Morphological and genetic divergence of the mangrove gastropod Cerithidea decollata along the eastern coast of Africa

Tese de mestrado. Biologia (Ecologia Marinha). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Um dos principais focos da Biologia Evolutiva é compreender a origem e os processos pelos quais as populações de organismos divergem e se tornam distintas. A diversidade a nível intra-específico pode afectar os processos ecossistémicos, existindo evidências empíricas de que a estabilidade dos ecossistemas pode ser aumentada se existir uma elevada diversidade genética ou fenotípica das espécies. Como tal, a diversidade genética nas populações é importante, não apenas para o potencial evolutivo de uma espécie a longo prazo, mas também para a existência de flexibilidade face a alterações ambientais que afectam os processos ecológicos. Esta possibilidade tem implicações importantes em termos conservacionistas e merece um estudo mais aprofundado, sendo importante ter em conta que a análise da diversidade e diferenciação genética das populações irá providenciar informação fundamental para a conservação, permitindo a preservação da biodiversidade e uma melhor gestão dos recursos vivos. Nos ambientes marinhos, a estrutura genética populacional é influenciada pelos requisitos ecológicos específicos e pelo padrão de história vital dos organismos. Assim sendo, a diferenciação genética em organismos marinhos é altamente influenciada pela sua capacidade de dispersão e, consequentemente, pelo seu modo de reprodução. Para a maioria dos invertebrados marinhos, a chave para a compreensão da estrutura populacional, baseia-se, em parte, no conhecimento da sua dispersão, que, em geral, é muito limitada quando adultos. Dessa forma, a presença ou ausência de uma fase larvar planctónica tem-se mostrado um factor importante na determinação do grau de estruturação espacial das populações nestes organismos. A dispersão de estados larvares permite a troca de indivíduos e genes ao longo da extensão geográfica natural das populações, que pode ser contínua se não houver restrições à dispersão. Uma população distribuída continuamente pode aproximar-se da panmixia, ou pode ser caracterizada por um isolamento por distância, onde a troca de indivíduos e genes ocorre localmente. No entanto, pouco se sabe sobre a prevalência de isolamento por distância em diferentes espécies marinhas, e de que forma é que a variação no fluxo genético e distâncias de dispersão podem afectar a sua expressão a diferentes escalas geográficas. É necessário também ter em conta que factores ambientais podem influenciar a presença ou ausência de estruturação nas populações marinhas. Por exemplo, os padrões de circulação de massas de água, os regimes de temperatura e a topografia costeira afectam grandemente a estrutura populacional em ambientes costeiros, e podem oferecer muitas oportunidades de dispersão passiva. Os eventos de afloramento costeiro, regime de marés, e fluxo estuarino também podem influenciar a dispersão, a uma menor escala espacial. No entanto, muitos destes factores ambientais podem ter um efeito duplo: podem ser responsáveis pela dispersão de larvas planctónicas, actuando como corredores ao fluxo genético ou, alternativamente, podem funcionar como barreiras físicas ao fluxo genético. Assim, um elevado potencial de dispersão nem sempre se traduz em elevados níveis de fluxo genético, e as espécies podem não atingir o seu potencial de dispersão devido a mecanismos de retenção local. Pensa-se, actualmente, que é possível que o nível de estruturação genética se reflicta em diferenças a nível fenotípico. No entanto, a contribuição relativa de factores genéticos e ambientais para a expressão fenotípica não foi ainda resolvida. O mesmo se verifica em relação a factores físicos e biológicos que se pensa promoverem a diferenciação morfológica entre populações contíguas, e que são ainda pouco compreendidos. As espécies exibem, muito frequentemente, variações espaciais e temporais nas suas características morfológicas, e, uma vez que têm sido detectadas grandes diferenças entre populações que habitam locais e ambientes diferentes, a determinação das bases para a diferenciação fenotípica é fundamental para a compreensão da evolução dos organismos. Neste sentido, neste estudo recorreu-se ao uso de dados genéticos e morfológicos, que permitem fazer a interpretação de padrões de variabilidade, permitindo investigar-se a fonte duma possível variação inter-populacional e, também, reconhecer (ou não) a existência de grupos discretos de indivíduos ao longo de áreas costeiras. Mais especificamente, pretendeu-se inferir sobre o fluxo genético na espécie Cerithidea decollata, nos mangais costeiros do Leste Africano, à luz dos padrões putativos de transporte pelas correntes marinhas. A análise separada destes dois tipos de dados irá ajudar a estabelecer até que ponto é que os factores ambientais influenciam a expressão de variabilidade fenotípica em C. decollata, assim como melhorar a compreensão da biogeografia da espécie. O foco da investigação resume-se na avaliação dos padrões filogeográficos da espécie através da análise de marcadores genéticos (sequências parciais do gene mitocondrial da citocromo oxidase I - COI) e de informação quantitativa morfométrica da concha, revelando os níveis de diversidade populacional. O estudo foi realizado ao longo de um gradiente geográfico latitudinal: toda a costa leste Africana (desde o Quénia à República da África do Sul). A informação sobre a estrutura das populações destes gastrópodes dos mangais irá contribuir para um progresso na área da biologia evolutiva, uma vez que os factores mais importantes na formação das estruturas filogeográficas actuais deste género são ainda pouco conhecidos. Esta tese é constituída por 3 partes distintas: uma introdução geral (capítulo 1), uma investigação específica (capítulo 2) e as conclusões finais (capítulo 3). O trabalho científico desenvolvido resultou num artigo científico, a submeter numa revista internacional indexada. No capítulo 2, averiguou-se as diferenças na forma da concha dos espécimes das 32 localidades amostradas através de técnicas de morfometria geométrica, recorrendo a análise de imagem e análises