Eco-evolutionary dynamics and macro-evolutionary patterns of multiple signalling

Las señales de la condición de los individuos influyen directamente en el estado físico individual a través de la variación en el estado físico de los compañeros elegidos. También son objetivos de la selección sexual, ya que las mujeres eligen a los hombres en función de la variación en los rasgos que pueden, o no, ser señales sinceras de la condición masculina.

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PI: David López-Idiáquez

Supervisores: Claire Doutrelant, Peter B. Pearman

Colaboradores: Vladimir Kaberdin, Maitena San Juan

Actualmente, mi laboratorio es colaborador en un estudio de los efectos de los patógenos de las aves sobre la señalización de la condición en los encuentros sociales, como el emparejamiento con compañeros. El trabajo está siendo dirigido por David López Idiáquez, investigador postdoctoral que trabaja con Doutrelant (CNRS-Montpellier, Francia) y yo. Además, Vladimir Kaberdin del Departamento de Microbiología y Maitena San Juan, estudiante de 4to año de biología en la UPV, colaborarán en el análisis del ADN metagenómico de muestras de sangre y heces. El trabajo en este laboratorio se realiza en el contexto de examinar la interacción entre el medio ambiente y los sistemas de señalización social en un ave paseriforme.

La selección sexual y social son las principales fuerzas responsables de la evolución de una amplia gama de comportamientos y morfologías animales. En muchos casos, estos rasgos funcionan como señales dentro de un contexto de comunicación, modulando el resultado de múltiples tipos de interacciones (por ejemplo, comunicación de apareamiento o de padres e hijos). Existe una gran variabilidad en el número de señales utilizadas por las diferentes especies. Mientras que algunos de ellos exhiben fenotipos bastante simples con un solo rasgo de señalización, otros exhiben otros mucho más complejos con múltiples rasgos de señalización (Fig. 1). Esta variabilidad es bastante paradójica, ya que debido a los costos asociados con la expresión de la señal, esperaríamos que los individuos inviertan todos sus recursos en un solo rasgo de señalización para maximizar su expresión. Por lo tanto, ¿cómo podemos explicar la presencia de fenotipos tan complejos?

Una de las ideas principales propuestas para explicar la presencia de múltiples sistemas de señalización es que se ven favorecidos por las fluctuaciones espaciales y temporales en las condiciones ambientales. En este contexto, se puede esperar que, en entornos hostiles, una señal puede ser demasiado costosa para que una persona la produzca, o en condiciones benignas, todas las personas pueden darse el lujo de expresar la señal por completo. En esas circunstancias, la variación de calidad entre los señalizadores podría volverse críptica y se favorecerá la presencia de señales alternativas con una sensibilidad ambiental diferente. Además, estas diferencias en la expresión de los rasgos de señalización múltiple también pueden ser impulsadas por otros factores, como el sistema de acoplamiento, que pueden favorecer o no la existencia y el alcance de múltiples señales. Por ejemplo, en los sistemas de apareamiento altamente poligínicos, como los presentes en las especies lekking, existe una competencia masculina-masculina mejorada que genera la evolución de los ornamentos llamativos. Sin embargo, a pesar de su importancia, los efectos de la heterogeneidad ambiental como impulsores de los sistemas de señalización de componentes múltiples permanecen pasados ​​por alto, ya que la mayoría de los estudios experimentales, a largo plazo y comparativos han estudiado rasgos individuales de forma aislada. También es importante tener en cuenta que la mayor parte de la evidencia científica en esta área está sesgada por los hombres, ya que faltan estudios que exploren el papel y los mecanismos detrás de la ornamentación femenina en general, y de la señalización múltiple femenina en particular. Por lo tanto, se necesita más investigación que incluya adornos masculinos y femeninos para comprender completamente la evolución de los sistemas de señalización animal y comprender el papel que tiene la variación ambiental en ese proceso.

Abordaremos este problema de dos maneras: i) trabajaremos en las múltiples coloraciones presentes en el tit azul (Cyanistes caeruleus), un pequeño paseriforme (8-11 g) que anida en los agujeros y se reproduce fácilmente en cajas nido. Primero, manipularemos experimentalmente su condición reduciendo la carga de parásitos de la malaria, tanto en la naturaleza como en cautiverio, para explorar sus efectos en 5 rasgos de diferentes colores presentes en las tetas azules. Además, para comprender mejor los mecanismos detrás de la coloración, también exploraremos los efectos del tratamiento sobre el estado oxidativo de las aves. En segundo lugar, aprovecharemos un conjunto de datos a largo plazo e individualmente que incluye más de 15 años de información sobre la coloración, la morfología y el comportamiento del tit blue tit. Con esta información, exploraremos el papel de la heterogeneidad ambiental como impulsor de la fuerza y ​​la dirección de la selección que actúa sobre los rasgos coloreados y sobre su covarianza.

