Genetic analyses of adaptive processes in the podarcis genus

Abstract

[eng] Wall lizards from the Podarcis genus, which have diversified and evolved in the Mediterranean basin, present wide morphological, ecological, and genetic variability. This diversity plays a key role in the maintenance of the evolutionary and adaptative potential of all the Podarcis populations and, consequently, in their conservation management. The main point of this thesis was to investigate adaptive processes in the Podarcis genus, examining how evolutionary mechanisms have shaped genomic and phenotypic divergence in different Podarcis populations. Specifically, it focuses on the Podarcis species complex that inhabit the Iberian Peninsula, especially the southeast (SE) region and the Columbretes archipelago, and on one endemic species from the Balearic Islands (Podarcis lilfordi). This objective was addressed through different approaches based on specific genetic markers, ecology, morphology, and/or genome-wide analyses. Regarding the Podarcis hispanicus species complex, a multilocus methodology showed that three different clades presenting an overlapping distribution inhabit the SE region. Phylogenetic relationships and geological history enabled a new species to be defined in this region, Podarcis galerai sp. nov. and the nominal taxon (Podarcis hispanicus sensu stricto) to be renamed. The latter was identified with Albacete/Murcia lineage since it is situated at the closest point to the restricted-type locality of Monteagudo and presents the morphological traits that are most similar to those indicated for the nominal taxon. The taxonomic status of the third group, P. hispanicus (Valencia lineage), could not be fully defined due to the lack of sampling in the global distribution. The evolutionary origin of the Podarcis form from the Columbretes archipelago was corroborated to be conspecific with the mainland form Podarcis liolepis, specifically from the region of Peñagolosa, (Castellón, Spain). The divergence time between the insular and mainland forms was dated at 1.77 Ma coinciding with a sea level fluctuation period, when the two regions could have been connected. Current results disclose low genetic diversity in insular populations, which seems to have suffered diverse events of expansion and/or decrease in diversity (bottlenecks) throughout their evolutionary history. The extraordinary intra-specific variability present in the endemic lizard from the Balearic archipelago (P. lilfordi) was explored at the genetic, morphological, ecological, and behavioural level. The discordance found between phylogenetic, morphological, and ecological results indicates that the use of Evolutionarily Significant Units (ESUs) as taxonomic classification is better to ensure the evolutionary future of these populations and their consideration in conservation policies. Genome-wide analyses using double digest restriction-site associated DNA sequencing (ddRADseq) made it possible to detect more than 70,000 genome-wide single nucleotide polymorphisms (SNPs) that corroborated the uniqueness of these insular populations and highlighted the combined role of genetic drift and natural selection in driving divergence. Tests of selection identified approximately 2% of loci putatively under selection (outlier loci). Correlation analyses with different environmental variables found predation and human pressure as the most explanatory variables in shaping this adaptive divergence. The genetic base of the phenotypical trait of melanism present in several P. lilfordi populations was not found in either genome-wide analyses or MC1R candidate gene expression analyses.

[spa] Las lagartijas del género Podarcis, que han divergido y evolucionado en la cuenca Mediterránea, presentan una amplia variabilidad morfológica, ecológica y genética. Esta diversidad juega un papel clave en el mantenimiento del potencial evolutivo y adaptativo de todas las poblaciones de Podarcis y consecuentemente, en la gestión de su conservación. El principal objetivo de esta tesis fue investigar los procesos adaptativos en el género Podarcis, examinando como los mecanismos evolutivos han moldeado la divergencia genómica y fenotípica en las diferentes poblaciones de Podarcis. Específicamente, se centró en el complejo de especies Podarcis que habita la Península Ibérica, en concreto la región sureste (SE) y el archipiélago de Columbretes, así como una de las especies endémicas de las Islas Baleares (Podarcis lilfordi). Este objetivo se ha abordado desde diferentes enfoques basados en marcadores genéticos específicos, ecología, morfología, y/o análisis genómicos. En cuanto al complejo de especies Podarcis hispanicus, la metodología multilocus mostró que en la región SE habitan tres clados diferenciados que presentan una distribución solapada. Las relaciones filogenéticas y la historia geológica permitieron definir una nueva especie en esta región, Podarcis galerai sp. nov. y redefinir el taxón nominal (Podarcis hispanicus sensu stricto). Este último se identificó con el linaje Albacete/Murcia ya que está situado en el punto más próximo de la localidad tipo de Monteagudo y presenta las características morfológicas más similares a las indicadas para el taxón nominal. El estatus taxonómico del tercer grupo, P. hispanicus (linaje Valencia), no se pudo definir totalmente debido a la falta de muestreo de toda su distribución. Se corroboró que el origen evolutivo de las Podarcis del archipiélago de Columbretes es el mismo que el de la forma continental P. liolepis, específicamente de la región de Peñagolosa (Castellón, España). El tiempo de divergencia entre la forma insular y continental fue datada hace 1.77 Ma, coincidiendo con un período de cambios en el nivel del mar, durante el cual ambas regiones pudieron estar conectadas. Los resultados de este estudio revelan una baja diversidad genética en la población insular, que parece haber sufrido diversos eventos de expansión y/o disminución de la variabilidad (cuellos de botella) a lo largo de su historia evolutiva. La extraordinaria variabilidad intraespecífica presente en las lagartijas endémicas del archipiélago balear (P. lilfordi) fue explorada a nivel genético, morfológico, ecológico y de comportamiento. La discordancia encontrada entre los resultados filogenéticos, morfológicos y ecológicos indicó que el uso de las Unidades Evolutivamente Significativas (UES) para la clasificación taxonómica es mejor para asegurar el futuro evolutivo de estas poblaciones y su consideración en las políticas de conservación. Los análisis genómicos usando secuenciación de DNA asociada a sitios de restricción mediante doble digestión (ddRADseq) hicieron posible la detección de más de 70,000 polimorfismos de nucleótido único (SNPs) genómicos que corroboraron la singularidad de estas poblaciones insulares y destacaron el papel compartido de la deriva genética y la selección natural en el impulso de la divergencia. Los test de selección identificaron aproximadamente un 2% de loci supuestamente bajo selección (loci atípicos). Los análisis de correlación con diferentes variables ambientales encontraron que la depredación y la presión humana son las variables más influyentes en la conformación de esta divergencia adaptativa. La base genética del carácter fenotípico del melanismo manifestado en varias poblaciones de P. lilfordi no se encontró ni en los análisis genómicos ni en los análisis de expresión génica del gen candidato MC1R.

