Evolutionary ecology of range expansion in the colonizing plant Leontodon longirostris (Asteraceae)

Abstract

L’interès per els processos eco-evolutius que determinen la capacitat d’expansió de la distribució de les espècies ha incrementat recentment com a conseqüència de l’increment de velocitat del canvi climàtic i global. Alguns treballs teòrics recents suggereixen que la dinàmica demogràfica associada a la expansió condueix a una reducció de la diversitat genètica i de l’acumulació d’al·lels deleteris (càrrega d’expansió), disminuint la capacitat d’adaptació i impedint la pròpia expansió. Els estudis empírics realitzats en condicions naturals per tal de comprovar aquestes prediccions són molt escassos. En aquesta tesi, utilitzem la planta colonitzadora Leontodon longirostris per tal de caracteritzar la dinàmica demogràfica i evolutiva associada a l’expansió de la distribució a la Península Ibèrica al llarg d’un gradient climàtic. En primer lloc, vàrem produir un esborrany del 50% del genoma de l’espècie, que es va usar posteriorment per a seqüenciar 238 individus de 21 poblacions per inferir la història demogràfica de l’espècie i els patrons de diversitat i càrrega genètiques que se’n deriven. Per obtenir evidències fenotípiques sobre les adaptacions, avaluàrem la variabilitat en 42 poblacions per als trets clau del cicle de vida, en concret els relacionats amb el moment de la germinació, la floració i la senescència. Posteriorment utilitzàrem el mateix joc de seqüències descrit anteriorment per buscar senyals genòmiques de selecció, relacionar la variació fenotípica i genètica, i determinar la contribució relativa a l’adaptació de la variació genètica preexistent. Els resultats per als diferents escenaris demogràfics proposats indiquen que la història demogràfica va consistir en una expansió de sud a nord que va implicar la pèrdua de diversitat genètica i l’augment de la càrrega d’expansió. La variabilitat fenotípica observada indica una clina adaptativa per a la majoria dels trets del cicle vital analitzats: els genotips d’hàbitats més secs mostren taxes de germinació més baixes i condicions de germinació més restringides, i les plantes d’hàbitats més càlids i secs emergeixen més tard i floreixen abans. En conseqüència, les plantes que ocupen ambients més àrids, impredictibles i estressants, mostren una vida útil més curta, assoleixen mides reproductores menors, i assignen més biomassa a la reproducció. A nivell genòmic, la comparació dels escombrats selectius entre les poblacions del nucli i les del front d’expansió va proporcionar una evidència addicional sobre el paper dels processos adaptatius durant l’expansió. L’augment significatiu en la proporció de escombrats “”suaus”” a les poblacions del front d’expansió en comparació amb les de la zona de l’origen de l’expansió, suggereix que la variació genètica preexistent ha jugat un paper molt destacat en la ràpida adaptació a les noves condicions ambientals que es troben al llarg de la ruta d’expansió. Identifiquem diversos gens candidats (entre ells, ACS7, MTN2, PHYE i NRT2.7), que actuen principalment en les vies de senyalització relacionades amb la germinació i la floració, i que potencialment intervenen en els canvis fenològics detectats a nivell fenotípic. La precipitació d’estiu i les temperatures d’hivern i primavera semblen ser les forces selectives ambientals clau que impulsen la variació trobada en els gens suposadament involucrats en la germinació i la floració. En general, i contràriament a algunes prediccions teòriques i dades empíriques, en aquest sistema d’estudi la càrrega genètica acumulada durant l’expansió demogràfica no sembla impedir que les poblacions s’adaptin a les noves pressions de selecció. La capacitat d’adaptació, tot i la càrrega genètica observada, probablement sigui deguda a altres processos eco-evolutius associats a altres característiques de l’espècie, entre elles una elevada capacitat de dispersió i un sistema de reproducció de al·logàmia estricta.

