Divergencia entre especies simpátricas : barreras al flujo génico intra e interespecífico en tres especies del género Nothofagus (N. pumilio, N. antarctica y N. dombeyi).

Abstract

El origen y la distribución de la variación genotípica y fenotípica es un tema central de la biología evolutiva. El concepto de aislamiento entre poblaciones es común a muchas definiciones de especie, pero la historia y el mantenimiento de ese aislamiento han sido y son intensamente discutidos. Los modelos geográficos de especiación plantean dos escenarios opuestos para la divergencia: alopatría y simpatría. La especiación alopátrica propone que la divergencia entre linajes ocurre por aislamiento geográfico mientras que la simpátrica tiene lugar bajo potencial flujo genético. Las especies de Nothofagus subgénero Nothofagus (Nothofagaceae, Fagales) son un excelente sistema para el estudio de estos modelos de especiación y divergencia. En Patagonia Norte, las especies deciduas N. antarctica y N. pumilio y la siempreverde N. dombeyi son simpátricas en muchas porciones de su rango de distribución. Son capaces de hibridar, pero se diferencian ecológica, morfológica y genéticamente mediante secuencias nucleares ITS, pero secuencias neutrales del cloroplasto muestran linajes geográficos ubicados al norte y al sur de la región 42°S a 43°S en donde coexisten en simpatría. Se ha asociado esta divergencia del cloroplasto a ingresiones marinas contemporáneas a la radiación de las especies. Estudiamos el mantenimiento de las barreras reproductivas entre y dentro de especies mediante: (1) el análisis comparativo de sus fenologías; (2) ensamblado, anotado y análisis filogenético de los genomas de representantes de las distintas especies y haplotipos de cloroplasto presentes en la zona 42°S a 43°S; (3) estudios de genómica de poblaciones basados en marcadores SNP (polimorfismos de nucleótido único) y secuencias no codificantes trnH-psbA del cloroplasto; (4) el análisis funcional de la variación fenológica, la divergencia entre especies y haplotipos de cloroplasto. Detectamos fuertes barreras reproductivas precigóticas (fenológicas) entre especies: en simpatría son alocrónicas y la distancia fenológica responde a la variación climática, climas fríos la reducen y cálidos la aumentan. Los genomas de cloroplasto son muy uniformes en cuanto a contenido génico y estructura en todo el subgénero. Las filogenias basadas en marcadores SNP muestran clados que coinciden con las especies. Los marcadores asociados a especies y haplotipos muestran un aislamiento significativo pero los marcadores no asociados sugieren intercambio genético fuerte entre haplotipos de cloroplasto y moderado entre especies. El análisis funcional de los marcadores asociados a haplotipos muestra la naturaleza adaptativa de esta divergencia, aunque no existen barreras fenológicas entre ellos y el flujo génico entre linajes de cloroplasto es elevado. Las barreras fenológicas en Nothofagus son permeables, dependen de la elevación y del régimen climático. Nuestros estudios muestran regiones del genoma fuertemente diferenciadas entre especies (algunas de ellas con funciones biológicas conocidas) y otras compartidas que sugieren eventos de hibridación. La adaptación ecológica a un ambiente espacial y temporalmente heterogéneo como la Patagonia ejerce barreras reproductivas que han impactado sobre las especies de Nothofagus las cuales pueden considerarse entidades dinámicas que probablemente han hibridado y divergido durante su historia evolutiva.

The origin and distribution of genotypic and phenotypic variation is a central topic in evolutionary biology. The concept of isolation between populations is common to many species’ definitions, but the history and maintenance of such isolation have been and are intensely debated. Geographic models of speciation pose two opposing scenarios for divergence: allopatry and sympatry. Allopatric speciation proposes that lineage divergence occurs due to geographic isolation while sympatric speciation takes place under potential gene flow. The species of Nothofagus subgenus Nothofagus (Nothofagaceae, Fagales) are an excellent system for studying these patterns of speciation and divergence. In Northern Patagonia, the deciduous species N. antarctica and N. pumilio and the evergreen N. dombeyi are sympatric in many portions of their range. They are able to hybridize, but differ ecologically, morphologically, and genetically by ITS nuclear sequences, but neutral chloroplast sequences show geographic lineages located north and south of the 42°S to 43°S region where they coexist in sympatry. This divergence of the chloroplast has been associated with contemporary marine ingressions to the radiation of the species. We study the maintenance of reproductive barriers between and within species through: (1) the comparative analysis of their phenologies; (2) assembly, annotation, and phylogenetic analysis of the genomes of representatives of the various species and chloroplast haplotypes present in the zone 42°S to 43°S; (3) population genomic studies based on SNP markers (single nucleotide polymorphisms) and chloroplast trnH-psbA non-coding sequences; and (4) functional analysis of phenological variation, interspecies divergence, and chloroplast haplotypes. We detected strong prezygotic (phenological) reproductive barriers between species: in sympatry they are allochronic and the phenological distance responds to climatic variation, cold climates reduce it and warm ones increase it. Chloroplast genomes are highly uniform in gene content and structure across the subgenus. Phylogenies based on SNP markers show clades that match the species. Species-associated and haplotype-associated markers show significant isolation but non-associated ones suggest strong genetic exchange between chloroplast haplotypes and moderate between species. Functional analysis of haplotype-associated markers shows the adaptive nature of this divergence, although no phenological barriers exist and gene flow between chloroplast lineages is high. Phenological barriers in Nothofagus are permeable, dependent on elevation and climatic regime. Our studies show strongly differentiated regions of the genome (some of them with known biological functions) between species and other shared ones that suggest hybridization events. The ecological adaptation to a spatially and temporally heterogeneous environment such as Patagonia exerts reproductive barriers that have impacted Nothofagus species, which can be considered dynamic entities that have probably hybridized and diverged during their evolutionary history.