Populações marginais face a alterações climáticas: estrutura genética de populações de algas marinhas Cécile Perrin, Gareth Pearson, Ester Serrão CCMAR-CIMAR Laboratório Associado, Universidade do Algarve, Faro Questões principais: Comparar a ecologia e evolução de: populações de regiões marginais e centrais da distribuição biogeográfica de espécies marinhas espécies com formas de reprodução contrastantes

Espécies modelo: Fucus spiralis e Fucus vesiculosus Hermafrodita, autofecundação Dióica Xiphophora chondrophylla F. vesic., F. spiralis, F. ceran., F. virs. F. gardneri, F. distichus,F. evanescens Fucus serratus Hesperophycus californicus Pelvetiopsis limitata Pelvetia canaliculata Silvetia compressa Silvetia babingtonii Silvetia siliquosa Ascophyllum nodosum Hormosira banksii ambígua dióica hermafrodita Serrão E.A., Alice L.A., Brawley S.H. (1999). Evolution of the Fucaceae (Phaeophyta) inferred from nrDNA-ITS. J. Phycology. 35: 382-394.

Distribuição geográfica de F. spiralis e F. vesiculosus http://www.marlin.ac.uk/images/species/distribution_maps/worldfucspi.jpg In Europe, Iberia is thought to have been a glacial refugium from ice-scouring effects further North Simpatria, regiões vastas de ocorrência conjunta Alopatria ocorre em algumas regiões ex: separação por habitat na zona de distribuição Sul

Objectivos Avaliar a integridade das espécies Fucus spiralis e Fucus vesiculosus Estimar a diversidade genética populacional e a diferenciação ao longo da distribuição geográfica para cada espécie Comparar populações simpátricas versus alopátricas quanto a ocorrência de indicadores de hibridação e introgressão entre as duas espécies

Amostragem Para cada espécie em cada local, 2 x 24 indivíduos em zonas separadas por 100 a 300 m quadrado: 1-2 m2 N=24 100 – 300 m N=24 Pointe de la Crèche, França

Amostragem e metodologia Norte da França Gris Nez Northern Ireland La Crèche 5 km England Bretanha Batz Island Brittany Northern France Santec Brignogan Asturias Penzé River Iberia Morlaix River 5 km 500 km Portugal + F. vesiculosus F. spiralis La Guardia http://www.marlin.ac.uk/images/species/distribution_maps/worldfucspi.jpg Viana do Castelo Lima River Mindelo 2941 indivíduos 38 regiões de Marrocos à Noruega, Islândia, Maine (+Pacífico e ilhas dos Açores e Canárias para F. spiralis) Microssatélites: 5 loci (Engel et al. 2003) + 5 novos loci (Perrin et al. 2007) Mondego River We sampled populations from most of these species’ latitudinal range, from Iceland, Faroes, UK, Norway, and with particularly intensive sampling along Cornwall, Brittany and the Iberian peninsula. We also included samples of Fucus spiralis from the Pacific. These were genotyped for 5 microsatellite loci initially and later for an additional 5 loci; most of the results that I will show were only based on these 5 loci, but some have been done already with 10 loci, such as for assessing mating system. Ribeira d’Ilhas Magoito Tagus River VN de Milfontes Mira River Almograve Gilão River Albufeira Ria Formosa 100 km Engel CR, Brawley SH, Edwards KJ, Serrão EA (2003) Isolation and cross-species amplification of microsatellite loci from the fucoid seaweeds Fucus vesiculosus, F. serratus and Ascophyllum nodosum (Heterokontophyta, Fucaceae). Molecular Ecology Notes, 3, 180–182. Perrin C, Daguin C, Van de Vliet M, Engel CR, Pearson GA Serrão EA (2007) Implications of mating system for genetic diveristy of sister algal species : Fucus spiralis and F. vesiculosus (Heterokontophyta, Phaeophyceae). European Journal of Phycology In press

S Iberia-Canary-Azores-NW Africa Integridade das espécies F. ves France F. ceranoides F. sp France F sp Pacific F. ves Iceland F. ves Norway F. ves England F. ves Ireland F. ves N Portugal F. ves N Spain F. ves SW Portugal F. ves Morocco F.sp Iceland F. sp Faroe F. sp Norway F. sp Ireland F. sp England F. sp N Portugal F. sp SW Portugal F. sp N Spain F. sp Azores F. sp Canary F. sp Morocco F. ves Faroe 2 1 -1 Fucus ceranoides Brittany NW Iberia 71 Fucus spiralis N Atlantic NW Iberia N Atlantic-Pacific Axis 2 (11.15 %) NW Iberia 72 Fucus vesiculosus 1 -1 65 S Iberia-Canary-Azores-NW Africa S Iberia-NW Africa Axis 1 (20.77 %) FCA of samples of F. vesiculosus and F. spiralis based on allele frequencies. F. ceranoides plotted as supplem. elements, bootstrap from a consensus NJ tree, Nei’s dist Billard E, Daguin C, Pearson GA, Serrão EA, Engel C, Valero M. (2005). Genetic isolation between the three closely related taxa: Fucus vesiculosus, F.spiralis and F. ceranoides. J Phycology 41.:900-905

