Assessing the speciation continuum in Timon lepidus

Tese de mestrado, Biologia (Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015Understanding speciation requires the integration of ecology, evolution and the role of history in shaping the diversification or decline of lineages. To gain understanding on how variation is generated and maintained within and between natural populations, we must understand both how variation in phenotype may affect the fitness of individuals in their local environment, and how natural selection is shaping the genome of those organisms. Next generation sequencing together with new analytical approaches have fundamentally changed the scope of studies of non-model organisms and thus, the available tools to answer long-standing questions underwent remarkable evolution. We are now, more than ever before, equipped to establishing missing links between phenotype, genotype and environment, which will provide a detailed picture of the adaptive evolutionary process. Studies of the genomics of speciation along the speciation continuum are emerging in several non-model organisms, mainly where speciation is driven by ecology and divergent selection. The present study was the first applying RAD-Seq to natural populations of Timon lepidus, which allowed the analysis of thousands of polymorphic molecular markers simultaneously, across this lizard’s genome. The objective was to assess the putative incipient process of speciation between two subspecies, and further understand how populations adaptively diverge in heterogeneous environments. The SNP data generated allowed us to address different scopes of T. lepidus evolutionary history, allowing the assessment of the population genomics of this species considering differently acting evolutionary forces. The main pattern of divergence between populations reflects local adaptation rather than the expected incipient speciation pattern accordant with taxonomy, and further evidence of local adaptation and repeated ecological evolution are provided both by genomic and environmental information of this species. Phenotype assessment proved to be inconclusive regarding the taxonomic arrangement of populations and additional research should uncover this patterns. Therefore, the current taxonomy should be reviewed in the light of the speciation continuum, taking into account the pattern of local adaptation expressed by these populations.A biodiversidade sempre fascinou o homem e, como tal, compreender o processo pelo qual surgem as espécies é uma problemática que acompanha os biólogos evolutivos desde a génese desta ciência. Especiação é definido como o processo genético de diferenciação entre populações divergentes, de organismos sexuados, que culmina na distribuição descontínua de fenótipos e genótipos, mesmo entre populações com a proximidade geográfica. É o balanço entre este processo e a taxa de extinção que dá origem á biodiversidade. A teoria de especiação, assim como o conceito de espécie, evoluíram bastante desde a publicação do magnum opus de Charles Darwin: “On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the strungle for life”, isto é: “Da origem das espécies por meio da seleção natural, ou a preservação de raças favorecidas na luta pela sobrevivência”. Darwin é considerado o pai da biologia evolutiva e foi o primeiro a estabelecer o elo de ligação entre o processo adaptativo e o processo de origem de novas espécies, no entanto, passados 150 anos este continua a ser um tópico central da biologia evolutiva. Entender o processo de especiação requer a integração de conhecimentos de ecologia, evolução e do papel da história evolutiva na modelação da diversificação de linhagens evolutivas. Para compreender como a variação é gerada e mantida dentro e entre populações naturais, é necessário compreender simultaneamente como a variação no fenótipo afeta a fitness dos indivíduos no seu ambiente local, e como a seleção natural modela o genoma desses mesmos organismos. Apesar da grande quantidade de investigação que tem vindo a ser realizada na área da especiação, principalmente nos últimos 20 anos, questões como a base genética e molecular da evolução adaptativa continuam ainda por desvendar. Permanece também obscuro como é que a seleção natural num número limitado de genes pode culminar em divergência genome-wide. Assim sendo, estabelecer os elos de ligação ente fenótipo, genótipo e ambiente poderá providenciar uma panorâmica detalhada do processo evolutivo. As tecnologias de sequenciação de nova geração e a evolução da performance computacional, juntamente com o desenvolvimento das abordagens analíticas em bioinformática tiveram um impacto fundamental na capacidade de estudo de organismos não-modelo. Assim, as ferramentas que nos capacitam de investigar questões biológicas de longa data sofreram uma evolução extraordinária, fazendo com que estejamos hoje, mais do que nunca, equipados para compreender o processo de adaptação, assim como o processo de especiação. Estudos tendo como alvo o contínuo de divergência genética gerado ao longo do processo de especiação, emergem agora em diversos sistemas de organismos, especialmente naqueles onde a especiação é impulsionada por heterogeneidade ambiental e consequentemente seleção ecológica disruptiva. O presente estudo é o primeiro a aplicar sequenciação