POPULATION GENOMICS APPROACH FOR THE STUDY OF CONNECTIVITY IN MARINE SPECIES

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.