SW Iberia, Canary, Azores, NW Africa Diferenciação populacional N Iberia- France- Engl-Irl- Norway-Faroes-Iceland 0.1 Batz Faroe Norway 1 MondegoFF3 MondegoGL3 MondegoGL1 MondegoFF1 Tavira 3 Tavira 4 Tavira 2 Tavira 1 Rio Mira 3 Rio Mira 1 Tejo Rosa1 Tejo Rosa 3 Morocco 2 Morocco 1 Tejo Alco2 Tejo Alco1 Tejo Alco4 Tejo Alco3 Ria Formosa 2 Ria Formosa 1 LCN 2 Cornwall KH VNR 2 VNR 1 VS 1 VN 2 VN 1 VNR 3 VSR 2 Oviedo VSR 3 Mindelo 2 Mindelo 1 Rio Lima 2 Rio Lima 1 Rio Lima 3 VSR 1 VS 2 La Guardia1 La Guardia2 Brig 1 Brig 2 Rio del Eo 2 Rio del Eo 1 Morlaix 1 Morlaix 2 Penze 1 Penze 2 LCS 2 North Ireland LCN 1 LCS 1 GNW 2 GNE1 GNE 2 GNW 3 GNW 1 GNE 3 SE 3 SW 3 England Bude SE 1 SW 1 Norway 2 Iceland 1 Iceland 2 64 66 63 87 98 94 69 77 61 SW Iberia, NW Africa North+West Iberia Fucus vesiculosus Fucus spiralis “Rest of the world” NW Iberia -France-England, Ireland-Norway-Faroes-Iceland- Atlantic USA, Pacific USA NW Iberia La Guardia 1 Magoito Milfontes 1 Azores Milfontes 2 Rio Mira P Canary 2 Canary 1 Rio Mira Mindelo 4 Mindelo 3 Viana N 1 Albufeira 2 Albufeira 1 Almograve 1 Almograve 2 Ribeiro 1 Ribeiro 2 67 Viana S1 Santec E1 Norway Q2 La Guardia 2 Faroes Bude Gris-Nez W Rio del Eo Brignognan 2 Brignognan 1 Santec W1 Maine WC Iceland Q1 N Ireland Norway Q1 La Creche 2 Gris-Nez E La Creche 1 Maine WQ Pacific Q2 Iceland Q2 PacificQ1 SW Iberia, Canary, Azores, NW Africa For Fv, high divergence from S Iberia and closest connection to South Cornwall and Brittany suggest as one possible hypothesis secondary recolonization of NW Iberia from some of these possible glacial refugia. Relationships among samples for each species, unrooted NJ tree, pairwise Nei’s distances. Bootstrap above 60% shown (2000 reps).

Diversidade genética intra-populacional Fucus vesiculosus Fucus spiralis ˆHe ˆHe N Atl/France N/NW Iberia S Iberia/Africa Pacific/N Atl/France N/NW Iber S Iber/Africa/Az/Can Trend towards lower genetic variabilities southwards. Low migration rate, small population sizes, increased genetic drift, selection. Lower variability of southern edge populations has also been found for F. serratus (Coyer et al. 2003). Mean over populations within each group ± standard deviation S: Sympatry A: Allopatry

hibridação/introgressão Península Ibérica Populações alopátricas Não há genótipos intermédios Populações simpátricas (mais intermédios do que em parapatria) Engel et al. 2005) Axis 1 (14.54 %) 1 -1 Axis 2 (4.59 %) 311 inds 432 inds Axis 1 (9.38 %) Axis 2 (6.38 %) -2 225 inds 235 inds Axis 1 (9. 64 %) Axis 2 (3.28 %) 2 491 inds 334 inds Bretanha, N França Evidência de hibridação/introgressão Fv Fs FCA of F. vesiculosus and F. spiralis based on allele frequencies. Fs Fv Fv Fs Engel C.R., Daguin C. and Serrão E. A. 2005. Genetic entities and mating system in hermaphroditic Fucus spiralis and its close dioecious relative F. vesiculosus (Fucaceae, Phaeophyceae). Molecular Ecology, 14, 2033–2046

Frequências alélicas - locus 78 Barreira biogeográfica - Evidência de hibridação/introgressão Frequências alélicas - locus 78 Fucus vesiculosus A Fucus spiralis A simpatria alopatria

Sucesso da fertilização sincronia de reprodução inter e intra-espécies assentamento (óvulos.cm -2) Nível de maré (m) Data Fucus spiralis vesiculosus Site B Site A Viana do Castelo Sucesso da fertilização = 82-100% ambas espécies discos: 6.2 cm2

Conclusões Diferenciação populacional: Atlântico NW e NE, Pacífico. Expansão recente proveniente de uma única origem, provávelmente associada a refúgios glaciares Noroeste ibérico: Zona de transição biogeográfica entre populações diferenciadas de N e S Populações Sul - elevada diferenciação interpop., baixa diversidade intrapop. Fragmentação de habitat

Conclusões cont. Integridade das duas espécies: Fucus vesiculosus e Fucus spiralis Especiação: Muito elevada diferenciação genética das populações sul de Fucus vesiculosus indica isolamento reprodutivo nesta espécie, comparável ao nível de diferenciação entre outras espécies de Fucus. Hibridação: Hibridação / introgressão aparente onde as distribuições das espécies se sobrepõem, reprodução sincronizada intra- e entre- espécies Forte barreira contra fluxo genético interespecífico deve ocorrer para manter integridade das espécies em simpatria hip: sistema reprodutivo - predominantemente autofecundação em F.spiralis

Financiamento : EC Sustainable Development, Global Change and Ecosystems Program - Marine Genomics Europe Network of Excellence (GOCE-CT-2004-505403) e FCT (programas PDCTM e POCTI), FSE, FEDER