NAGIOS: RODERIC FUNCIONANDO

Origin and evolution of Artemia reproductive and genetic diversity

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Origin and evolution of Artemia reproductive and genetic diversity

dc.contributor.advisor	Amat Doménech, Francisco
dc.contributor.advisor	Gómez Gómez, África
dc.contributor.author	Maccari, Marta
dc.contributor.other	Facultat de Ciències Biològiques	es_ES
dc.date.accessioned	2017-10-10T07:53:53Z
dc.date.available	2017-10-11T04:45:05Z
dc.date.issued	2017	es_ES
dc.date.submitted	20-09-2017	es_ES
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/10550/61342
dc.description.abstract	The mode of reproduction of a species determines its genetic diversity and, in turn, its ecological and evolutionary success (Normarck et al., 2003; Simon et al., 2003; De Meeûs et al, 2007). In a sexual interbreeding population, meiotic recombination allows that new combinations of genes are constantly formed and destroyed. Offspring from sexual parents are generally more genetically diverse compared with offspring from asexual females. On the contrary, in a strictly asexual lineage, where mutation is supposed to be the only source of genetic diversity, clonal diversity in the population is reduced every generation. In fact, a brief evolutionary life span is expected for asexual organisms which are generally regarded as evolutionary dead ends and supposed to go extinct within a short time (104 - 105 generations) (Lynch and Gabriel, 1990). Despite that, different studies have shown that the genetic diversity of asexual populations may have levels comparable to those of sexual populations if they are produced at high rate or through various mechanisms (Schwander et al., 2011). In these cases, asexual populations will emerge repeatedly generating a pool of diverse, polyphyletic asexual lineages. Thus, studying the origin and evolution of asexual lineages, and understanding how genetic diversity is generated and preserved in such lineages is very important to know their ecological adaptability and their outcome competitiveness with their sexual relatives in the short term and to evaluate their long term evolutionary potential of asexual populations. Few experimental systems allow a direct comparison of the genetic and evolutionary consequences of sex versus asexual reproduction. They are organisms showing the coexistence of different reproductive modes. Artemia is a genus of anostracan crustaceans widely known as brine shrimps. It includes gonochoric sexual species with separate males and females, and lineages of obligate parthenogenetic populations of different ploidy levels, which often co-occur (Abatzopoulos et al., 2002b). Diploid parthenogenetic lineages produce occasional fully functional rare males (Stefani, 1964; Bowen et al., 1978; MacDonald and Browne, 1987; Amat et al., 1991; Cai, 1993; Mura and Nagorskaya, 2005), which might be involved in the origin of new parthenogenetic lineages (Simon et al., 2003; Innes and Hebert, 1988; Lynch et al., 2008; Engelstädter et al., 2011; Eads et al., 2012). In addition, in Artemia interspecific hybridization, which is known to occur (Bowen et al., 1978; MacDonald and Browne, 1987; Cai 1993; Kappas et al., 2009), could also result in the generation of new parthenogenetic lineages. Such characteristics make the brine shrimp an exceptional model system to investigate evolutionary transitions between reproductive systems and to understand the mechanisms generating genetic diversity of asexual lineages in the genus. This thesis explores the origin and evolution of Artemia reproductive and genetic diversity, with a special focus on using molecular markers to understand the mechanisms behind the generation of new parthenogenetic lineages, including hybridization and contagious parthenogenesis and the potential role of rare males. On one hand, we used nuclear and mitochondrial markers to explore the phylogenetic relationship between diploid asexual populations and Asian sexual relatives, to understand how many times parthenogenesis has arisen and to infer the possible genetic mechanisms involved in the evolution of diploid parthenogenetic lineages; on the other hand, we established laboratory cross-mating experiments between rare males and females of sexual Asian related species (Artemia urmiana, Artemia sinica, Artemia tibetiana, Artemia sp. Kazakhstan) to investigate the reproductive role of rare males and to understand if they have the potential of generating parthenogenetic strains. This survey substantially expands our knowledge of diploid genetic diversity in Eurasia and allows inferring the possible mechanisms generating genetic diversity of asexual lineages in the genus. Our results indicate that there are three maternal clades of diversity in diploid parthenogenetic Artemia, related to A. urmiana, Artemia sp. from Kazakhstan and to haplotypes of two A. tibetiana populations. These three maternal clades are not differentiated in their nuclear DNA since the nuclear genes are very closely related in all the