selección divergente generalizada. Se encontraron altos niveles de variación genética y plasticidad fenotípica a diferentes escalas espaciales, lo que sugiere la existencia de potencial de cambio evolutivo para hacer frente a nuevas presiones selectivas, aunque variable dentro del rango de distribución de la especie (Capítulo 4). Por último, se demuestra que los conocimientos adquiridos sobre variación genética de caracteres adaptativos pueden utilizarse en programas de conservación genética dinámica de árboles forestales (Capítulo 4). Los componentes neutros y adaptativos de la diversidad genética, así como los factores ambientales, deben tenerse en cuenta en la identificación de unidades de conservación a nivel subespecífico, especialmente en especies con una fuerte estructura poblacional y complejas historias evolutivas. El enfoque de zonación ambiental utilizado actualmente por la estrategia paneuropea de conservación genética para los árboles forestales se mejoraría con la integración gradual de información de caracteres moleculares y cuantitativos a medida que estos datos vayan estando disponibles. ABSTRACT Forests have great ecological, economic and social value, playing also a critical role both as carbon pools and carbon dioxide sinks. Nevertheless, over the last decades, climate change has modified natural forest geographic ranges and ecosystem functioning. Mediterranean forests are especially sensitive to climate change as its consequences are expected to be experienced more abruptly in dry and cool regions, where, in addition, many tree species are found at their adaptive limit. In response, forest trees can adapt, migrate or go extinct. Coping with future environmental conditions in current distributions could be achieved by adaptation processes or via plastic responses. Local adaptation implies a genetic response to selection pressures, while plasticity could enable adapted phenotypes without underlying genetic change. Overall, forest tree populations are genetically very diverse, and local adaptation is expected to rely on such available genetic variability within and among populations. Understanding past and contemporary adaptive process and ecological drivers shaping genetic diversity within species is of key importance to predict the fate of forests and implement effective conservation strategies under the current climate change scenario. However, despite its utmost importance in species persistence and range shifts facing climate change, the genetic basis of local adaptation remains poorly understood. This thesis is framed within the field of ecological genetics, and structured in four chapters, corresponding to already published papers or manuscripts in preparation, and two annexes, with complementary information and also already published studies. The main objective of the thesis was to evaluate past and ongoing evolutionary and ecological processes leading to local adaptation in forest trees. I aimed to disentangle the complex interaction between genotypes, phenotypes and environmental conditions, advancing in the knowledge of the genetic basis of adaptive traits. These research questions were then related to practical issues for dynamic conservation of forest genetic resources. Pinus pinaster Ait. (maritime pine) and P. halepensis Mill. (Aleppo pine) are two ecologically and economically important outcrossing Mediterranean pine species, with different demographic histories and levels of intraspecific genetic diversity. They provide the opportunity to integrate information on population differentiation, genetic architecture, plasticity and ecotypic trends, offering numerous advantages for the study of local adaptation. To do so, here I used genetic data from nuclear microsatellites (12 nuSSRs) and single nucleotide polymorphisms (384 and 6,100 SNPs), and phenotypic data, measured in common gardens replicated in multiple environments. Common garden data allowed to estimate to which extent phenotypic expression is genetically based, and trial replicates under contrasting environments to know whether this expression can also be plastic. Quantitative genetics, population genetics and genotype-phenotype association methods are complementarily used in the four chapters to advance in the understanding of the genetic basis of adaptive traits in maritime and Aleppo pines. Overall, throughout the different studies included in this thesis, I found evidence of intraspecific genetic variation and local adaptation processes in both species. Adaptive traits exhibited a moderate genetic control and were structured across populations. Amongpopulation quantitative genetic differentiation was consistently above among-population molecular marker differentiation across traits and testing environments, at different hierarchical levels, suggesting local adaptation (Chapters 3 and 4). I was also able to identify putatively adaptive loci, underlying important fitness traits (Chapters 2 and 3). Environmental factors influenced genetic variability and the detected genetic architecture of the studied adaptive traits (Chapters 2, 3 and 4). Particularly addressing the relationship between genotype and phenotype, I first approached a traditional evolutionary question: