Transcriptomics and population differentiation in two notothenioid Antarctic fish

I nototenioidei antartici si sono evoluti per milioni di anni nelle acque gelide che caratterizzano l’Oceano Meridionale; essi presentano una vasta gamma di adattamenti per resistere al freddo e ora dominano la fauna ittica antartica sia per numero di specie che per biomassa. Per la loro estrema stenotermia, questi pesci potrebbero essere fortemente vulnerabili ai cambiamenti climatici con possibili effetti a cascata sull’intero ecosistema marino antartico. Pertanto, è di fondamentale importanza investigare le basi genetiche e genomiche dell’adattamento al freddo, analizzare i processi di differenziamento derivanti dai cambiamenti climatici del passato e attuali e, allo stesso tempo, indagare il livello di variabilità e di differenziamento genetico presente a livello di specie e di popolazione. In questo dottorato sono state prese in considerazione quattro specie di nototenioidei antartici: le tre specie di derivazione recente appartenenti al genere Chionodraco, Chionodraco hamatus, Chionodraco rastrospinosus e Chionodraco myersi, e Pleuragramma antarcticum. Il genere Chionodraco appartiene alla famiglia Channichthyidae (icefish), unica tra i vertebrati per l’assenza di emoglobina e l’incapacità di esprimere mioglobina nel muscolo scheletrico. Un adeguato rifornimento di ossigeno ai tessuti è permesso da un marcato rimodellamento del sistema cardio-vascolare e da un’elevata densità mitocondriale a livello muscolare. P. antarcticum (Nototheniidae) è l'unico nototenioideo caratterizzato da un ciclo vitale completamente pelagico, è dipendente dal ghiaccio marino e svolge un ruolo chiave nella catena trofica dell’ecosistema marino antartico. Le analisi svolte in questo dottorato possono essere raggruppate in due principali linee di ricerca: 1) l'approfondimento della conoscenza sulle basi genetiche e genomiche dell’adattamento al freddo degli icefish; 2) l'analisi del pattern di differenziamento genetico presente a livello intra- e inter-specifico, con particolare enfasi su come le condizioni ambientali del passato e del presente abbiano plasmato e stiano influenzando la struttura genetica delle specie. Per quanto riguarda la prima linea di ricerca, è stato ricostruito e annotato il primo trascrittoma normalizzato del muscolo scheletrico di C. hamatus e l’informazione di sequenza così ottenuta è stata utilizzata per verificare l'ipotesi di duplicazione di geni coinvolti nella funzione mitocondriale. Utilizzando una pipeline bioinformatica sviluppata ad hoc, sono stati identificati 124 geni duplicati specifici del lineage di C. hamatus. La proporzione di duplicazioni lineage-specifiche identificate in C. hamatus è risultata significativamente maggiore a quella presente in specie modello di pesci teleostei. Un’analisi di arricchimento funzionale ha mostrato come l’insieme dei geni duplicati in C. hamatus fosse significativamente arricchito in proteine con localizzazione mitocondriale, coinvolte nella funzione e nella biogenesi mitocondriale. La presenza di elevate densità mitocondriali e il mantenimento a livello genomico di geni duplicati con funzione mitocondriale potrebbero conferire un vantaggio selettivo agli icefish in un ambiente freddo e in assenza di proteine di trasporto per l’ossigeno, migliorando la diffusione dell’ossigeno e la produzione di energia nei tessuti aerobici. Per quanto riguarda la seconda linea di ricerca, è stato studiato il pattern di differenziamento genetico presente a livello intra- e inter-specifico nel genere Chionodraco. E’ stata rilevata omogeneità intraspecifica, ma la presenza di tre pool genici distinti corrispondenti alle tre specie. Sono stati ricercati putativi loci outlier, in grado di rilevare un elevato livello di differenziamento genetico tra specie. Sono stati identificati tre loci, probabilmente soggetti a selezione naturale, con similarità di sequenza per la calmodulina, per una proteasi antifreeze glycoprotein/trypsinogen-like e per un componente fondamentale del super elongation complex. Pressioni selettive, agenti su loci specifici, potrebbero riflettere processi evolutivi del passato che hanno portato alla divergenza tra specie e all’adattamento locale. È stata inoltre investigata la presenza e l’entità del flusso genico, passato e presente, tra le tre specie del genere Chionodraco, anche per chiarire il ruolo dei cicli glaciali nel processo di divergenza e d’introgressione tra specie. Sono state rilevate molteplici evidenze d’introgressione, associata ai due periodi interglaciali più recenti (Eemiano e Olocene), che potrebbe indicare una maggiore opportunità di speciazione allopatrica in rifugi durante i periodi glaciali, seguita da contatti secondari e ibridazione durante gli intervalli più caldi. Nella specie P. antarcticum, è stata studiata la struttura genetica di popolazione a livello della Penisola Antartica, una regione molto influenzata dal surriscaldamento climatico. Lungo la costa sud-occidentale della penisola è stato rilevato un pool genico unico e assenza di variabilità su scala temporale. Differenze significative sono state evidenziate, invece, su scala geografica tra campioni raccolti nella regione sud-occidentale e quelli ottenuti dalla punta settentrionale della penisola, con un segnale di incremento del differenziamento nel tempo. Molteplici evidenze, quali il ridotto livello di flusso genico lungo la piattaforma continentale della penisola, l'aumento del differenziamento su scala temporale e l'incapacità di catturare P. antarcticum lungo la costa centro-occidentale per due anni consecutivi, suggeriscono che questa specie, dipendente dal ghiaccio marino, sia stata colpita dai cambiamenti climatici con possibili effetti a cascata sull’intera catena alimentare dell’ecosistema marino antartico.