estatísticas. Os resultados indicam que existe uma convergência na forma da concha, e que os diversos morfotipos se sobrepõem ao longo do gradiente em estudo. No entanto foi revelada uma variação significativa entre localidades, indicando que, para a espécie em causa, existe maior variabilidade morfológica a mesoescalas espaciais do que a macroescalas espaciais. Este padrão é provavelmente uma consequência da similaridade de condições ambientais a que os indivíduos estão expostos ao longo do gradiente, levando a uma convergência de formas entre as diversas regiões geográficas – a uma macroescala geográfica (norte, centro e sul do gradiente), mas a acção de factores mais locais pode levar a alguma diferenciação entre localidades. Relativamente à análise genética, utilizaram-se sequências parciais do gene COI, sequenciadas a partir de 172 indivíduos distribuídos por 30 populações ao longo da costa. Uma primeira análise exploratória revelou elevada variação nas diversidades haplotípica e nucleotídica consoante a população. A rede de haplótipos revelou a existência de relações complexas entre haplótipos, resultando numa estruturação genética populacional moderada ao longo da costa, o que foi confirmado pelas análises de variância molecular (AMOVAs). Investigou-se também a história demográfica dos grupos filogeográficos definidos, através de testes de neutralidade e análises da distribuição das frequências das diferenças genéticas encontradas. Os resultados foram consistentes com a hipótese de expansão demográfica recente a norte do gradiente (Quénia, Tanzânia, Moçambique norte), o que tem sido verificado também para outras espécies do oceano Índico. Para as zonas centro (Moçambique centro) e sul do gradiente (Moçambique sul e Républica da África do Sul), os resultados sugerem vários eventos de colonização. Verificou-se ainda a existência de uma correlação significativa entre distâncias genéticas e geográficas. Visto que se prevê uma elevada capacidade de dispersão para esta espécie, por possuir estados larvares planctónicos de 2-3 semanas, estes resultados indicam a possibilidade de um isolamento por distância devido a barreiras físicas, havendo um factor de interacção entre a hidrologia costeira e a conectividade das populações. Combinando os resultados provenientes da análise de morfometria geométrica e da análise genética, observa-se que estes apontam para a existência de uma certa independência entre a variabilidade genética e morfológica observadas. Na realidade, as diferenças genéticas obtidas não se traduziram em diferenças significativas na forma da concha, sendo que a variação desta última se pode dever à existência de plasticidade na expressão de fenótipos, ainda que isso não seja possível de demonstrar recorrendo apenas ao dados deste estudo. A combinação de métodos morfométricos com a genética molecular mostrou ser uma ferramenta robusta para analisar a diferenciação das populações em diversos aspectos, permitindo aumentar o conhecimento sobre diferenciação populacional desta espécie marinha, que poderá eventualmente fornecer uma base para o desenvolvimento de outros estudos relacionados. Foram evidenciados os possíveis factores que levam à divergência genética e morfológica das populações, numa escala espacial muito abrangente, fornecendo informação sobre os padrões de diversidade na costa Leste Africana. Por fim, recomenda-se que este estudo, e outros estudos do mesmo tipo, possam ser aprofundados através de análises complementares que permitam estudar os níveis de diferenciação ecológica e adaptativa entre populações, para que se possa compreender melhor a influência de factores ambientais na evolução das espécies.In this study I aimed to investigate the sources of a possible inter and intra population variation and the existence of discrete groups of individuals in the mangrove gastropod Cerithidea decollata along the eastern coast of Africa. The combined analysis of morphometric and genetic data helped to improve the comprehension of the population genetic structure and phylogeography of the species. The assessment of shell shape variation revealed a convergence of morphological characteristics with an overlap of shape across the latitudinal gradient in study. However, significant differences were found among sampling localities, showing that most variation in shape occurs at meso spatial scales but not at macro spatial scales. This pattern is most likely a consequence of the similarity of environmental conditions to which specimens are exposed along the coast, leading to a convergence of shell shape across the gradient. Nevertheless the action of specific local pressures may lead to some shape variation among locals. Regarding the genetic analysis, I used partial sequences of the mitochondrial gene cytochrome oxidase I (COI) sequenced from 172 individuals distributed by the populations along the coast. The network analysis showed the existence of a moderate population genetic differentiation along the coast, which was confirmed by the molecular variance analyses. The demographic history of the defined groups was also investigated using neutrality tests and mismatch distributions. The results were consistent with the sudden expansion hypothesis for the northern region of the gradient, which has also been observed for other species inhabiting in the Indian Ocean. A correlation between genetic and geographic distances was also observed. Once it was predicted a high dispersal ability for C. decollata, due to its planktonic larval stage of 2-3 weeks, these results indicate the possibility of isolation by distance as consequence of physical barriers with the existence of a correlation between coastal hydrology and population connectivity. The predominant mechanisms that lead to population differentiation include a combination of factors, such as dispersal ability of the species, ocean currents, habitat discontinuities, phenotypic plasticity, physical barriers and geographical distance. The information about the population structure of this mangrove gastropod will contribute to a progress in evolutionary biology, once the determinant factors in the formation of the actual phylogeographic structures of this kind still remain unsettled