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Publicação
Spatial patterns of genetic diversity in Hyla molleri
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Autores
Resumo(s)
A diminuição acentuada das populações de anfíbios a nível global é uma das maiores preocupações de conservação da Natureza da actualidade. De facto, a União Internacional para a Conservação da Natureza (UICN) classifica 41% das espécies de anfíbios como ameaçadas de extinção, o que torna este grupo num dos mais ameaçados do planeta. Apesar de se conhecer os factores de ameaça dos anfíbios (p.e. perda de habitat, alterações climáticas, quitridiomicose, etc.), ameaças como baixa diversidade genética, aumento da deriva genética e endogamia tem sido largamente ignoradas. A diversidade genética é produto da diversidade alélica e genotípica encontrada na espécie e, de acordo com a UICN, é um dos três níveis de biodiversidade que necessita de medidas de conservação. Por ser a base do potencial evolutivo das espécies, a diversidade genética é fulcral para a capacidade que uma espécie tem de ultrapassar alterações no fitness populacional, actuando como uma salvaguarda no caso de redução significativa da população face a um evento catastrófico. A diversidade genética pode ser classificada em duas categorias: adaptativa ou neutral. A primeira está sob a influência de forças selectivas e confere maior fitness nas condições em que a espécie se encontra; a segunda não está sob a influência de forças selectivas e permite inferências sobre processos demográficos. Em estudos de conservação, o foco tem sido sob a diversidade genética neutral, maioritariamente para a definição de Unidades de Conservação dentro das espécies. De um ponto de vista genético, as populações de anfíbios têm reduzido efectivo populacional, que se traduz num baixo número de indivíduos reprodutores, e estão mais propensas a fenómenos de deriva genética e redução de diversidade genética. Várias características do habitat, tais como a elevação ou distância geográfica, podem também impactar a diversidade genética dos anfíbios, actuando como barreiras ao fluxo de genes devido aos gastos energéticos associados à deslocação entre locais. A baixa capacidade de dispersão aliada às necessidades de habitat (como elevada humidade atmosférica), limitam a conectividade entre populações e levam a um aumento da deriva genética. Adicionalmente, a história biogeográfica da espécie pode também desempenhar um papel importante na diversidade genética: em anfíbios, os padrões de diversidade genética aparentam ser mais fortemente moldados por acontecimentos históricos do que por fenómenos recentes, com a maioria dos taxa mostrando múltiplas linhagens de ADN mitocondrial estruturado geograficamente. Mais especificamente, foi o período de glaciações do Pleistoceno que profundamente alterou a distribuição das espécies, através de repetidos acontecimentos de extinções locais, concentração em áreas de refúgio, e nova expansão a partir desses locais, levando a uma forte estrutura genética e divergência entre populações. A genética da paisagem invoca um design de amostragem focado em características da paisagem e no uso de ferramentas genéticas e estatísticas para identificar padrões de diversidade genética que possam ser explicados por uma ou várias características ambientais/da paisagem. A paisagem pode influenciar os padrões genéticos de uma espécie por principalmente dois processos: isolamento-por-distância e isolamento-por-ambiente. No isolamento-por-distância, é o aumento da distância geográfica que impulsiona a diferenciação genética, através da redução de fluxo genético entre as populações. No isolamento-por-ambiente são as diferenças ambientais entre locais que incitam a diferenciação genética, limitando o fluxo genético por meios de selecção natural, independentemente das distâncias geográficas. A Hyla molleri é um endemismo ibérico, pertencente à família Hylidae, cuja origem e diversidade está localizada nos neotrópicos. Na Península Ibérica existem duas espécies de Hyla: H. molleri e Hyla meridionalis (Boettger, 1874). A H. molleri é principalmente encontrada na parte centro e norte da Península Ibérica, e a H. meridionalis está maioritariamente presente no sul, sendo que a parte centro da península actua como zona de simpatria. Apenas em 2008 é que um estudo conduzido por Stock et. al demonstrou que a população de H. molleri é, de facto, geneticamente diferenciada de H. arborea. Anteriormente a esta separação oficial de espécies, Rosa & Oliveira (1994) averiguaram a diferenciação entre H. meridionalis