sexual species and parthenogenetic lineages except for A. sinica, who presumable took no part on the origin of diploid parthenogenetic strains. That may be explained by repeated hybridization between sexual similar lineage groups or by contagious events between one lineage group and another. Results from cross-mating experiments between rare males and females of sexual Asian related species show that rare males are fully functional and capable to fertilizing eggs from all Asian sexual females. Artemia rare males undergo meiotic reduction (producing haploid sperm) and are able to transmit their alleles to their offspring. In two of the F2 generations, those from the crosses between rare males and Artemia sp. Kazakhstan and A. urmiana, we identify morphologically females that are able to reproduce parthenogenetically. Molecular analysis confirm the parentage of hybrid parthenogenetic F2. Our study documents the first laboratory synthesis of new parthenogenetic lineages in Artemia and supports a model for the contagious spread of parthenogenesis. The production of parthenogenetic individuals only in the second generation suggests a recessive inheritance of obligate parthenogenesis in Artemia. Moreover, the proportions of parthenogenetic females isolated in the F2 generations from the two crosses were very different. This means that asexuality is not determined by a single recessive locus but it is likely that more genes are involved. Our study is the first one to generate new parthenogenetic lineages in Artemia by mating rare males with some Old World sexual species females, providing evidence that contagious parthenogenesis may occur in the genus Artemia, particularly in populations inhabiting conspicuous biotopes in this Old World.	en_US
dc.description.abstract	El modo de reproducción de una especie determina su diversidad genética y, a su vez, su éxito ecológico y evolutivo (Normarck et al., 2003; Simon et al., 2003; De Meeûs et al, 2007). En una población sexual, la recombinación meiótica permite que nuevas combinaciones de genes se formen y destruyan constantemente. De hecho, las poblaciones sexuales son generalmente más diversas genéticamente en comparación con las poblaciones asexuales. Por el contrario, en un linaje estrictamente asexual, donde se supone que la mutación (con la mayoría de mutantes deletéreos) sea la única fuente de diversidad genética, se espera que la diversidad clonal de la población se reduzca en cada generación. Por esto las especies asexuales suelen ser consideradas ramas evolutivas sin salida, lo que hace presuponer que tengan una breve vida evolutiva y se extingan a corto plazo (104 - 105 generaciones) (Lynch and Gabriel, 1990). A pesar de ello, diversos estudios han demostrado que la diversidad genética de las poblaciones asexuales puede ser comparable a la de las poblaciones sexuales, si se generan repetidamente o si se producen a través de mecanismos distintos (Schwander et al., 2011, Delmotte et al., 2001, 2002, 2003). En estos casos las poblaciones asexuales producirán linajes asexuales polifiléticos muy diversos. Por ello es muy importante conocer el origen y la evolución de los linajes asexuales, y comprender cómo se genera y preserva la diversidad genética en dichos linajes. Esto nos permitirá conocer la adaptabilidad ecológica y la competitividad de las poblaciones asexuales frente a las especies sexuales emparentadas, y evaluar su potencial evolutivo (Bell, 1982; Simon et al. 2003). Artemia (Crustacea, Anostraca) es un organismo cosmopolita que vive en ecosistemas hipersalinos litorales y continentales de todo el mundo, excepto en la Antártida (Triantaphyllidis et al., 1998; Van Stappen 2002). Su importancia procede tanto de su uso práctico en acuicultura como de su aplicación científica como especie modelo en una gran variedad de investigaciones genéticas y ecológicas. Otra cualidad de este organismo, que lo hace muy interesante desde un punto de vista evolutivo, se debe a la existencia de varias especies sexuales y distintos linajes partenogenéticos de diversa ploidía (diploides, triploides, tetraploides) dentro del género (Abatzopoulos 2002), que con frecuencia coexisten. Esto nos da una oportunidad única de estudiar su diversidad genética, el origen de los linajes partenogenéticos y sus interacciones evolutivas con especies sexuales. Las poblaciones partenogenéticas diploides de Artemia en particular, uno de sus linajes mas extendidos biogeográficamente, son muy interesantes por varios aspectos. Las cepas o estirpes asexuales poliploides se reproducen por apomixis, ello implica que las divisiones de los ovocitos serán mitóticas, y que los descendientes serán verdaderos clones de la madre. Por su parte, los linajes partenogenéticos diploides se reproducen por partenogénesis automíctica. La meiosis y la recombinación génica pueden ocurrir, y se han identificado distintos mecanismos citológicos que permiten restaurar la diploidía del ovocito. Cada uno de estos mecanismos tiene un impacto diferente en la diversidad genética de la