Espécies invasoras - abordagens ecológicas e genômicas para compreender a adaptação local e os estágios iniciais da especiação alopátrica

Abstract

Tese de Doutoramento em Biociência, especialização em Ecologia, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraInvasive species are a threat to biodiversity and economy, and extremely challenging to eradicate once established. Much research in invasion ecology had focused on understanding the factors behind invaders’ success in new environments relative to the native range, formulate invasion theories, predict species abundance and occurrence, and provide management solutions. Nowadays, the new advancements in genomic tools and sequencing technologies make possible to disentangle some of the underlying evolutionary processes of trait divergence and rapid adaptation characterizing species introduction and invasion in new habitats. The aim of this thesis was to explore the ecological and genomic basis of rapid adaptation and evolution in the invasive annual forb Centaurea solstitialis (yellow star-thistle), across its worldwide distribution, including sites in the native range (Turkey and Spain) and introduced range (Argentina, Chile, USA and Australia). The thesis focuses on four main directions: i) assessing the role of polyploidy and genome size on species success; ii) testing the allelopathic potential of leaf leachates iii) screening for reproductive isolation in allopatric populations, and iv) evaluating the adaptive phenotypic and genomic potential of introduced populations. In the introduction, I developed a brief systematic review by compiling information on the studies published in Centaurea solstitialis and indexed in the Web of Science during the past 70 years, to assess the current state of knowledge in this species. I identified a number of 365 relevant papers mostly with an ecological focus and having USA as the geographical region of the study. In the first chapter, I used flow cytometry to test the hypothesis that variation in genome size and changes in ploidy levels promote C. solstitialis invasion in the introduced range. I found no shifts in cytotype and similar genome size across native and non-native ranges, excluding the contribution of these factors to species invasiveness. Chapter II explored biogeographical variation in leaf allelochemical production and its effects on phytometer species between the two ranges, using three different leaf extract concentrations (0.25%, 0.5% and 0.75%) and germination bioassays tests. I found that C. solstitialis leaf leachates can have alellopathic potential, exhibiting substantial variation in chemical composition and inhibitory effects across regions. Results suggest that different selection pressures can act on the biochemical profiles in different regions. Chapter III utilized a novel approach in this study system by experimentally producing F1 hybrids of within-region and inter-region crosses to test for reproductive isolation. Results revealed a global mosaic of reproductive incompatibilities and fertilities with asymmetrical responses to inter-continental gene flow. Most negative and strong fitness interactions occurred in the Americas suggesting local adaptation and reinforcement against foreign pollen. In contrast, native Spain showed a preference for non-native pollen resulting in boosts in fertility. Results from this study show that reproductive isolation can emerge relatively fast in allopatry. The final chapter of my thesis explored the role of natural selection in species evolution in the introduced range by measuring neutral genetic differentiation (FST) at thousands of genome wide single nucleotide polymorphisms (SNPs) markers and comparing it with phenotypic differentiation (PST), in a common garden experiment. I also screened for SNPs under selection and performed gene annotation. Based on these data, introduced populations in California, USA had significantly higher PST for seed mass than FST, compared to the two native regions as well as non-native Chile, suggesting that increased seed size had evolved post-introduction in California. Moreover, phenotypic divergence in flowering time and spine length exceeded neutral expectation in the comparison between California and Australia. My research also shed light on the genes likely to be involved in invasiveness, revealing genes associated to regulatory processes and response to environmental stressors. This suggests local adaptation in introduced populations, and reveals the importance of traits related to reproduction and possibly of epigenetic factors in shaping C. solstitialis evolution. Taken together, the results of my PhD thesis have demonstrated the crucial aspect of incorporating biogeography in studying biological invasions, in order to capture variability in factors and processes important for species success in different regions, and pioneers the use of experimental inter-regional crosses to illustrate how gene flow and local adaptation interact across large geographical scales.As espécies invasoras são uma ameaça para a biodiversidade e a economia, sendo