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Paterno, Marta (2017) POPULATION GENOMICS APPROACH FOR THE STUDY OF CONNECTIVITY IN MARINE SPECIES. [Ph.D. thesis]

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Thesis not accessible until 31 July 2020 for intellectual property related reasons.
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Abstract (english)

MARINE CONNECTIVITY, SEASCAPE GENETICS and IMPLICATIONS for PROTECTED AREAS (MPAs)
Population connectivity is a keystone in a wide range of processes, including the shaping of population genetic structure, local and meta-population dynamics and the design of protected areas. Understanding the extent at which connectivity occurs is critical for the conservation of marine species and for the improvement of biological and ecological resources management. Genetic approaches are widely used as a powerful tool for the indirect inference of connectivity among populations of marine organisms, especially when the working-conditions makes the direct measure of dispersal pattern hard to quantify, such as the tracking of larval stage of benthic invertebrates. Despite their power, genetic isolation patterns can be difficult to explain, especially when the genetic differentiation is weak. The integration of genetic data with oceanographic feautures, the biology of species and the modelling of larval dispersal in a multidisciplinary approach, the so-called seascape genetics, can provide new insights into drivers shaping the spatial genetic variability of species. Worldwide, the anthropogenic activities have a strong negative impact to the marine ecosystem, causing coastal-habitat loss or fragmentation and the biodiversity depletion. Given the global extent of these phenomena, restoration of marine ecosystem is actually top conservation priority. Marine protected areas (MPAs), especially the no-take zones, have been increasingly identified as one of the most effective tool for conservation and management in reducing the alteration of marine ecosystem and mitigating the negative effect of human activities. The implementation of network of MPAs, where the individual protected areas can operate in synergy, could offer a greater protection at a wider spatial scale, leading more effectively the conservation goals than individual sites alone.
The European Commission funded CoCoNET project aimed to the identification of groups of putatively connected MPAs in the Mediterranean and the Black Seas, shifting from local to regional (Networks of MPAs) and basin (network of networks) scales. It adopted an interdisciplinary approach based on population genetics of 13 selected species, the modelling of the dispersal and the beta diversity.
In this thesis, 2 CoCoNET species were studied: the edible common sea urchin Paracentrotus lividus (Lamarck, 1816) and the Mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis (Lamarck, 1819). The 2b-RAD protocol was successfully used to processing hundreds samples as well as for genotyping of hundreds SNPs, that were used to evaluating the genetic structure of these 2 species in the CoCoNET study areas.
• A seascape genomics approach was applied to explore connectivity patterns of the sea urchin Paracentrotus lividus in the Mediterranean pilot area: the potential larval connectivity and retention (Lagrangian simulations) and the realized connectivity (genomic analyses) were assessed and compared with a focus on the Adriatic and Ionian seas. A total of 275 samples from 10 population samples of Western and Central Mediterranean Sea were processed with the 2b-RAD protocol, and 1122 Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) were genotyped and used for population genomics analysis. Lagrangian simulations was performed with a biophysical model of larval dispersal focused on the Adriatic-Ionian basins and it was integrated with features of the P. lividus larval phase (PLD, temperature constrain, reproductive timing). Genetic homogeneity was found among the eight population samples collected in the focal Adriatic-Ionian area, whereas a weak but significant differentiation was found with respect to two samples from the Western Mediterranean (France and Tunisia). This result was not affected by the few putative outlier loci identified in our dataset. Lagrangian simulations found a significant potential for larval exchange among the eight Adriatic-Ionian locations through a relatively persistent flux of propagules from each sites to its closest neighbor, mainly in a counterclockwise direction. Overall, these findings supported the hypothesis of connectivity of P. lividus populations in this area. We also compared our findings with previously published mitochondrial genetic data (cytochrome b gene) showing that our genome-scale SNPs dataset had a greater power in resolving the population structure of this species, providing solid and reliable indirect measures of connectivity, broadly in line with the predictions of Lagrangian simulations.
