RT Dissertation/Thesis
T1 Genómica poblacional de la adaptación paralela en el caracol marino "Littorina saxatilis"
A1 Rivas Quelle, Maria Jose
K1 2409 Genética
AB Distinguir la manera mediante la cual la selección divergente produce elaislamiento reproductivo es uno de los grandes retos del estudio de la especiaciónecológica. Como todavía se sabe muy poco de los genes implicados en los fenómenosde adaptación y de especiación, esta tesis propone elucidar la base molecular delaislamiento reproductivo y el mecanismo por el cual la selección natural generanuevas especies. Para ello se ha llevado a cabo el estudio en un caso de especiaciónecológica incompleta: el caracol marino Littorina saxatilis. Esta especie presenta dosecotipos viviendo a diferentes niveles de la costa gallega y parcialmente aisladosreproductivamente. El ecotipo RB vive en la parte alta del intermareal y es capaz deresistir el estrés de la desecación y la temperatura, mientras que el ecotipo SU es demenor tamaño y es capaz de soportar directamente fuertes perturbaciones físicas,como la acción de la marea. Un resultado sorprendente de este sistema es que estosecotipos han surgido en simpatría de forma independiente y repetida a lo largo de lacosta gallega en respuesta a un mismo gradiente ambiental. Aunque ya se hanrealizado estudios previos a nivel ecológico, morfológico y genómico, desconocemoslas bases genómicas de los cambios fenotípicos adaptativos. Tampoco disponemos deinformación sobre cómo la selección natural divergente podría haber afectando a losgenomas de estos ecotipos tanto a una escala evolutiva corta como larga, o en quémedida los cambios en la expresión de los genes podrían ser debidos a la selecciónnatural adaptativa. Es por ello que se desarrolló este trabajo en el que, mediante lautilización de técnicas ómicas, se caracterizó el impacto genómico de la selecciónnatural mediante el estudio de los patrones de polimorfismo y variación en secuenciay su relación con los niveles de expresión génica en poblaciones en las que estosecotipos han surgido de forma repetida e independiente.Una limitación de los estudios realizados hasta la fecha en este gasterópodomarino es que se basan en regiones no codificadoras y/o marcadores considerados apriori como neutrales (microsatélites, ADN mitocondrial) o con un bajo contenidoinformativo debido a su naturaleza dominante (AFLPs). Esta tesis se centra en la partecodificante del genoma y combina de forma exhaustiva técnicas de última generaciónpara poder estudiar la variación en secuencia y expresión de miles de genes y cientosde individuos de distintas poblaciones y localidades, con el objetivo de determinar elpapel de la selección natural en la adaptación y la especiación simpátrida en L.saxatilis. Además, a diferencia de otros estudios que se limitan a identificarmarcadores genéticos anónimos susceptibles de estar influidos por la selección, estetrabajo utiliza un enfoque en el que se combinan la genómica poblacional y funcional con el objetivo de determinar qué genes concretos podrían estar involucrados en losprocesos de adaptación y especiación.La primera parte de esta tesis se ha centrado en la caracterización deltranscriptoma de los ecotipos gallegos de L. saxatilis mediante la secuenciación de laparte codificante del genoma (RNA-Seq), con el fin de elucidar las adaptacioneslocales ocurridas en las poblaciones de L. saxatilis. Gracias a este experimento, se hadetectado un 0,36% de isotigs con diferencias de expresión entre los ecotipos RB y SUtras la correción multitest BH (Benjamini & Hochberg). Además, cerca de un 18% deestos isotigs fueron anotados e identificados, como por ejemplo el isotig que codificala proteína perlucina. Esta proteína compleja podría estar implicada en la formación ycrecimiento de la concha, permitiéndole a los moluscos obtener un tamaño de conchamás grande. El gen de la perlucina no se expresa en el ecotipo SU (poblaciones quehabitan en la zona baja del intermareal y que son de menor tamaño que los individuosRB), por lo que su expresión en el ecotipo RB posiblemente le permita alcanzar sumayor tamaño, una característica que mejora la adaptación a su entorno y favorece elaislamiento reproductivo. Han sido identificadas otras proteínas involucradas en lacontracción muscular, como la miosina y la twitchin, sin obtener datos de sobreexpresiónque apoyen la teoría comúnmente aceptada de que el ecotipo SU requiereun mayor metabolismo energético y un aumento en el nivel de energía disponiblecomo ATP para resistir el fuerte oleaje que es característico de su hábitat natural.Gracias a este experimento se ha aumentado considerablemente la anotación degenes funcionales en L. saxatilis que había hasta el momento. Además, lasecuenciación del transcriptoma ha permitido detectar una batería de SNPs (SingleNucleotide Polymorphisms) potencialmente implicados en las diferencias fenotípicas yen los procesos de adaptación y especiación incipiente de los ecotipos RB y SU, útilespara futuros estudios de adaptación ecológica.El hecho de que los pares de ecotipos divergentes de L. saxatilis ocupenhábitats contrastados en distintas regiones geográficas no es suficiente para inferirorigen paralelo y desconocemos en qué medida esta evolución fenotípica paralela esel producto de una evolución genética paralela y su escala a nivel genómico. Por ello,la segunda parte de esta tesis está orientada al uso de la tecnología de losmicroarrays para estudiar la base molecular de la evolución paralela de los ecotiposRB y SU en tres localidades alejadas geográficamente. Los microarrays se hanutilizado tanto para escanear el transcriptoma como el genoma, interpretando lasdistintas intensidades de señal de hibridación como expresión génica (en el caso detranscriptómica) o como variación en secuencia genómica o número de copias (en elcaso del escaneo genómico). Siguiendo la misma estrategia que en el primer capítulo, se compararon las diferencias de expresión génica y de variación en secuenciagenómica entre ecotipos de una misma localidad, añadiendo la comparación entredistintas localidades (Silleiro, Roncudo y Burela) para intentar inferir evoluciónparalela. Las diferencias de expresión y de secuencia encontradas fueron mayoresentre localidades que entre ecotipos, lo que sugiere que las localidades surgieronantes que los ecotipos, conforme a lo esperado bajo un modelo de evolución paralela.Además, los resultados mostraron una mayor diferenciación en expresión génica (22,2%) que en variación en secuencia genómica (7,5%) entre ecotipos, sugiriendo laactuación de factores evolutivos y/o ambientales de mayor intensidad en eltranscriptoma. A su vez, 146 genes y 354 sondas (sobre un 0,80% y un 0,30% detodos los genes/sondas estudiados) mostraron cambios paralelos en las treslocalidades (genes candidatos), usando el filtrado por señal y la corrección multitestSGoF. Estos bajos porcentajes sugieren que la historia demográfica de las localidadeses parcialmente independiente, pero a su vez el patrón de variación de los genescandidatos podría ser el fruto de la acción de la selección adaptativa convergente enrespuesta a un similar gradiente ambiental en las distintas localidades analizadas. Lanaturaleza adaptativa de los genes candidatos es también consistente con el hechode que la diferenciación geográfica de estos genes es muy superior a la observada enlos genes que no presentaron diferencias entre ecotipos dentro de cada localidad, ypor tanto éstos últimos serían más susceptibles de evolucionar de forma neutral. Lamayoría de los genes con cambios paralelos presentaron cambios direccionales (90%de cambios direccionales en los datos de expresión y un 83% en variación ensecuencia genómica), perteneciendo a diferentes grupos funcionales asociados alcrecimiento de la concha y la resistencia al estrés, entre otros, que podríandesempeñar un importante papel en la adaptación a los ambientes extremos quehabitan estos ecotipos. Además, solamente 13 genes mostraron cambios paralelosdireccionales tanto en expresión como en secuencia genómica, lo que denota unamarcada falta de dualidad entre ambos niveles, por lo que se deduce que los cambiosparalelos producidos en regiones reguladoras o efectoras actúan sobre genesdiferentes. De estos 13 genes se pudo identificar dos de ellos, asociados a lacodificación de la tubulina y al sistema hormonal.En el experimento de los microarrays se han encontrado muchos más genesque podrían estar implicados en la adaptación local (genes outliers específicos delocalidad) que genes implicados en la evolución paralela, sugiriendo que hay pocosgenes que se expresan de la misma manera en las distintas localidadessimultáneamente, por lo que los cambios evolutivos en especies sometidas apresiones selectivas similares podrían ser no predecibles. Referente a los genesoutliers, no se ha encontrado ninguna correlación entre sus anotaciones funcionales entre las distintas localidades. Solamente se observa en la localidad de Burela unmayor número de genes relacionados con el metabolismo energético. De todas formashabría que secuenciar los genes outliers y aplicar tests de neutralidad para comprobarrealmente si la selección está actuando sobre estos genes en cada localidad.En esta tesis se encontraron una serie de evidencias que refuerzan el papelcentral de la selección en L. saxatilis, es decir, la selección natural divergente comogeneradora de las diferencias morfológicas, ecológicas y de comportamiento que seobservan entre los ecotipos y localidades. Una de estas evidencias es la menorvarianza encontrada en los genes con cambios paralelos direccionales comparada conla de los no direccionales. De todas formas, no se puede descartar una posibleactuación de procesos estocásticos, ya que la selección natural divergente podríaestar co-actuando con la deriva genética en las poblaciones analizadas de L. saxatilis.Es por ello que, en la última parte de esta tesis, se desarrolla un método de detecciónde selección natural divergente en especies no modelo. Como L. saxatilis se encuentrabajo un escenario muy peculiar (es decir, poblaciones sometidas a seleccióndivergente y con flujo génico entre ellas), no existen métodos que de forma explícitamodelicen el impacto de la selección bajo este tipo de escenario evolutivo. Elfuncionamiento del nuevo método propuesto se analizó mediante la simulación porordenador de genomas de individuos diploides pertenecientes a dos poblacionessometidas a selección divergente y utilizando estimas empíricas de parámetrosdemográficos. Los datos simulados permitieron determinar y comparar la potenciaestadística del nuevo método propuesto para detectar selección natural, mostrandoun comportamiento parecido al de estadísticos similares, con la notable mejoría deque el estadístico propuesto puede aplicarse a especies de las que no se tengainformación suficiente de sus filogenias. Además, se observó un efecto de la posiciónnucleotídica sometida a selección sobre la capacidad de algunos métodos de detectarselección, encontrando que, cuanto más alejada esté la posición selectiva de losextremos del genoma, más eficientes y precisos son los métodos a la hora de detectarselección en dicha posición.En conclusión, se ha conseguido identificar y anotar un importante número degenes codificadores potencialmente adaptativos, combinando diferentes herramientaspara investigar varios niveles moleculares (variación en el transcriptoma y elgenoma), con el fin de determinar cuáles son los principales mecanismos molecularesque conducen fenómenos tan importantes como son la especiación y evoluciónparalela. Además, se ha conseguido desarrollar un estadístico mejorado para ladetección de selección divergente en especies no modelo
YR 2014
FD 2014-04-23
LK http://hdl.handle.net/11093/147
UL http://hdl.handle.net/11093/147
LA spa
NO Ministerio   de Economía y Competitividad
DS Investigo
RD 15-sep-2024