El papel que desempeña este laboratorio en el proyecto es examinar más de cerca los efectos de la carga de patógenos en los rasgos coloreados y su expresión. Recibiremos colecciones de sangre y heces de las aves del estudio y extraeremos ADN genómico total. Luego, usando cebadores universales de PCR, determinaremos la presencia / ausencia de un panel de patógenos potenciales. Estos incluyen ambos virus, como la gripe aviar y las bacterias. Estos datos deberían permitirnos tener en cuenta la variación adicional en los rasgos de señalización más allá de los posibles efectos de la malaria aviar.

Adaptation to Serpentine in a Mediterranean Plant Community

Las plantas con poblaciones tanto en suelos serpentinos como no serpentinos ofrecen la oportunidad de estudiar los efectos competitivos de la selección y el flujo de genes en la adaptación y la variación genómica, la diversificación y la homogeneización.

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Sierra Bermeja near Malaga in southern Spain has extensive areas of serpentine and other ultramaphic soils.

PI: Peter B. Pearman

Colaboradores: Noelia Hidalgo Triana, Universidad de Málaga;



El suelo serpentino presenta un entorno edáfico difícil para la mayoría de las plantas por varias razones. Estos suelos tienen altas concentraciones de una variedad de metales pesados, una baja proporción de calcio a magnesio y tienden a tener un bajo contenido de agua. Se ha demostrado que estos factores ambientales impulsan la adaptación local al suelo en una variedad de estudios. En las colinas cerca de Málaga, España, los afloramientos serpentinos son comunes y se intercalan con áreas de suelo no serpentino. A pesar de la presión selectiva que seguramente existe para la especialización en entornos serpentinos, varias especies de plantas tienen poblaciones tanto en suelos serpentinos como no serpentinos, a veces a la vista unos de otros. Esto sugiere que puede haber una selección fuerte y contrastante entre las poblaciones casi adyacentes. Esto es interesante porque se ha demostrado que la adaptación a la serpentina conlleva costos, ya que los genotipos serpentinos son competidores menos capaces cuando se producen en entornos no serpentinos en experimentos de trasplante recíproco.

Estamos desarrollando una investigación que examina los efectos interactivos de la selección y el flujo de genes en varias especies de serpentinas, con el fin de obtener una imagen amplia de la respuesta de las poblaciones en estas comunidades. El suelo serpentino y otros suelos ultramáficos y peridotíticos está ampliamente distribuido en la Sierra Bermeja, no lejos de la ciudad de Málaga, en el sur de España. Tenemos curiosidad por saber si el flujo de genes es similar en poblaciones de especies que comparten este entorno heterogéneo, y si alguna barrera para el flujo de genes es igualmente efectiva en las diferentes especies. Algunas de las especies tienen diferentes subespecies que son típicas de un suelo u otro, mientras que otras especies no tienen diferencias morfológicas reconocidas entre las poblaciones en diferentes tipos de suelo. Estamos trabajando con botánicos locales de Málaga, y esperamos expandir sistemáticamente nuestras colecciones preliminares una vez que la pandemia haya disminuido. Luego construiremos las bibliotecas ddRADseq en la UPV y contrataremos su secuenciación, luego sondearemos los datos para determinar las influencias tanto del flujo de genes como de la selección entre genomas de plantas.

Population Genomics of a Widely-Distributed Perennial

Este proyecto busca comprender la demografía histórica, la filogeografía y la adaptación al medio ambiente en un arbusto norteamericano muy extendido.

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PI: Peter B. Pearman

Colaboradores: J. Travis Colombus (Jardín Botánico de California, Claremont, California), Jean-Rémi Trotta y Tyler S. Alioto (Centro Nacional de Análisis Genómico, CNAG, Barcelona)

Fecha de inicio: 1 de abril de 2014

Duración: en curso

Lugar de investigación: Vizcaya, Cataluña, Norteamérica occidental

Soporte: ad-hoc y discrecional



Resumen ampliado:

Si bien los animales y las plantas móviles con una capacidad de dispersión sustancial tienen la posibilidad de moverse para seguir las distribuciones cambiantes del clima adecuado, muchas especies tendrán que adaptarse in situ si han de persistir ante el cambio climático. Si bien es difícil predecir la adaptación futura, se puede encontrar información sustancial sobre la historia evolutiva de las especies en relación con el clima examinando la variación genómica, la distribución geográfica actual y la variación morfológica. Esta información se puede utilizar para informarnos sobre cómo las especies responden potencialmente al clima cambiante en curso. Las especies con distribuciones espaciales que abarcan variaciones ambientales sustanciales ofrecen la oportunidad de examinar cómo la adaptación contribuye a mantener tanto la amplitud de especies como su rango geográfico. En este proyecto examinamos la variabilidad geográfica en la variación genómica que ha sido moldeada por procesos tanto selectivos como neutrales, que representan tanto la adaptación como la historia demográfica. Estos patrones genéticos reflejan procesos distintos que están involucrados en las respuestas a nivel de la población a un entorno cambiante. Al comprender la historia y las bases genómicas de estas respuestas, contribuiremos a comprender cómo el cambio ambiental a gran escala puede afectar la distribución y adaptación de la población en el futuro.