• The population genomics structure of the mussel Mytilus galloprovincialis was explored at different geographic scales (local and wide) in the Mediterranean and Black seas. The application of a genome-wide approach based on single nucleotide polymorphism (SNP) markers, a wide sampling design and a good sample size, allowed to overcome the previous limitations providing the first reliable biogeographic data concerning this species throughout its native range. A total of 19 population samples were analysed, 10 from the Mediterranean Sea and 9 from the Black Sea. To obtain the best resolution for the wide and the local scale, we obtained and investigated 3 different datasets: 1) the overall dataset (461 individuals, 512 polymorphic loci); 2) the Adriatic-Ionian dataset (201 individuals, 811 polymorphic loci) and 3) the Black Sea’s dataset (228 individuals, 998 polymorphic loci). A marked structuring between the Mediterranean and Blacks Seas was found, revealing that the Mediterranean and Black seas are genetically distinct, likely due to oceanographic constrains. In the Black Sea, a completely lack of genetic structure was detected, where the currents pattern and the long pelagic larval duration of this species probably ensure a good connection among the sampled locations. On the other hand, in the Mediterranean Sea, no signal of differentiation was found between the Western and Central, whereas the Central Mediterranean (the Adriatic-Ionian population samples) showed a weak genetic heterogeneity, that underlined an East-West differentiation in the Central Adriatic Sea, and a general homogeneity in the Southern Adriatic and Ionian seas among the Italian, Greek and Albanian localities. This pattern of genetic differentiation likely depends on the Adriatic gyral circulation, that prevents or allows the exchange of larvae, acting as barrier among some localities and determing a certain level of self retention in others.
Overall, connectivity data obtained so far in the CoCoNET framework revealed a heterogeneous mosaic of species-specific connectivity patterns throughout the targeted areas in Mediterranean and Black seas, ranging from the total absence of genetic differentiation (P. lividus) to the strong genetic structure even at a local scale (in the habitat former P. oceanica). Overall, the heterogeneity of connectivity patterns depends on species-specific peculiarities in relation to environmental features, and connectivity results so far obtained warns against any generalization in defining conservation units based on the results of the single species. The wide heterogeneity of species-specific connectivity outcomes suggests that the implementation of ecological effective networks of MPAs should standing on meta-community information across a range of spatial scales and a representative set of species to obtain a “collection of networks of genetic variation of all species within a community”.
LANDSCAPE GENETICS IN PARASITIC DISEASES
Neglected Tropical Diseases (NTDs) are a group of parasitic infectious diseases affecting worldwide approximately 2.7 billion people living in poverty, especially in the tropical areas. The NTDs pathogens have often a complex life-cycle, involving at least one host, including humans. A great heterogeneity exists in the dispersal ability, distribution and transmission routes of parasitic species, that are strongly influenced by ecological settings and landscape variation. Understanding how abiotic and biotic variables interact and affect the movements and distribution of parasites, hosts and vector species is key for predicting and controlling the disease spread. Trypanosoma cruzi is the most important parasite in Latin America, the infectious agent of Chagas disease, a NTD that caused around 14000 deaths annually. In Ecuador, where the Chagas disease is endemic, one of main insect vectors is the kissin bug Rhodnius ecuadoriensis.
In this thesis we worked on a pilot study regarding the vector Rhodnius ecuadoriensis based on 20 specimens collected from four communities in Ecuador, with the aims of i) testings the 2b-RAD protocol by assessing and comparing the effectiveness of three type IIB Restriction Enzymes: ii) generating several hundred SNPs markers for this species and iii) performing preliminary genomic analysis to test the efficacy of the identified SNP markers. The three type IIB Restriction Enzymes (AlfI, BcgI, and CspCI) resulted to be effective for processing Rhodnius ecuadoriensis genomic DNA samples and, as expected, the enzyme showing the most abundance of cutting sites (estimated via an in silico digestion of the Rhodnius prolixus genome) provided the smaller number fo usable molecular markers (AlfI). CspCI enzyme produced the largest amount of polymorphic markers whatever the read depth, thus evidencing its good experimental performance in R. ecuadoriensis and likely to other Rhodnius sp. Vectors. Preliminary population genomic analyses were performed with BgcI and CspCI datasets, and a signal of structuring among populations was detected. Specifically, Bayesian clustering detected two distinct clusters without previous location information, one of them was the most distant population (Bejuco) from the others 3 from Loja region, that clustered together. Our findings suggest that 2b-RAD genotyping is both a cost-effective and methodologically simple approach for generating high resolution genomic data for Chagas disease vectors with the power to distinguish between different vector populations at epidemiologically relevant scales.

