Evolutionary history of the fucus spiralis / fucus guiryi complex - large-scale analysis of the distribution range and genetic structure across the Northern Hemisphere

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Prinz, Amelie Bettina
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.1/15512
Resumo: This master thesis addresses a large-scale biogeographical question, the distribution and evolutionary history of a marine species complex with a vast distribution in the northern hemisphere. This complex includes two intertidal brown macroalgae, Fucus spiralis and Fucus guiryi, whose boundaries, degree of isolation and ranges are imperfectly known. The species Fucus guiryi has been recently separated from Fucus spiralis, and several studies have been undertaken to investigate its geographical distribution and identifying the factors determining it, especially in the face of global warming and rising sea surface temperature. The essential ecosystem services that are provided by these canopy-forming macroalgae together with factors that threaten this species, highlight the need for enhanced research. In this study a genetic diversity and differentiation analysis were applied, using microsatellites and mitochondrial DNA for assessing the influence of historical and ongoing processes in explaining species distributions, range limits and gene-pools, which are driven by great climate events such as the last glacial maximum as well as, potentially, historical and ongoing hybridization. In addition to the genetic methods, species distribution models (SDM) were developed to investigate niche differences and assess potential near-future range shifts under two contrasting climate change scenarios. Genetic analyses revealed that the investigated species complex does not consist of the aforementioned species, instead we recognize a third genetic entity currently under F. guiryi: Fucus macroguiryi. Besides the distinct lower vertical position along the shore in comparison to Fucus spiralis and Fucus guiryi, when in sympatry, Fucus macroguiryi shows a clear genetic and morphologically separation to its relatives. Most interesting results regarding species boundaries, ranges, structure and hybridization SDMs showed that the fate of the three described entities are highly different. Fucus spiralis will experience a great increase in suitable habitat for the future within the “worst case” climate scenario, contrastingly to Fucus guiryi, which will potentially have to face extreme reduction in its population sizes in the southern margins and might even face local extinctions. Fucus macroguiryi showed a poleward shift and relict populations in Morocco could as well vanish in the near future.
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spelling Evolutionary history of the fucus spiralis / fucus guiryi complex - large-scale analysis of the distribution range and genetic structure across the Northern HemisphereFucus sppBiogeographyIntertidalHybridizationRange shiftsSpeciesDomínio/Área Científica::Ciências Naturais::Outras Ciências NaturaisThis master thesis addresses a large-scale biogeographical question, the distribution and evolutionary history of a marine species complex with a vast distribution in the northern hemisphere. This complex includes two intertidal brown macroalgae, Fucus spiralis and Fucus guiryi, whose boundaries, degree of isolation and ranges are imperfectly known. The species Fucus guiryi has been recently separated from Fucus spiralis, and several studies have been undertaken to investigate its geographical distribution and identifying the factors determining it, especially in the face of global warming and rising sea surface temperature. The essential ecosystem services that are provided by these canopy-forming macroalgae together with factors that threaten this species, highlight the need for enhanced research. In this study a genetic diversity and differentiation analysis were applied, using microsatellites and mitochondrial DNA for assessing the influence of historical and ongoing processes in explaining species distributions, range limits and gene-pools, which are driven by great climate events such as the last glacial maximum as well as, potentially, historical and ongoing hybridization. In addition to the genetic methods, species distribution models (SDM) were developed to investigate niche differences and assess potential near-future range shifts under two contrasting climate change scenarios. Genetic analyses revealed that the investigated species complex does not consist of the aforementioned species, instead we recognize a third genetic entity currently under F. guiryi: Fucus macroguiryi. Besides the distinct lower vertical position along the shore in comparison to Fucus spiralis and Fucus guiryi, when in sympatry, Fucus macroguiryi shows a clear genetic and morphologically separation to its relatives. Most interesting results regarding species boundaries, ranges, structure and hybridization SDMs showed that the fate of the three described entities are highly different. Fucus spiralis will experience a great increase in suitable habitat for the future within the “worst case” climate scenario, contrastingly to Fucus guiryi, which will potentially have to face extreme reduction in its population sizes in the southern margins and might even face local extinctions. Fucus macroguiryi showed a poleward shift and relict populations in Morocco could as well vanish in the near future.Esta dissertação de mestrado aborda uma questão biogeográfica de larga-escala, a distribuição e a história evolutiva de um complexo