[cat] Les sargantanes del gènere Podarcis, que s’han diversificat i evolucionat a la conca del Mediterrani, presenten una àmplia variabilitat morfològica, ecològica i genètica. Aquesta diversitat juga un paper clau en el manteniment del potencial evolutiu i adaptatiu de totes les poblacions de Podarcis i en conseqüència, en la gestió de la seva conservació. L’ objectiu principal d’aquesta tesi va ser investigar els processos adaptatius en el gènere Podarcis examinant com els mecanismes evolutius han modelat la divergència genòmica i fenotípica a les diferents poblacions de Podarcis. Específicament, es va centrar en el complex d’espècies Podarcis que habita la Península Ibèrica, concretament la regió sud-est (SE) i l’arxipèlag de Columbretes, així com una de les espècies endèmiques de les Illes Balears (Podarcis lilfordi). Aquest objectiu s’ha abordat des de diferents enfocaments basats en marcadors genètics específics, ecologia, morfologia i/o anàlisi genòmica. En quant al complex d’espècies Podarcis hispanicus, la metodologia multilocus va mostrar que en la regió SE habiten tres clades diferenciats que presenten una distribució superposada. Les relacions filogenètiques i la història geològica permeteren definir una nova espècie en aquesta regió, Podarcis galerai sp. nov i redefinir el tàxon nominal (Podarcis hispanicus sensu stricto). Aquest últim es va identificar amb el llinatge Albacete/Murcia ja que es troba situat al punt més pròxim a la localitat tipo de Monteagudo i presenta les característiques morfològiques més similars a les indicades pel tàxon nominal. L’ estatus taxonòmic del tercer grup, P. hispanicus (llinatge Valencia), no es va poder definir totalment a causa de la manca de mostreig a tota la seva distribució. Es va corroborar que l’origen evolutiu de les Podarcis de l’arxipèlag de Columbretes és el mateix que el de la forma continental P. liolepis, concretament de la regió de Peñagolosa (Castelló, Espanya). El temps de divergència entre la forma insular i la continental es va datar fa 1.77 Ma, coincidint amb un període de canvis en el nivell del mar, durant el qual ambdues regions van poder estar connectades. Els resultats d’aquest estudi van revelar una baixa diversitat genètica en la població insular, que sembla haver sofert diversos esdeveniments d’expansió i/o disminució de la variabilitat (colls d’ampolla) al llarg de la seva història evolutiva. L’ extraordinària variabilitat intraespecífica que presenten les sargantanes endèmiques de l’arxipèlag balear (P. lilfordi) va ser explorada a nivell genètic, morfològic, ecològic i de comportament. La discordança trobada entre els resultats filogenètics, morfològics i ecològics va indicar que l’ús de les Unitats Evolutivament Significatives (UES) per a la classificació taxonòmica és més adequat per assegurar el futur evolutiu d’aquestes poblacions i la seva consideració en les polítiques de conservació. L’anàlisi genòmica emprant seqüenciació de DNA associada a llocs de restricció mitjançant doble digestió (ddRADseq) va fer possible la detecció de més de 70,000 polimorfismes de nucleòtids simples (SNPs) genòmics que van corroborar la singularitat d’aquestes poblacions insulars i van destacar el paper combinat de la deriva genètica i la selecció natural en l’impuls de la divergència. Els tests de selecció van identificar aproximadament un 2% de loci suposadament sota selecció (loci atípics). Les anàlisis de correlació amb diferents variables ambientals van identificar la depredació i la pressió humana com les variables més explicatives en la formació d’aquesta divergència adaptativa. La base genètica del caràcter fenotípic del melanisme manifestat a diverses poblacions de P. lilfordi no es va trobar ni a l’ anàlisi genòmica ni a les anàlisis d’expressió gènica del gen candidat MC1R.