Abstract (italian)

CONNETTIVITA’ MARINA, SEASCAPE GENETICS E IMPLICAZIONI PER LE AREE MARINE PROTETTE
La connettività di popolazione è la chiave di volta di un’ampia varietà di processi, tra i quali la determinazione della struttura genetica di popolazione delle specie, le dinamiche di popolazioni locali e meta-popolazioni e la progettazione di aree protette. Capire e definire le modalità con cui le popolazioni sono connesse e a che scala geografica la connessione avviene, è critico per la conservazione delle specie marine e per migliorare la gestione delle risorse marine economiche e biologiche. Gli approcci genetici sono ampiamente utilizzati come mezzo efficace per la stima indiretta della connettività tra popolazioni di organismi marini, specialmente quando le condizioni di lavoro rendono difficile lo studio diretto dei pattern di dispersione, come nel caso del tracking delle larve negli invertebrati bentonici. Nonostante il potere della genetica, i pattern di isolamento rilevati possono risultare di difficile interpretazione, soprattutto quando il differenziamento genetico osservato è debole. Integrare i dati genetici con le caratteristiche oceanografiche dell’area di studio, dati riguardanti la biologia delle specie e il modelling della dispersione larvale in un approccio multidisciplinare chiamato seascape genetics, può chiarire quali siano i fattori che determinano la distribuzione spaziale della variabilità genetica delle specie.
In tutto il mondo, le attività antropiche hanno effetti estremamente negativi sull’ecosistema marino, causando la perdita o la frammentazione degli habitat costieri e il depauperamento della biodiversità ad essi associata. Data l’estensione globale di questi fenomeni, il ripristino dell’ecosistema marino è una delle principali priorità target nell’ambito della conservazione. Le aree marine protette (MPAs) sono state riconosciute come uno dei mezzi più efficaci per conservare e gestire l’intero ecosistema marino, in quanto sono in grado di ridurre e mitigare gli effetti negativi causati delle attività umane. L’implementazione di network di MPAs, all’interno dei quali le singole aree marine protette possono agire in sinergia, potrebbe offrire una maggior protezione su ampia scala spaziale, agendo in modo più efficace rispetto a quanto possano fare le singole aree da sole.
Il progetto CoCoNET, finanziato dalla Commissione Europea, è un progetto che mirava all’identificazione di gruppi di MPAs putativamente connesse nel Mediterraneo e nel Mar Nero, sia su scala locale sia considerando l’intero bacino. Il progetto CoCoNET si proponeva di adottare un approccio multidisciplinare basato sulla genetica di popolazione di 13 specie, il modelling della dispersione larvale e la beta diversity.
In questa tesi sono state studiate 2 specie del progetto CoCoNET, il riccio di mare Paracentrotus lividus (Lamarck, 1816) e il mitilo del Mediterraneo Mytilus galloprovincialis (Lamarck, 1819). Per il processamento di centinaia di campioni e il genotyping di altrettanti polimorfismi a singolo nucleotide (SNPs) utilizzati per studiare la struttura genetica di popolazione delle 2 specie, è stato utilizzato il protocollo 2b-RAD.