El interés por los procesos eco-evolutivos que determinan la capacidad de expansión del área de distribución de las especies ha incrementado recientemente debido los efectos del cambio climático. Algunos trabajos teóricos sugieren que la dinámica demográfica asociada conduce a una reducción de la diversidad genética y a la acumulación de alelos deletéreos (carga de expansión), disminuyendo la capacidad de adaptación e impidiendo la propia expansión. Los estudios empíricos realizados en condiciones naturales para comprobar dichas predicciones son muy escasos. En esta tesis, utilizamos la planta colonizadora Leontodon longirostris para caracterizar la dinámica demográfica y evolutiva asociada a la expansión a lo largo de un gradiente climático en la Península Ibérica. En primer lugar, generamos un borrador preliminar de aproximadamente el 50% del genoma de la especie, que se usó posteriormente para secuenciar 238 individuos de 21 poblaciones para inferir la historia demográfica de la especie y los patrones de diversidad y carga genéticas asociados a ésta. Para obtener evidencias fenotípicas sobre las adaptaciones, evaluamos la variabilidad en 42 poblaciones para los rasgos clave del ciclo de vida, en concreto los relacionados con el momento de la germinación, la floración y la senescencia. Posteriormente utilizamos el mismo juego de secuencias descrito anteriormente para buscar señales genómicas de selección, relacionar la variación fenotípica y genética, y determinar la contribución relativa a la adaptación de la variación genética prexistente. Los resultados para los diferentes escenarios demográficos propuestos indican que la historia demográfica consistió en una expansión del sur hacia el norte que acarreó la pérdida de diversidad genética y el aumento de la carga de expansión. La variabilidad fenotípica observada indica una clina adaptativa para la mayoría de los rasgos del ciclo vital analizados: los genotipos de hábitats más secos muestran tasas de germinación más bajas y condiciones de germinación más restringidas, y las plantas de hábitats más cálidos y secos emergen más tarde y florecen anticipadamente. En consecuencia, las plantas que ocupan ambientes más áridos, impredecibles y estresantes, muestran una vida más corta, alcanzan tamaños reproductivos menores, y asignan más biomasa a la reproducción. A nivel genómico, la comparación de los barridos selectivos entre las poblaciones del núcleo y del frente de expansión proporcionó una evidencia adicional sobre el papel de los procesos adaptativos durante la expansión. El aumento significativo en la proporción de barridos “suaves” en las poblaciones del frente de expansión en comparación con las de la zona del origen de la expansión, sugiere que la variación genética preexistente ha jugado un papel muy destacado en la rápida adaptación a las nuevas condiciones ambientales asociadas a la expansión. Identificamos varios genes candidatos (entre ellos, ACS7, MTN2, PHYE y NRT2.7), que actúan principalmente en las vías de señalización relacionadas con la germinación y la floración, y que potencialmente median los cambios fenológicos detectados a nivel fenotípico. La precipitación de verano y las temperaturas de invierno y primavera parecen ser las fuerzas selectivas ambientales clave que impulsan la variación encontrada en los genes supuestamente involucrados en la germinación y la floración. En general, y contrariamente a algunas predicciones teóricas y datos empíricos, en este sistema de estudio la carga genética acumulada durante la expansión demográfica no parece impedir que las poblaciones se adapten a nuevas presiones de selección. La capacidad de adaptación, a pesar de la carga genética observada, probablemente sea debida a otros procesos eco-evolutivos asociados a otras características de la especie, entre ellas una elevada capacidad de dispersión y un sistema de reproducción de alogamia estricta.

Eco-evolutionary processes underlying species range shifts are fundamental to understand the distribution of organisms. Interest in such processes, particularly those associated with range expansion, has increased because of unprecedented rates of climate change. Recent theoretical work suggests intrinsic factors, i.e., demographic dynamics, during expansions may lead to reduced genetic diversity and the accumulation of deleterious alleles (expansion load), decreasing the species ability to adapt and thus limiting its expansion and distribution. Yet, empirical field studies testing these predictions in natural settings remain rather scarce and show contrasting results. In this thesis, we use the short-lived colonizing plant Leontodon longirostris to produce new empirical evidence of the evolutionary dynamics and consequences of range expansion in the Iberian Peninsula along a climatic gradient.

To that end, we first produced a first genome draft for the species, covering c.a. 50% of the genome, and we use it to sequence 238 individuals from 21 populations in the Iberian Peninsula to infer the demographic history of the species and the patterns of genetic diversity and load associated to the expansion process. Second, to obtain phenotypic evidence for adaptation, we assess the variability in 42 populations for key life history traits related to the timing of germination, flowering, and senescence. Finally, we use the same set of sequences described above, to search for genomic signatures of selection, to relate phenotypic and genetic variation, and to determine the relative contribution of standing and novel genetic variation to adaptation.

Our results from the different demographic scenarios tested indicate that the overall demographic history was a northward expansion that, as expected, was accompanied by a loss of genetic diversity and an increase in expansion load. The patterns of phenotypic variability strongly suggest an adaptive cline for most life-history transitions. We find a continuous range of germination behavior and lifecycle variability, from annuality to iteroparity, following a gradient of decreasing aridity. Genotypes from drier habitats show overall lower germination rates and more restricted conditions for germination. Seedlings from warmer and drier habitats emerge later and flower earlier. Consequently, plants from the southern localities, growing in more unpredictable and stressful arid environments, show a shorter lifespan, attain smaller sizes at reproduction, but also allocate more biomass to reproduction. Support for the range-wide role of selective processes leading to adaptation is also provided by genomic analyses. The comparison of selective sweeps between core and range-front populations provides further evidence that adaptation to both novel biotic and abiotic conditions occurred during the northward expansion. The significant increase in the proportion of putative soft sweeps in front populations compared to those in the core range suggests that standing variation has played a prominent role for rapid adaptation to the novel environmental challenges associated with migration into northern habitats. We identify several candidate genes (among them, ACS7, MTN2, PHYE and NRT2.7) mainly acting in signaling pathways related to germination and flowering, and potentially mediating the phenological changes detected at the phenotypic level. Summer precipitation and minimum temperatures of winter and spring seem to be the key environmental cues driving the variation found in genes putatively involved in germination and flowering, respectively.

Overall, then, and contrary to some theoretical expectations and empirical data, in this study system the genetic load accumulated during demographic expansion does not seem to prevent the species and its populations to adapt to novel selection pressures. Adaptation in spite genetic load was probably possible due to other eco-evolutionary processes involving some other important traits, among them the high dispersal capacity and the self-incompatible mating system of the species.