La adaptación y la historia evolutiva en organismos no modelo (que carecen de un genoma de referencia) es cada vez más posible mediante el uso de técnicas para construir bibliotecas genómicas que submuestrean el genoma. Hemos elegido este enfoque para desarrollar investigaciones sobre la historia demográfica y evolutiva de Eriogonum umbellatum (Polygonaceae), un pequeño arbusto con flores de color amarillo brillante en el oeste de América del Norte. El rango de esta especie se extiende desde la Sierra Nevada casi hasta las Montañas Rocosas, y desde las montañas en el desierto del sur de Mojave hasta las laderas orientales de la Cordillera Cascade en el centro de Oregon. E. umbellatum se adapta a una variedad de ambientes áridos, semiáridos y montañosos, y ocurre en suelos serpentinos y no serpentinos bien drenados. Los taxonomistas han reconocido una variación morfológica sustancial, aunque sutil, en esta especie y han descrito 40 variedades. Estas variedades varían en la extensión de su distribución y el rango de condiciones ambientales que encuentran. El gran nivel de variación taxonómica, morfológica y ambiental presentado por la especie sugiere que la rápida evolución adaptativa de la tolerancia ambiental caracteriza a esta especie ampliamente distribuida. La caracterización de la base genómica de esta variación, en loci influenciados por la selección y en otros dominados por procesos de deriva genética y dispersión, profundizará nuestra comprensión de los procesos que promueven la cohesión de las especies o, alternativamente, aíslan las poblaciones y conducen a la especiación adaptativa.

Esta investigación sobre la estructura de la población, la historia evolutiva y la adaptación al medio ambiente en E. umbellatum se basa en el trabajo colaborativo previo sobre la evolución en Eriogonum y Polygonaceae. En el trabajo actual, hemos utilizado Genotyping-by-Sequencing para desarrollar una biblioteca GBS secuenciada y un conjunto de datos con miles de SNP bialélicos. También hemos desarrollado recursos genómicos adicionales, que incluyen una importante colección de tejidos de más de 60 poblaciones, un borrador del genoma que utiliza tecnología tanto de lectura larga como Illumina, un transcriptoma anotado y una tubería bioinformática personalizada. Actualmente estamos examinando la diversidad dentro de E. umbellatum y algunos congéneres estrechamente relacionados y otros parientes, en un esfuerzo por determinar los límites de las especies y la monofilia de este taxón. Nuestros datos de SNP abarcan alrededor de 30 especies adicionales en los géneros Eriogonum y Chorizanthe. Nuestros análisis iniciales indican que se necesita la designación a nivel de especie para algunos taxones que actualmente se distinguen a nivel varietal.

Una vez que conozcamos los límites de las especies, examinaremos la estructura intraespecífica e identificaremos los loci potenciales bajo la selección ambiental. Esto servirá como base para modelar las asociaciones genoma-medio ambiente y, posteriormente, el desplazamiento geográfico de las condiciones ambientales adecuadas a medida que avanza el cambio climático. Para hacer esto, desarrollaremos bibliotecas ddRADseq en la UPV. Después de la secuenciación, el modelado adicional abordará la historia demográfica y filogeográfica de la especie a través del Neógeno. Tenemos la intención de identificar grupos de poblaciones que comparten una historia demográfica y evolutiva común. Con esta información, examinaremos la distribución ambiental de loci potencialmente adaptativos mediante el uso de métodos de secuenciación dirigida.

 

Relevant Publications

Kostikova, A., N. Salamin and P. B. Pearman. 2014. The role of climatic tolerances and seed traits in reduced extinction rates of temperate Polygonaceae. Evolution 68:1856-1870.

Kostikova, A., G. Litsios, S. Burgy, L. Milani, P. B. Pearman, and N. Salamin. 2014. Scale-dependent adaptive evolution and morphological convergence to climate niche in the Californian eriogonoids (Polygonaceae). Journal of Biogeography 41:1326-1337.

Kostikova, A., G. Litsios, N. Salamin, and P. B. Pearman.  2013. Linking life history traits, ecology and niche breadth evolution in the North American eriogonoids (Polygonaceae). American Naturalist 182:760-774.