Implicaciones de la dispersión actual e histórica para la biología evolutiva y conservación de Artemia y otros invertebrados acuáticos con estadio de diapausa

Resumen

RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE Joaquín Muñoz García Los ecosistemas no marinos aislados hidrológicamente entre si, como lagunas, salinas y cuerpos de aguas temporales, se caracterizan por tener una alta variación e inestabilidad en sus parámetros abióticos. Para afrontar estas características ambientales, ciertos organismos invertebrados producen durante su ciclo de vida huevos en un estadio estacionario del desarrollo (embriones enquistados) permitiéndoles sobrellevar las condiciones desfavorables (bióticas y/o abióticas) para su desarrollo, permaneciendo vivos pero sin eclosionar (huevos de resistencia, huevos diapausa, o quistes). Estas estructuras de resistencia son capaces de soportar condiciones ambientales extremas y formar bancos de quistes en un estadio de dormancia, similar a los bancos de semillas, en los sedimentos del hábitat que ocupan. La función principal de los huevos de resistencia es asegurar la persistencia de la población, pero igualmente importante es el papel que cumplen como propágulos de dispersión. El viento y las aves acuáticas son los principales vectores de dispersión de los huevos de resistencia entre los distintos cuerpos de agua. Estas características tan peculiares definen a estos organismos como invertebrados acuáticos con estadio de diapausa y dispersión pasiva'. En líneas generales, en los invertebrados acuáticos con dispersión pasiva podemos encontrar tres modos distintos de reproducción: Sexual obligada (machos/hembras), partenogénesis obligada (hembras) y partenogénesis cíclica (machos/hembras). Por otro lado, tanto la teoría como ciertas evidencias empíricas, predicen distinta capacidad de adaptación a las condiciones ambientales locales dependiendo del tipo de reproducción que desarrolle cada especie. Estos aspectos evolutivos tienen una implicación directa sobre la estructuración genética de sus poblaciones presentando una aparente paradoja entre el alto potencial de dispersión y el reducido flujo génico entre poblaciones encontrado. Los trabajos más recientes, incluida esta Tesis, muestran un alto endemismo regional y local de linajes genéticos dentro de especies. Cabe destacar que las especies que presentan dichos patrones de diferenciación geográfica entre sus linajes genéticos tienen reproducción sexual obligada o partenogénesis cíclica, mientras que las especies con reproducción partenogenética obligada presentan un patrón diferente, pudiendo encontrarse distribuidos en un amplio rango geográfico. Un factor, relativamente reciente, a tener en cuenta en la dispersión de estos organismos es el transporte de huevos de resistencia mediado por actividades antropogénicas. En algunos casos estas introducciones accidentales consiguen establecerse con éxito en un nuevo rango geográfico no nativo convirtiéndose en especies invasoras, provocando en ocasiones el desplazamiento y la extinción local de especies autóctonas, cambios en la dinámica de los ecosistemas afectados y causando graves pérdidas económicas, impactos todos ellos difíciles de solventar. Un modelo de estudio: Artemia Desde su descripción por Linneo (1758) en Lymington (UK), Artemia (Crustáceo Braquiópodo Anostrácodo) se ha considerado un organismo modelo para estudiar diversos aspectos biológicos como toxicología ambiental, caracterización cromosómica, tasas de evolución genética y relaciones filogenéticos, adaptación y resistencia a la salinidad, especiación, hibridación y evolución de la reproducción sexual y asexual. Así, Artemia ha sido denominada de manera simbólica por algunos autores como la Drosophila acuática por sus cualidades de manejo y experimentación en laboratorio, y debido a su carácter cosmopolita, taxonomía relativamente simple y utilidad como organismo modelo ha sido objeto de varios libros monográficos. Aunque los aspectos genéticos, filogenéticos y evolutivos del género han sido estudiados desde los años 80, aún a día de hoy siguen existiendo debates sobre la descripción taxonómica de las distintas especies y surgiendo nuevos linajes genéticos. Por ejemplo, la especie A. tibetiana fue descrita como un nuevo taxon hace a penas 10 años. Actualmente estudios asistidos por las nuevas técnicas moleculares, incluida la presente tesis, plantean una re-evaluación taxonómica del género proponiendo nuevos linajes genéticos para su revisión. El género Artemia, comúnmente llamado camarón de salmuera (brine shrimp' en inglés), tiene reconocido seis especies con reproducción sexual obligada y varios linajes partenogenéticos obligados con distinto grado de ploidía. Las especies sexuales tienen una clara delimitación geográfica, mientras que las partenogenéticas se encuentran distribuidas de forma global excepto en el continente Americano. Son organismos ovovivíparos cuando las condiciones son favorables para su desarrollo, y forman huevos de resistencia (quistes) en condiciones ambientales adversas (ovíparos). Artemia está catalogada como un organismo halofílico extremo pudiendo soportar concentraciones salinas hasta 10 veces la salinidad del mar (entre 45 g/L 370 g/L). Los hábitats hipersalinos ocupados por Artemia se encuentran separados, física e hidrológicamente, formando parches (islas ecológicas') distribuidos tanto en áreas costeras como de interior. De entre las especies comprendidas en el género Artemia, la más estudiada ha sido A. franciscana. Esta es una especie sexual originaria del continente Americano cuyos quistes han sido comercializados en todo el mundo desde los años 50 como alimento para peces alevines cultivados en piscifactorías. Su gran interés económico ha sido el principal incentivo para optimizar en esta especie las formas RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE Joaquín Muñoz García -3- de obtener mayores rendimientos