espécies marinhas com uma distribuição muito vasta no hemisfério norte. Os modelos usados são duas macroalgas castanhas da zona entremarés, Fucus spiralis e Fucus guiryi. A espécie Fucus guiryi foi recentemente descrita, e vários estudos têm sido realizados para investigar sua distribuição geográfica e identificar os fatores que a influenciam, especialmente face ao aquecimento global e ao aumento da temperatura da superfície do mar. De acordo com o site AlgaeBase, Fucus spiralis foi registrada na costa africana , europa, e, de forma mais interessante, nas costas americanas (Atlântico e Pacífico). Por outro lado, a distribuição de Fucus guiryi está aparentemente restrita entre a Irlanda e a Grã-Bretanha e o seu limite sul na costa do Marrocos. Observações empíricas sugerem que a distribuição de Fucus guiryi pode ser maior do presentemente se conhece. Outro aspecto investigado neste estudo foi impulsionado por descobertas anteriores, que indicam que Fucus spiralis é composta por dois morfótipos distintos. Estes morfótipos ocorrem em níveis de maré distinctos chamados de Fucus spiralis Baixo e Fucus spiralis Alto. Existe também alguma incerteza à escala geográfica, como a diferenciação entre "Fucus guiryi alopátrico" (anteriormente "Fucus spiralis Sul") e "Fucus guiryi simpátrico”. “Fucus guiryi alopátrico” ocorre atualmente nas margens meridionais do complexo de espécies, Marrocos, Sahara Ocidental, Ilhas Canárias e no Sudoeste de Portugal, enquanto “Fucus guiryi simpátrico” é mais comum no Noroeste da Península Ibérica, França e ilhas britânicas. Neste estudo, o uso de microssatélites e DNA mitocondrial permitiu avaliar a influência de diversos processos históricos responsáveis pela diversificação e distribuição das espécies (limites de distribuição e “pools” de genes), e identificar uma terceira entidade dentro deste complexo de espécies: Fucus macroguiryi. Esta espécie apresenta tipicamente uma posição vertical mais baixa em comparação com Fucus spiralis e Fucus guiryi (quando em simpatria), e também mostra uma clara separação genética e morfológica. Apesar de ser possível a hibridização entre estas espécies, mecanismos pré-zigóticos e fatores ambientais adversos aparentemente garantem que as espécies mantenham sua integridade genética mesmo quando em simpatria. Além do mais, a hipótese de uma recente colonização de habitats marginais e de áreas antes não conhecidas, como o litoral do Noroeste da América, por Fucus guiryi após o último máximo glacial, se mostrou equivocada. Baixos níveis de diversidade sugerem que a América do Norte foi recentemente (re)colonizada por Fucus spiralis. Além disso, identificamos o Nordeste Atlântico como a principal área de persistência a longo prazo, caracterizada pela presença das três entidades e geralmente elevada diversidade. Neste estudo destacamos o Noroeste da Península Ibérica como uma região de persistência a longo prazo e o Sudoeste de Portugal como uma zona de contato entre Fucus spiralis e Fucus guiryi. Ademais, foi confirmada a hipótese de que as populações localizadas nos Açores são geneticamente separadas das populações do continente, sendo provavelmente o resultado de um isolamento crónico devido à sua distância. Este estudo também analisou potenciais padrões de conectividade de Fucus guiryi ao tentar obter uma abordagem holística através da compreensão de sua dinâmica de reprodução, história de vida e nicho ecológico em relação às suas espécies irmãs, e às vezes simpátricas Fucus spiralis e Fucus macroguiryi. Nesta tese foram igualmente desenvolvidos modelos de distribuição de espécies para investigar as possíveis migrações em direção ao pólo em dois cenários contrastantes de mudanças climáticas (RCP2.6 e RCP8.5). Mostramos que estas algas da zona entremarés, serão provavelmente altamente impactadas pelo aumento constante da temperatura da superfície do mar, tornando-as altamente vulneráveis às mudanças climáticas. À escala global, a temperatura da superfície do mar, bem como a temperatura do ar foram identificadas como as variáveis mais importantes na determinação da distribuição deste complexo de espécies. Os modelos prevêm que o destino das três espécies descritas deverá ser diferente, onde, Fucus spiralis no “pior cenário” considerado, sofrerá um grande aumento no habitat adequado a norte, por exemplo ao longo do Canadá, por volta de 2100. Por outro lado, Fucus guiryi sofrerá potencialmente uma contração extrema nas margens mais quentes da distribuição, podendo até mesmo resultar em extinções locais, como por exemplo, nos Açores. Já Fucus macroguiryi poderá sofrer uma expansão em direção aos polos e num futuro próximo possivelmente o desparecimento das populações relíquia de Marrocos, mas a magnitude destas migrações permanece desconhecida. A investigação sobre este complexo de espécies da zona entremarés permitiu clarificar aspectos sobre sua dinâmica evolutiva e o papel de uma série de mecanismos, como expansões na distribuição, incluindo o papel de climas passados, efeitos de gargalo (bottlenecks), história de vida e modos de reprodução, bem como o contributo da hibridização, ajudando a explicar os padrões biogeográficos e genéticos que vemos hoje.Serrão, EsterNeiva, JoãoSapientiaPrinz, Amelie Bettina2021-05-27T12:35:09Z2021-01-122021-01-12T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.1/15512TID:202724794enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-24T10:27:56Zoai:sapientia.ualg.pt:10400.1/15512Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:06:22.153401Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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