población, ya que pueden mantener o eliminar la variación genética de una generación a otra, con consecuencias evolutivas muy diferentes para las poblaciones partenogenéticas (Pearcy et al., 2006; Noughé et al., 2015b). Un aspecto potencialmente muy importante en las poblaciones partenogenéticas diploides de Artemia es que en estas, ocasionalmente, se encuentran machos raros, que son viables y fértiles. Aunque estos machos no tienen ninguna utilidad reproductiva para las hembras partenogenéticas (Stefani, 1960; MacDonald and Browne, 1987), podrían fecundar a las hembras de las poblaciones bisexuales asiáticas A. urmiana, A. tibetiana, A. sinica, originando una descendencia híbrida bisexual (Bowen et al. 1978), pero trasmitiéndole los genes causantes de la partenogénesis. Este fenómeno sería sumamente interesante, pues podría explicar el origen polifilético de la partenogénesis, a condición de que los cruces fértiles de los machos raros con las hembras sexuales produjeran nuevos clones partenogenéticos en la descendencia híbrida. Mecanismos similares se han descrito en otros organismos asexuales (Blackman, 1972; Sandrock and Vorburger, 2011; Xu et al., 2013). Esta tesis explora el origen y la evolución de la diversidad reproductiva y genética de Artemia, con especial énfasis en el uso de marcadores moleculares, y con la intención de comprender los mecanismos subyacentes en la generación de nuevos linajes partenogenéticos, especialmente los de hibridación y partenogénesis contagiosa, a partir del papel potencial ofrecido por los machos raros. Los estudios realizados se exponen en los tres capítulos que conforman la base de la presente Tesis, y que plantean los siguientes objetivos particulares: 1) analizar la diversidad genética de las poblaciones sexuales y partenogenéticas asiáticas del genero Artemia mediante el uso de marcadores nucleares y mitocondriales. De esta manera se pretende caracterizar en detalle las relaciones filogenéticas de las cepas partenogenéticas y sus potenciales ancestros sexuales, y obtener información sobre los posibles mecanismos de origen de estas estirpes partenogenéticas; 2) evaluar el papel reproductivo de los machos raros mediante experimentos de cruzamiento interespecífico entre estos y las hembras de las especies sexuales asiáticas relacionadas (Artemia urmiana, Artemia sinica, Artemia tibetiana, Artemia sp. Kazajistán), caracterizando la viabilidad de la descendencia híbrida F1; 3)investigar si en Artemia existe la posibilidad de que se generen nuevas cepas partenogenéticas por origen contagioso. Los análisis filogenéticos de la diversidad mitocondrial de las poblaciones de Artemia partenogenética diploide confirman un origen múltiple de la partenogénesis en el género, en el que la partenogénesis automíctica ha surgido al menos tres veces de forma independiente. Estos tres linajes maternales no se diferencian en el ADN nuclear, con lo que estos resultados evidencian que todas las poblaciones partenogenéticas diploides están estrechamente emparentadas con las tres especies sexuales asiáticas, Artemia sp. Kazajistán, A. tibetiana y A. urmiana. Esto podría explicarse por eventos de hibridación producidos entre las especies sexuales o por eventos de partenogénesis contagiosa sucedidos entre un linaje y otro. Los resultados de los experimentos de cruzamiento interespecífico muestran que los machos raros son completamente funcionales y capaces de fertilizar los huevos de las hembras de todas las especies sexuales asiáticas ya que evidencian que los machos raros producen gametos haploides y que contribuyen al material genético de la progenie, transmitiendo sus alelos a los descendientes. Entre los especímenes adultos de las generaciones híbridas F2 obtenidas de los cruzamientos entre machos raros y hembras de Artemia sp. Kazajistan y hembras de A. urmiana se identificaron morfológicamente hembras que fueron capaces de reproducirse partenogenéticamente. Las hembras partenogenéticas examinadas presentan los haplotipos de ADN mitocondrial (COI) de la hembra abuela sexual, y alelos en los marcadores nucleares (microsatélites) del abuelo macho partenogenético. Nuestro estudio documenta por primera vez la generación de nuevos linajes partenogenéticos de Artemia en laboratorio, y apoya la posibilidad de un origen contagioso de la partenogénesis en este género.	es_ES
dc.format.extent	253 p.	es_ES
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	artemia	es_ES
dc.subject	parthenogenesis	es_ES
dc.subject	contagious parthenogenesis	es_ES
dc.subject	rare males	es_ES
dc.subject	hybridization	es_ES
dc.subject	sexuality	es_ES
dc.subject	asexuality	es_ES
dc.subject	reproductive isolation	es_ES
dc.subject	phylogeography	es_ES
dc.subject	microsatellites	es_ES
dc.title	Origin and evolution of Artemia reproductive and genetic diversity	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	biodiversity	es_ES
dc.subject.unesco	evolutionary studies	es_ES
dc.subject.unesco	genetics	es_ES
dc.subject.unesco	zoology	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES