Conservation genetics of the critically endangered Montseny brook newt (Calotriton arnoldi)

Abstract

El tritó del Montseny (Calotriton arnoldi) és un dels vertebrats més amenaçats d'Europa i està classificat com en perill crític per la IUCN. Aquesta espècie és endèmica del Parc Natural del Montseny (NE de la Península Ibèrica) i es distribueix en set torrents propers geogràficament (superfície total de 8 km2). El seu hàbitat està fragmentat en dos sectors principals (oriental i occidental) a banda i banda de la vall del riu Tordera. El cens actual poblacional ha estat estimat en menys de 1.500 individus adults. L'objectiu principal d'aquesta tesi és proporcionar coneixements bàsics sobre la genètica del tritó del Montseny perquè siguin útils per a la conservació de l'espècie. Així, s’ha explorat la biogeografia de l’espècie (Capítol 1), s’ha dissenyat nous marcadors microsatèl·lits polimòrfics (Capítol 2), s’ha caracteritzat i estudiat l'estructura genètica de les seves poblacions (Capítol 3) i s’ha avaluat el programa ex situ (capítol 4 ), mitjançant l'anàlisi de dos gens, un mitocondrial i un nuclear, juntament amb 24 marcadors microsatèl·lits. Així, confirmem la validesa de les dues espècies de Calotriton. Malgrat que el rang de distribució del tritó del Montseny és limitat, C. arnoldi presenta un alt grau d’estructuració genètica. Les anàlisis morfològiques i moleculars suggereixen dos grups poblacionals geogràficament diferents, sense flux genètic entre ells, l'oriental i l'occidental. Els quinze loci polimòrfics descrits en aquesta tesi, juntament amb els nou loci que s'han desenvolupat prèviament per a C. asper que han amplificat amb èxit a C. arnoldi, han proporcionat una poderosa eina per als estudis de genètica de la conservació. La fragmentació de l'hàbitat natural d'aquesta espècie s'ha traduït en una forta divisió de genètica de les poblacions en els dos sectors, sense migració detectable entre ells. Tot i que les estimacions de la mida efectiva de la població suggereixen valors críticament baixos per a totes les poblacions, no presenta evidència d'alts nivells d'endogàmia. Per tant, els nivells de diversitat genètica de C. arnoldi són comparables a altres espècies d'amfibis amb rangs de distribució molt més gran. Aquesta és una de les poques espècies en què la fragmentació de l'hàbitat no mostra efectes negatius en una escala de temps evolutiu. Aquesta espècie pot evolucionar a través d'estratègies de reproducció (per exemple, l'elecció de parella o mate choice) per fer front a les seves poblacions petites. No obstant això, s’adverteix que l’efecte de la fragmentació dels hàbitats naturals ha de ser considerats de manera independent a la pèrdua o degradació de l'hàbitat en les estratègies de planificació per a la conservació d'espècies. La forta estructura genètica observada suggereix que tots dos sectors han de ser considerats com dues unitats de gestió independents per a la conservació, tant in situ com ex situ. En termes de conservació ex situ, es conclou que, la diversitat genètica actual de les poblacions captives i la seva representativitat són bones, però no òptimes. Es suggereix que s’hauria d’incorporar nou material genètic en les poblacions captives, a través de la introducció de nous individus no relacionats o del seu esperma. Es recomana mantenir les dues línies de cria de forma independent i evitar el creuament entre elles. A més, es recomana mantenir un programa de cria obert per permetre el flux de gens de les poblacions in situ cap a les poblacions captives per tal d’evitar l'adaptació a la captivitat a les generacions successives. El coneixement proporcionat en aquesta tesi és rellevant per a la conservació i gestió de tritó del Montseny; aquesta ha estat molt útil per augmentar el coneixement en la dinàmica poblacional de l'espècie i proporcionar estratègies i recomanacions que s'han que tenir en compte en el pla de conservació.

The Montseny brook newt (Calotriton arnoldi) is one of the most endangered vertebrates in Europe and it is classified as critically endangered by the International Union for Conservation of Nature (IUCN). This species is endemic to the Montseny Natural Park (NE Iberian Peninsula) distributed in seven geographically close brooks, occupying a total area of 8 km2. Moreover, its habitat is fragmented into two main sectors (eastern and western) on both sides of the Tordera river valley. The current census population size of this species has been estimated at less than 1500 adult individuals. The main goal of this thesis is to provide basic knowledge about the genetics of the Montseny brook newt to contribute towards the conservation of this emblematic species. To achieve this goal, we have explored the biogeography of the species (Chapter 1), the design of polymorphic markers (Chapter 2), the characterization and genetic structure of its populations (Chapter 3) and the ex situ reproductive program (chapter 4) by analyzing sequence data of two genes, one mitochondrial and one nuclear, together with 24 microsatellite markers. Within this thesis, we confirm the validity of the two species of Calotriton. Despite the limited distribution range of the Montseny brook newt, C. arnoldi presents a high genetic structure. The morphological and molecular analyses suggest two geographically distinct population groups, to the east and west of the Tordera river valley, with no gene flow between them. The fifteen polymorphic loci described in this thesis, together with nine loci previously developed for C. asper that successfully cross-amplified in C. arnoldi, provided a powerful tool for the conservation genetics studies presented in this Thesis. The fragmentation of the species’ natural habitat has resulted in a strong genetic division of population in two sectors, with no detectable migration between them. Although estimates of effective population size suggest critically low values for all populations, no evidence of high levels of inbreeding was found. Thus, the levels of genetic diversity of C. arnoldi are comparable to other amphibian species with much larger distribution ranges. This is one of the few species in which habitat fragmentation does not seem to have had a negative effect on an evolutionary time scale. It is suggested that this species could have developed reproductive strategies (eg, mate choice) to deal with their small populations. However, it is warned that the effect of fragmentation of natural habitats should be considered independently than habitat loss or degradation in planning strategies for the conservation of endangered species. The strong genetic structure observed in this species suggested that both sectors should be considered as two separate management units for conservation, both in situ and ex situ. In terms of ex situ conservation, it is concluded that, currently, the genetic diversity of captive populations and its representativeness are good but not optimal. New genetic material should be incorporated into the captive stock through the introduction of new unrelated individuals or their sperm. It is strongly recommended to maintain the two different breeding lines independently to avoid cross-fertilization between them and consequently possible outbreeding depression effects. In addition, it is recommended to keep an open-program to allow in situ continuous gene flow to captive populations to avoid adaptation to captivity in successive generations. The knowledge provided by this research is relevant to the conservation and management of the Montseny brook newt; the genetic information has been of paramount importance to increase the knowledge of the population dynamics of C. arnoldi and to provide some strategies and recommendations to be considered in its conservation plan.