de nova geração ao lagarto ibérico Timon lepidus, de nome comum Sardão. Esta espécie apresenta distribuição mediterrânica, e é encontrada no sudoeste europeu com ampla distribuição na Península Ibérica. Três subespécies ibéricas continentais estão descritas, com base em morfologia e evidências moleculares e genéticas. As três subespécies apresentam distribuição parapátrica. Timon lepidus lepidus distribui-se pela maioria da área ocupada pela espécie, estando associada a zonas de clima tipicamente mediterrânico. Esta é substituída por Timon lepidus ibericus na extremidade noroeste da península, onde o clima é temperado oceânico, e na extremidade sudeste pela subespécie Timon lepidus nevadensis, que está fortemente associada a um bioclima desértico oceânico. Assim, gera-se um gradiente ecológico de noroeste para sudeste ao longo do qual variáveis bioclimáticas, como temperatura e precipitação, se modificam. Este lagarto classifica-se como um heliotérmico, querendo isto dizer que está dependente da exposição ao sol para termorregular e atingir níveis fisiológicos ótimos. Esta característica, associada ao facto de que se regista divergência morfológica e genética entre as três subespécies, sugere fortemente que as condições ecológicas contrastantes ao longa da área de distribuição podem conduzir à ocorrência de adaptação local, potencialmente promovendo o processo de especiação. Estudos de filogeografia e história demográfica nesta espécie apontam Timon lepidus nevadensis como a espécie mais divergente, com o evento cladogenetico estimado há 9.4 milhões de anos. Esses estudos, realizados com marcadores mitocondriais e nucleares, detectam também estruturação genética e subdivisões geográficas entre populações de Timon lepidus, desvendando assim uma história evolutiva profundamente influenciada pelas oscilações climáticas causadas pelas idades do gelo, durante o período Pleistoceno. Seis linhagens mitocondriais com distribuição discreta são identificadas. Timon lepidus nevadensis, a subespécie mais divergente, apresenta uma linhagem única, exclusivamente associada a sua área de distribuição. No entanto, o mesmo padrão não se encontra para Timon lepidus ibericus que partilha linhagem mitocondrial com populações Timon lepidus lepidus. Esta linhagem mitocondrial designa-se por L3, e denota o facto de estas subespécies poderem partilhar eventos de história evolutiva. Assim sendo, as populações de Timon lepidus lepidus podem partilhar, ou não, história evolutiva com populações de Timon lepidus ibericus. Tendo em vista a complexidade de forças evolutivas que interagem na modelação da estruturação populacional e padrões taxonómicos, é principal objetivo da presente dissertação avaliar o processo de especiação incipiente putativo entre Timon lepidus lepidus e Timon lepidus ibericus. Assim, pretende-se compreender como populações de ambas as subespécies divergem e se adaptam a ambientes heterogéneos. A fim de abordar esta questão, três populações do clade L3: duas atribuídas a Timon lepidus ibericus (Galiza e Gerês) e uma atribuída a Timon lepidus lepidus (Montezinho) foram analisadas conjuntamente com uma população de um clade mitocondrial diferente, atribuída a Timon lepidus lepidus (Serra da Estrela). Aos indivíduos amostrados destas populações foi aplicada a técnica de RAD-Seq para obtenção de informação genómica, sob a forma de milhares de marcadores polimórficos espalhados pelo genoma, designados Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs). A matriz gerada com esta informação permite a análise genómica das populações, de forma a compreender os níveis de estruturação genómica e como estas divergem. Os dados de SNPs permitiram a construção de duas matrizes contendo diferentes panoramas da história evolutiva do Timon lepidus: uma incluindo todas as populações, permitindo assim o efeito da filogeografia diferencial das populações, e outra comtemplando apenas populações com uma história evolutiva comum, permitindo assim considerar os eventos demográficos e as diferentes forças evolutivas que atuam na produção do padrão de divergência destas populações. Resultados concordantes com estudos anteriores mostram que Galiza e Serra da Estrela são fortemente marcadas por demografia e história evolutiva, respetivamente, que as diferenciam das restantes populações. O principal padrão encontrado reflete adaptação local das populações. Este resultado é inesperado tendo em conta a taxonomia atual atribuída às populações em estudo. Evidencias adicionais de adaptação local e adaptação ecológica paralela são também fornecidas pela relação entre a informação genómica e ambiental. A informação fenotípica, no entanto, provou ser inconclusiva tendo em conta a atribuição taxonómica das populações, não contribuindo para a compreensão do padrão geral de divergência genómica das mesmas. Assim, é sugerido que a taxonomia atual seja revista à luz do conceito génico de especiação, e tendo em conta o padrão de adaptação local que foi descoberto na presente dissertação. A análise de taxons em vários estágios do contínuo de especiação permite perceber padrões gerais quando combinado com a história natural do sistema em estudo, e o presente estudo denota, uma vez mais, a complexidade de interações entre forças evolutivas envolvida tanto no processo de especiação como no de adaptação local