• Per il riccio di mare P. lividus è stato utilizzato un approccio di seascape genomics nel Mediterraneo centrale: sono stati stimati e confrontati il potenziale di dispersione larvale e di retention (ottenuti con simulazioni di Lagrange) e la connettività realizzata (ottenuta con i dati genetici) con focus a livello dell’Adriatico e dello Ionio. Sono stati processati un totale di 275 individui da 10 campioni di popolazione provenienti dal Mediterraneo occidentale e centrale, e 1122 SNPs sonno stati genotipizzati ed utilizzati per le analisi di genomica di popolazione. Le simulazioni di Lagrange sono state condotte utilizzando un modello biofisico di dispersione larvale focalizzato nel bacino Adriatico-Ionico, che è stato integrato con caratteristiche dello stadio larvale di P. lividus (durata delle larve, influenza della temnperatura, periodo riproduttivo). Gli 8 campioni di popolazione campionati in Adriatico-Ionio sono risultati essere geneticamente omogenei, mentre è stato rilevato un lieve ma significativo differenziamento di queste 8 rispetto ai 2 campioni di popolazione provenienti dal Mediterraneo occidentale (Francia e Tunisia). Questo risultato non è stato influenzato dalla presenza di alcuni loci probabilmente sotto selezione direzionale. Le simulazioni di Lagrange hanno predetto uno scambio larvale potenziale tra gli 8 campioni di popolazione Adritico-Ionici attraverso un flusso di propaguli relativamente persistente da ogni sito, prevalentemente in direzione oraria. Complessivamente, i risultati ottenuti dalla genetica di popolazione e dalle simulazioni supportano ampiamente l’ipotesi di una buona connessione tra le popolazioni di P. lividus in quest’area.
• La struttura genomica di popolazione del mitilo M. galloprovincialis è stata esplorata su diverse scale geografiche nel Mediterraneo e Mar Nero. L’utilizzo di un approccio genome-wide basato su SNPs, un ampio campionamento e una buona dimensione dei campioni di popolazione hanno permesso di superare le limitazioni finora incontrate nell’ottenere dati biogeografici affidabili per questa specie all’interno del suo range di distribuziona nativo. Sono state analizzati 19 campioni di popolazione, 10 provenienti dal Mar Mediterraneo e 9 dal Mar Nero. Al fine di ottenere il miglior potere di risoluzione possibile sia su ampia scala sia su scala ridotta, sono stati utilizzati per le analisi 3 diversi dataset: 1) un dataset complessivo (461 individui, 512 loci); 2) un dataset adriatico-ionico (201 individui, 811 loci) e 3) un dataset per il Mar Nero (228 individui, 998 loci). È stato evidenziato un marcato differenziamento genetico tra il Mar Mediterraneo e il Mar Nero, probabilmente a causa di costrain oceoanografici. Nel Mar Nero è evidente una totale mancanza di struttura, probabilmente dovuta al pattern delle correnti e alla durata dello stadio larvale che permettono una buona connessione tra le popolazioni campionate. Dall’altro lato invece, non è stato notato differenziamento tra il Mediterraneo occidentale e quello centrale, mentre un certo grado di eterogeneità genetica è stato rilevata tra le popolazioni adriatico-ioniche, con un differenziamento est-ovest nell’Adriatico centrale e una relativa omogeneità tra le popolazone dell’Adriatico meridionale e dello Ionio. Il pattern di differenziamento osservato dipende probabilmente dalla presenza di gyres minori in aggiunta alla circolazione adriatica principale, che può favorire o impedire lo scambio di propaguli, fungendo da barriera al flusso genico tra alcune località e favorendo la self-retention in altre.
Complessivamente, i risultati ottenuti finora nel progetto CoCoNET hanno messo in luce un mosaico eterogeneo di pattern di connettività specifici per le diverse specie, che vanno dalla totale assenza di differenziamento come nel caso del riccio, alla forte struttura come nel caso dell’habitat former Posidonia oceanica. Questa eterogeneità può dipendere da peculiarità specie-specifiche messe in relazione a caratteristiche ambientali, e i dati di connettività finora ottenuti sconsigliano qualsiasi forma di generalizzazione basandosi sui risultati ottentui in una singola specie. Il quadro che sta emergendo suggerisce che la progettazione di network di MPAs ecologicamente efficaci debbano basarsi su informazioni ottenute a livello di comunità considerando un ampio range spaziale, e un set rappresentativo delle specie che vivono nell’area target.