e H. arborea molleri (como era anteriormente conhecida H. molleri), e descobriram valores muito baixo de diversidade genética, sugerindo até que a população de H. molleri poderia ser vista como uma única população, na qual os acasalamentos se davam aleatoriamente, independentemente da distância geográfica. Desde da separação oficial da H. arborea, foram poucos os estudos que se focaram na estrutura populacional e diversidade genética de H. molleri. Além disso, nenhum destes estudos conseguiu avaliar toda a distribuição da espécie ou teve uma amostragem que permitisse tirar conclusões robustas sobre os padrões espaciais de diversidade genética, assim como possíveis zonas de contacto, desta espécie. A falta de dados sobre a influência das distâncias geográficas e ambientais em anfíbios levam também a uma necessidade de explorar este tema. Assim, os objectivos deste trabalho foram: 1) inferir os padrões de estrutura populacional ao longo de toda a distribuição da Península Ibérica e 2) analisar a influência de distâncias ambientais e geográficas na distribuição da diversidade genética de H. molleri. Para este efeito, foram utilizados marcadores moleculares do tipo Single Nucleotide Polymorphims (SNPs), uma vez que estes marcadores já mostraram ter grande poder de detecção de diferenciação genética, são mais abundantes no genoma, e apresentam melhor relação preço-eficácia em estudos deste tipo relativamente a marcadores como microsatélites nucleares. Os resultados obtidos apontaram para um gradiente de diferenciação genética das populações de H. molleri do norte para o sul da Península Ibérica, assim como do centro da distribuição para a periferia. A presença de quatro populações ancestrais foi também identificada, contribuindo para a variabilidade na composição genética das populações atuais segundo o referido padrão de diferenciação. Tendo em conta os níveis de diversidade genética encontrados para outros anfíbios da Península Ibérica (com distribuição e hábitos semelhantes), os resultados mostraram baixa diversidade genética para esta espécie, com os valores mais altos localizados nas populações do sul. Aqui, tanto o número de alelos privados como valores de heterozigotia observada foram dos mais altos. Tanto a distância geográfica como a distância ambiental mostraram correlações positivas com a distância genética entre populações. Os padrões observados sugerem que a H. molleri se refugiou principalmente no sul da Península Ibérica durante as glaciações do Pleistoceno, tendo desde então vindo a expandir a sua área de distribuição. No entanto, num estudo recente de Sánchez-Montes et. al (em impressão) usando microsatélites foram encontrados níveis mais elevados de diversidade genética no norte da Península Ibérica, sugerindo esta área como refúgio glaciar. O esforço de amostragem estará na origem destes resultados contraditórios: o nosso estudo incluiu 85 indivíduos de 27 localidades, enquanto que o de Sánchez-Montes et. al se baseou em 248 indivíduos provenientes de 60 localidades. Adicionalmente, ao contrário do presente estudo, Sánchez-Montes et. al incluíram na sua amostragem indivíduos de localidades do sul de França. Há ainda que referir o uso de diferentes marcadores genéticos entre os estudos: Sanchéz-Montes et. al recorreram a uma combinação de DNA mitocondrial e de microssatélites específicos para esta espécie, sendo que os microssatélites apresentam uma taxa de mutação mais elevada que os SNPs, o que pode resultar numa diversidade genética mais elevada. Assim, o maior esforço de amostragem por parte de Sanchéz-Montes et. al, aliado ao uso de microssatélites, poderá explicar a diferença de resultados obtidos. Apesar de termos obtido correlações significativas entre distâncias genéticas e distâncias geográficas e ambientais, é de ressalvar que o nosso modelo teve um coeficiente de determinação relativamente baixo, o que indica que há mais variáveis explicativas para a distância genética entre populações, que não foram tidas em contas neste trabalho. Para melhorar futuros trabalhos recomendamos uma maior amostragem tanto em termos de locais amostrados como de indivíduos amostrados, acompanhada com uma maior resolução variáveis ambientais (1 x 1 Km, por exemplo) de forma a incluir possíveis microhabitats, e ainda a inclusão de um maior número de variáveis explicativas nos modelos de genética da paisagem, tais como: topografia, uso do território, massas de água e rodovias, um vez que outros estudos (tanto focados em H. arborea como em outros anfíbios já mostraram influência destas variáveis na dispersão dos mesmos).