estudiando aspectos sobre su fertilidad o contenido en ácidos grasos. Sin embargo, su carácter invasor en áreas no nativas, debido principalmente a la inoculación accidental por efluentes procedentes de la acuicultura, ha sido demostrado en regiones como la Cuenca Mediterránea, Australia, Irán, China y Japón. Directa o indirectamente este hecho ha sido un impulso para abordar estudios sobre la genética de poblaciones, análisis filogenéticos y filogeográficos, e implicaciones de la invasión en otras especies de Artemia, proporcionando datos novedosos sobre la diferenciación genética entre poblaciones, endemismos genéticos, especiación e hibridación. Estructuración y cuestiones que aborda esta Tesis Doctoral Esta Tesis se enmarca en aspectos ecológicos y evolutivos como la Filogeografía, Evolución de poblaciones asexuales, Invasiones biológicas, y Biodiversidad y Conservación enfocados sobre distintas especies de Artemia con reproducción sexual y asexual, relacionándolas con otras especies de invertebrados acuáticos con estadio de diapausa. Esta memoria incluye algunos de los avances recientes en estudios sobre las implicaciones evolutivas de la dispersión y estructuración poblacional en anostrácodos así como patrones de invasión de la especie invasora A. franciscana. Esta Tesis se estructura en los siguientes capítulos, que corresponden a trabajos científicos ya publicados o en vías de publicación: Capítulo 1: Metodología. Los trabajos en Ecología Molecular sobre organismos para los que las técnicas y métodos están poco desarrollados requiere una tarea inicial de desarrollo y optimización para aplicarlos a posteriori. En este capítulo se describen y caracterizan dos herramientas necesarias. Por un lado, se optimiza y describe un método de extracción de ADN a partir de huevos de resistencia para su uso en técnicas que utilicen la PCR, aplicable a una variedad de invertebrados acuáticos. Y por otro lado, se describen y caracterizan los primeros marcadores microsatélites polimórficos desarrollados en Artemia. Estos trabajos están publicados en Limnol & Oceanogr: Methods (2008) 6, 218-222 y Mol Ecol Res (2009) 9(2), 574-550, respectivamente. Capítulo 2: Filogeografía. Este capítulo analiza la diversidad genética de la especie sexual A. salina en toda su distribución geográfica, encontrando una alta estructuración poblacional a lo largo de toda la región Mediterránea. Así mismo, se define un linaje altamente divergente en Sudáfrica proponiendo su reevaluación taxonómica. A pesar de que las poblaciones de Artemia han estado íntimamente relacionas a la producción de sal por parte del hombre durante milenios, los resultados obtenidos en este capítulo sugieren que su diversidad y estructuración genética no ha sufrido un impacto detectable por el manejo tradicional de las salinas que ocupa. Este trabajo está publicado en Mol Ecol (2008) 17, 3160-3177. Capítulo 3: Origen e historia de la partenogénesis. En este capítulo se analiza la diversidad genética de una estirpe partenogenética de Artemia. Como es esperado en organismos con reproducción partenogenética obligada, la estirpe diploide partenogenética de Artemia muestra una diversidad muy reducida y haplotipos mitocondriales que son compartidos por la mayoría de las poblaciones a lo largo de todo su amplio rango de distribución geográfica. Los pocos haplotipos encontrados y la enorme similitud entre ellos sugieren una rápida expansión geográfica de esta estirpe desde su origen. Adicionalmente, los resultados obtenidos apuntan a la localización geográfica del origen de la partenogénesis en este género en Asia Central, a diferencia de lo que había sido sugerido hasta ahora postulando su origen en el Mediterráneo. Actualmente este trabajo está en revisión en la revista PLoS ONE. Capítulo 4: Invasiones biológicas. Al establecimiento exitoso de las poblaciones introducidas por el hombre le sigue un proceso de dispersión natural (corrientes de agua, viento, aves). Este hecho tiene consecuencias importantes a la hora de controlar y abordar los problemas de invasiones biológicas dificultando el manejo de zonas de interés para los programas conservación. Detectar los patrones generales de colonización, invasión y dispersión de las especies exóticas es actualmente uno de los principales objetivos perseguidos en biología de la conservación. Este capítulo analiza los patrones de colonización y dispersión en la región Mediterránea de la especie invasora A. franciscana, nativa de América. Los datos genéticos obtenidos en este trabajo indican varios patrones de colonización y dispersión en este anostrácodo: introducción múltiple, introducciones puntuales; y un patrón de dispersión y transporte llevado a cabo por aves desde poblaciones invadidas a nuevas zonas. Los resultados de este trabajo están en formato manuscrito pendiente de envío. Capítulo 5: Biodiversidad y conservación. Esta última parte de la memoria de Tesis está basada en aspectos conceptuales y biogeográficos utilizando datos bibliográficos previamente publicados por otros autores y datos propios. En este capítulo, por un lado se evalúa y actualiza a escala global la diversidad y distribución geográfica de los distintos linajes y taxones del género Artemia, así como las implicaciones de dicha información para la conservación y manejo de los humedales salinos. Por otro lado, se discuten algunos de los procesos principales RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE Joaquín Muñoz García -4- que configuran los patrones de distribución genética en los humedales de interior y que determinan la biodiversidad y distribución geográfica en invertebrados acuáticos, haciendo especial énfasis en la necesidad de estudios a gran escala geográfica para comprender la dinámica de sus poblaciones e implicaciones en conservación. Los trabajos tratados en este capítulo están publicados en Crustaceana (2010) 83(4), 465-480 y J Nat Cons (2010) 18, 55-62, respectivamente.