LANDSCAPE GENETICS NELLE PARASSITOSI
Le malattie tropicali sono un gruppo di malattie infettive causate da parassiti che infettano quasi 3 milioni di persone in tutto il mondo, specialmente nei paesi poveri delle zone tropicali. I patogeni che causano questa malattie hanno solitamente un ciclo vitale complesso, che coinvolge almeno un ospite, compresi gli esseri umani. Esiste una grande variabilità nelle capacità di dispersione, nella distribuzione e nelle vie di trasmisisone delle specie parassite. Questa variabilità è fortemente influenzata dalle caratteristiche ambientali e del paesaggio. Capire come le variabili biotiche e abiotiche interagiscono e influenzano la distribuzione del parassita, dei loro ospiti e delle specie vettore è un fattore chiave per la predizione ed il controllo della diffusione di queste malattie. Il Tripanozoma cruzi è il parassita più importante del Sud America ed è l’agente infettivo del morbo di Chagas, una malattia tropicale endemica in molte regione dell’Ecuador dove uno dei principali vettori è la cimice ematofaga Rhodnius ecuadoriensis.
In questa tesi è stato prodotto uno studio pilota sul vettore R. ecuadoriensis utilizzando 20 individui campionati in 4 comunità dell’Ecuador, con lo scopo di i) testare il protocollo 2b-RAD utilizzando e confrontanto l’efficacia di 3 diversi enzimi di restrizione di tipo IIb, ii) ottenere un numero di marcatori SNPs sufficiente per iii) fornire delle analisi preliminari di genetica di popolazione per questa specie. I 3 enzimi testati (AlfI, BcgI, and CspCI) sono risultati efficaci nel processare il DNA genomico di questa specie e, come era atteso, l’enzima con il maggior numero di siti di riconosciemento (stimato tramite una restrizione in silico del genoma di Rhodnius prolixus) ha prodotto il minor numero di loci utilizzabili (AlfI). L’enzima CspCI ha prodotto il maggior numero di loci polimorfici a qualsiasi read depth considerata evidenziando così l’ottima performance di questo protocollo in questa specie e presumibilmente anche in altre specie appartenenti allo stesso genere. Le analisi preliminari di genetica di popolazione sono state condotte utilizzando i dataset ottenuti dagli enzimi BcgI e CspCI che sono stati in grade di evidenziare un certo grado di struttura genetica tra I 4 campioni di popolazione. Un clustering bayesiano, condotto senza l’informazione a priori riguardante le località, ha identificato la presenza di 2 cluster geneticamente distinti: uno rappresentato dalla popolazione geograficamente più distante rispetto alle altre (Bejuco), l’altro invece formato dalle altre 3 popolazioni che provenivano tutte dalla regione di Loja. Questi risultati evidenziano come il protocollo 2b-RAD sia una metodologia semplice ed efficace nel generare marcatori su scala genomica in uno dei principali vettori del morbo di Chagas, e come permetta di ottenere informazioni sulla struttura di popolazione di questa specie ad una scala rilevante a livello epidemiologico.

EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Zane, Lorenzo
Ph.D. course:Ciclo 29 > Corsi 29 > BIOSCIENZE E BIOTECNOLOGIE
Data di deposito della tesi:01 August 2017
Anno di Pubblicazione:31 July 2017
Key Words:NGS, landscape genomics, genetics, connectivity. epidemiology, paracentrotus lividus, mytilus galloprovincialis, rhodnius ecuadoriensis, 2b-RAD, MPAs, CoCoNET
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 05 - Scienze biologiche > BIO/07 Ecologia
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Biologia
Codice ID:10478
Depositato il:09 Nov 2018 14:26
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