Global decline of amphibian population has become a major concern for the scientific and conservation communities. With 41% of amphibian species currently classified has threatened with extinction, amphibians are one of the most threatened group in the planet. From a genetic point of view, amphibian populations generally have low effective size, which translates into a small amount of active breeders. Small populations are more prone to have low genetic diversity due to arbitrary genetic drift. Thus, being more likely to be affected by genetic drift and genetic diversity reduction. Habitat characteristics, such as elevation or geographical distance, can also impact amphibian genetic diversity by acting as a barrier to gene dispersal given the energy required to move between places. Landscape genetics encompass a sampling design focused in landscape characteristics and using a range of genetic and statistical tools to find patterns of genetic diversity that can be explained by one or several landscape/environmental characteristics Hyla molleri is an Iberian endemism, belonging to the Hylidae family whose origin and diversity is located in the neotropics. It was only in 2008 that Stock et al. showed that the Iberian population was distinct from the rest of the European populations. Before this official separation from H. arborea, Rosa & Oliveira (1994) studied the genetic differentiation between Hyla meridionalis and “H. arborea molleri”, and found very low values of genetic diversity, even suggesting that the samples could be perceived as the result of a single population with random mating, regardless of their distance. Since the official separation of H. molleri from H. arborea, few studies have been conducted on the species’ population structure and none of these studies has comprehensively studied the genetic population structure of the species across its entire range, or has had a sampling design that allowed for more robust conclusions. There is also a knowledge gap in environmental and geographical distance influence on genetic distances in this species. Therefore, this study aimed to: 1) Infer the spatial genetic population structure, across the whole range of H. molleri; 2) Analyse the influence of geographic and environmental distances on the distribution of the genetic diversity of H. molleri. Our results point to a genetic differentiation gradient between individuals from northern and southern populations of the Iberian Peninsula, as well as a between individuals in the center and peripheral areas of the species distribution. This pattern is further corroborated by the uncover of four ancestral populations. Greater genetic diversity was found in southern populations. Genetic distance was positively correlated with both geographical and environmental distances. This suggests that H. molleri took refuge in the southern part of the Iberian Peninsula and has expanded its range from there, with the northern range being the last to be occupied. However, in a recent study by Sánchez-Montes et. al (2018, unpublished) using microsatellites, higher genetic diversity was found in northern populations, suggesting that H. molleri glacial refugia were in fact located in the north part of Iberia. Sample size and genetic marker choice are the main suspects for these contradictory results. We suggest more sampling (both more individuals and localities) and adding other explanatory variables (e.g. topography, land cover, hydrologic map, road traffic, etc.), which have been found to affect similar amphibians’ distribution, in future works for a more complete analysis.
Global decline of amphibian population has become a major concern for the scientific and conservation communities. With 41% of amphibian species currently classified has threatened with extinction, amphibians are one of the most threatened group in the planet. From a genetic point of view, amphibian populations generally have low effective size, which translates into a small amount of active breeders. Small populations are more prone to have low genetic diversity due to arbitrary genetic drift. Thus, being more likely to be affected by genetic drift and genetic diversity reduction. Habitat characteristics, such as elevation or geographical distance, can also impact amphibian genetic diversity by acting as a barrier to gene dispersal given the energy required to move between places. Landscape genetics encompass a sampling design focused in landscape characteristics and using a range of genetic and statistical tools to find patterns of genetic diversity that can be explained by one or several landscape/environmental characteristics Hyla molleri is an Iberian endemism, belonging to the Hylidae family whose origin and diversity is located in the neotropics. It was only in 2008 that Stock et al. showed that the Iberian population was distinct from the rest of the European populations. Before this official separation from H. arborea, Rosa & Oliveira (1994) studied the genetic differentiation between Hyla meridionalis and “H. arborea molleri”, and found very low values of genetic diversity, even suggesting that the samples could be perceived as the result of a single population with random mating, regardless of their distance. Since the official separation of H. molleri from H. arborea, few studies have been conducted on the species’ population structure and none of these studies has comprehensively studied the genetic population structure of the species across its entire range, or has had a sampling design that allowed for more robust conclusions. There is also a knowledge gap in environmental and geographical distance influence on genetic distances in this species. Therefore, this study aimed to: 1) Infer the spatial genetic population structure, across the whole range of H. molleri; 2) Analyse the influence of geographic and environmental distances on the distribution of the genetic diversity of H. molleri. Our results point to a genetic differentiation gradient between individuals from northern and southern populations of the Iberian Peninsula, as well as a between individuals in the center and peripheral areas of the species distribution. This pattern is further corroborated by the uncover of four ancestral populations. Greater genetic diversity was found in southern populations. Genetic distance was positively correlated with both geographical and environmental distances. This suggests that H. molleri took refuge in the southern part of the Iberian Peninsula and has expanded its range from there, with the northern range being the last to be occupied. However, in a recent study by Sánchez-Montes et. al (2018, unpublished) using microsatellites, higher genetic diversity was found in northern populations, suggesting that H. molleri glacial refugia were in fact located in the north part of Iberia. Sample size and genetic marker choice are the main suspects for these contradictory results. We suggest more sampling (both more individuals and localities) and adding other explanatory variables (e.g. topography, land cover, hydrologic map, road traffic, etc.), which have been found to affect similar amphibians’ distribution, in future works for a more complete analysis.
Descrição
Tese de mestrado em Biologia da Conservação, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019
Palavras-chave
Hyla molleri Single Nucleotide Polymorphism Diversidade genética Estrutura populacional Genética de paisagem Teses de mestrado - 2019