extremamente complicado erradicá-las uma vez estabelecidas. A maioria da investigação em ecologia da invasão focou-se em perceber os fatores inerentes ao sucesso das espécies invasoras em novos habitats em comparação com a área nativa, em formular teorias sobre a invasão, em prever a abundância e ocorrência de espécies, e em providenciar soluções de gestão. Hoje em dia, os avanços em ferramentas de genómica e em tecnologias de sequenciação tornam possível desvendar alguns dos processos evolutivos inerentes à divergência de características assim como perceber a adaptação rápida que caracteriza a introdução de espécies e a invasão de novos habitats. Os objetivos desta tese foram explorar a base ecológica e genómica da adaptação rápida e evolução na espécie invasora anual Centaurea solstitialis (cardo-estrelado amarelo), ao longo da sua distribuição à escala global, incluindo populações das áreas nativa (Turquia e Espanha) e invadidas (Argentina, Chile, EUA e Austrália). A tese foca-se em quatro direções principais: i) avaliação do papel da poliploidia e tamanho de genoma no sucesso da espécie; ii) teste do potencial alelopático de lixiviados foliares; iii) avaliação do isolamento reprodutivo em populações alopátricas; e iv) avaliação da potencial adaptativo fenotípico e genómico das populações introduzidas. Na introdução, desenvolvi uma breve revisão sistemática através da compilação de informação sobre os estudos publicados em Centaurea solstitialis e indexados na “Web of Science” durante os últimos 70 anos, para avaliar o estado atual do conhecimento nesta espécie. Identifiquei 365 artigos relevantes com um foco ecológico e tendo os EUA como área geográfica de estudo. No primeiro capítulo, utilizei a citometria de fluxo para testar a hipótese que a variação no tamanho do genoma e alterações nos níveis de ploidia promovem a invasão de C. solstitialis na área onde foi introduzida. Não foram encontradas alterações no citotipo, enquanto que o tamanho do genoma foi semelhante ao longo das áreas nativas e não nativas, excluindo a possibilidade destes fatores contribuírem para a invasão da espécie. No capítulo II explorei a variação biogeográfica na produção aleloquímica das folhas e os seus efeitos nas espécies fitométricas entre as duas áreas, usando três concentrações diferentes de extrato foliar (0,25%, 0,5% e 0,75%) e testes de bioensaios de germinação. Descobri que lixiviados foliares de C. solstitialis podem ter potencial alelopático, exibindo variação substancial na composição química e efeitos inibitórios em todas as regiões. Os resultados sugerem que diferentes pressões seletivas podem atuar nos perfis bioquímicos nas diferentes regiões. No capítulo III utilizei uma nova abordagem neste sistema de estudo, produzindo experimentalmente híbridos F1 de cruzamentos dentro e entre regiões para testar o isolamento reprodutivo. Os resultados revelaram um mosaico global de incompatibilidades e fertilidades reprodutivas com respostas assimétricas ao fluxo génico intercontinental. A maioria das interações de fitness negativas ocorreram nas Américas, sugerindo adaptação local e reforço contra pólen estrangeiro. Por outro lado, a área nativa de Espanha mostrou preferência pelo pólen não nativo, resultando num aumento da fertilidade. Os resultados deste estudo mostram que o isolamento reprodutivo pode emergir relativamente rápido em alopatria. O capítulo final da minha tese explorou o papel da seleção natural na evolução das espécies na área invadida medindo a diferenciação genética neutra (FST) em milhares de marcadores de polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) ao longo de todo o genoma e sua comparação com a diferenciação fenotípica (PST), numa experiência de estufa. Também examinei SNPs sob seleção e realizei anotação de genes. Com base nestes dados, as populações introduzidas na Califórnia, nos EUA, apresentaram PST significativamente maior para o peso das sementes do que o FST, em comparação com as duas regiões nativas e o Chile não nativo, sugerindo que o aumento do tamanho das sementes evoluiu após a introdução na Califórnia. Além disso, a divergência fenotípica no tempo de floração e comprimento dos espinhos excedeu a expectativa neutra na comparação entre a Califórnia e a Austrália. A minha investigação também lançou novos dados sobre os genes que estão provavelmente envolvidos na invasão, revelando genes associados a processos regulatórios e com a resposta a estressores ambientais. Isto sugere adaptação local em populações introduzidas e revela a importância de características relacionadas com reprodução e, possivelmente, fatores epigenéticos relacionados com a evolução de C. solstitialis. Em suma, os resultados da minha tese de doutoramento demonstraram que é crucial a incorporação da biogeografia no estudo de invasões biológicas, a fim de capturar a variabilidade em fatores e processos importantes para o sucesso de espécies em diferentes regiões, e é pioneira no uso de cruzamentos inter-regionais experimentais para ilustrar como o fluxo génico e a adaptação local interagem ao longo de grandes escalas geográficas.POPH/ES