the correlation between heterozygosity and fitness (Chapter 1). I aimed to find out whether inbreeding events, due to increased mating between relatives or genetic drift after a bottleneck, lead to decreased fitness in maritime pine. Genome-wide heterozygosity has little impact on maritime pine fitness, even though variation in inbreeding seems to be associated with survival. This could be explained by maritime pine mating system and evolutionary history. However, heterozygosity at putatively adaptive markers may play a critical role under increased selective pressures, such as the ones that could be derived from climate change. Genotype-phenotype association studies allowed the identification of particular loci underlying different adaptive traits in Aleppo and maritime pines (Chapters 2 and 3). For Aleppo pine, I found 15 SNPs significantly associated with growth traits, wood extractives, lignin content or flowering, explaining a moderate variation in phenotypic traits (<11%). I demonstrate that integrated phenotypes in genotype-phenotype association tests can slightly enhance the proportion of phenotypic variance explained, as well as give the chance of detecting possible pleiotropic effects (Chapter 2). For maritime pine, association tests performed with an increased number of molecular markers (6,100 SNPs) at contrasting environments, allowed the identification of six SNPs associated with survival in trials under mild Atlantic climate, and two SNPs associated with tree height in one of the trials under a harsher Mediterranean climate (Chapter 3). In both cases, future studies would be needed to confirm the identified candidates as functional adaptive genes. As the proportion of phenotypic variance explained remained low (<10%), despite the increased number of molecular markers used for maritime pine, and provided that most adaptive traits are expected to be controlled by a large number of loci with small effect, we moved forward towards a polygenic adaptation approach. For this, I combined population and association genetics, and tested for excess variance in among-population differentiation and signals of excessive correlations with environmental variables, when allele frequencies of a set of candidate adaptive loci were compared to a null model of neutral genetic drift and shared population history. I found an excess of variance among populations for height and survival, consistent with directional selection, mainly driven by covariance among loci (i.e. linkage disequilibrium). I also found signals of excessive correlations with minimum temperatures and mean precipitation, respectively, for height and survival traits, confirming the key role of such environmental variables in local adaptation processes in the species. Our results point to many loci of small effect underlying the studied traits, with local adaptation driven by small allele frequency changes (Chapter 3). In Aleppo pine, I also tested the relationship between ecogeographical variables and different adaptive phenotypes -including growth, reproduction, drought resistance and wood quality traits-, as well as among-trait correlations. Analyses were done trait-by-trait and also for integrated phenotypes. Overall, I found supporting evidence for intraspecific local adaptation and that allocation to adaptive traits related to growth, reproduction and defence trade-off against each other, matching theoretical predictions from allocation and life-history theories in the species (Chapter 2). In maritime pine, I corroborated the existence of clinal variation along temperature and rainfall gradients in the species, and the important role of the environment in maritime pine local adaptation. Consistently higher among-population quantitative genetic differentiation than neutral molecular differentiation, for height and survival under contrasting environments, point to widespread divergent selection too. I found high levels of genetic variation and phenotypic plasticity at different spatial levels, suggesting potential for evolutionary change to cope with new selective pressures, although variable within the species range (Chapter 4). Finally, I show that the acquired knowledge about the genetic variation of adaptive traits can be used to improve dynamic genetic conservation programs for forest trees (Chapter 4). Neutral and adaptive components of genetic diversity, as well as environmental factors, should be accounted for in the identification of conservation units below the species level, especially in species with strong population structure and complex evolutionary histories. The environmental zonation approach currently used by the pan-European genetic conservation strategy for forest trees would be improved by gradually integrating molecular and quantitative trait information, as data become available.

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ID de Registro: 47140
Identificador DC: http://oa.upm.es/47140/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47140
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.47140
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 10 Jul 2017 10:15
Ultima Modificación: 10 Jul 2017 10:15
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