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BAG. Journal of basic and applied genetics

On-line version ISSN 1852-6233

BAG, J. basic appl. genet. vol.22 no.1 Ciudad Autónoma de Buenos Aires Jan./June 2011

 

Tendiendo puentes entre la ecología evolutiva y la conservación del mundo vertical

 

Premoli, A. C.; M. C. Acosta; P Mathiasen; M. P. Quiroga; C. P Souto

Laboratorio Ecotono, Universidad Nacional del Comahue CRUB - CONICET INIBIOMA. Quintral 1250, 8400 Bariloche. andrea. premoli@gmail. com

 


RESUMEN

Las herramientas moleculares han contribuido significativamente al desarrollo de la genética de poblaciones y al análisis de hipótesis biogeográficas. Así, los polimorfismos de marcadores neutros pueden utilizarse para estudiar los efectos de la deriva génica y el aislamiento producto de eventos históricos y procesos ecológicos actuales. Mientras que los caracteres cuantitativos y ecofisiológicos permiten dilucidar el accionar de la selección natural promoviendo respuestas adaptativas o plásticas. La combinación de estas herramientas con estudios a campo y experimentales en especies arbóreas de amplia distribución que han sobrevivido a grandes cambios a través del tiempo y el espacio brindan la oportunidad de ilustrar dichos procesos evolutivos. Géneros carismáticos y con distintas características de historia de vida como Embothrium, Fitzroya, Nothofagus, Pilgerodendron y Podocarpus, son objeto de estudios de caso buscando realizar un aporte al conocimiento de su evolución y conservación bajo escenarios de cambio.

Palabras clave: ADN del cloroplasto; Filogeografía; Isoenzimas; Patagonia; Yungas.

ABSTRACT

Molecular tools have significantly contributed to develop the field of population genetics and the analysis of biogeographic hypothesis. Thus, polymorphisms of neutral markers can be used to study the effects of genetic drift and reproductive isolation as a result of historical events and current ecological processes. While, quantitative and ecophysiological traits help to elucidate the action of natural selection promoting adaptive and/or plastic responses. The combination of these tools with field and experimental studies on widespread tree species that have successfully coped with dramatic changes, over space and time provide the opportunity to study these evolutionary processes. Charismatic genera with distinct life history traits as Embothrium, Fitzroya, Nothofagus, Pilgerodendron, and Podocarpus are the focus of study cases seeking to contribute for the understanding of its evolution and conservation under changing scenarios.

Key words: Chloroplast DNA; Phylogeography; Isoenzymes; Patagonia; Yungas.


 

EL BOSQUE COMO OBJETO DE ESTUDIO

Con estas palabras ". . Bajo los volcanes, junto a los ventisqueros, entre los grandes lagos, el fragante, el silencioso, el enmarañado bosque. . . " Pablo Neruda (1974) describía al bosque de la Patagonia Chilena como un "mundo vertical". Asimismo, en el primer párrafo de la introducción del Origen de las Especies, Darwin (1859) menciona que "quedó maravillado por ciertos hechos acerca de la distribución de los seres vivos de Sudamérica y de las relaciones geológicas de sus habitantes actuales con el pasado".¿Quién podría entonces resistirse a estudiar la historia evolutiva de los bosques y su complejo entorno natural? A pesar de numerosos estudios sobre la evolución y la ecología de los bosques de Patagonia (e. g. Romero 1986; Donoso 1987), muchos interrogantes existían hacia fines de los años '80 acerca de los patrones de diversidad intrapoblacional y divergencia genética entre las poblaciones de especies arbóreas. Esto vale para especies características de los bosques subtropicales montanos de Yungas del norte de Argentina y sur de Bolivia y templados del sur de Argentina y Chile cuyo origen se remonta a cuando los continentes australes formaban parte de Gondwana. Sumada a la compleja historia geológica en relación con la configuración de los terrenos donde evolucionaron los linajes de estas especies leñosas, la acción de los vientos predominantes ya sean del este o el oeste en regiones montañosas subtropicales y templadas, respectivamente, determinan abruptos gradientes ambientales. Dada la heterogeneidad espacial y temporal de estos ambientes, es relevante analizar la base genética de la variación, tanto interespecífica como intraespecífica. Además, bajo la crisis actual de biodiversidad, resulta necesario evaluar las consecuencias genéticas del aumento en la frecuencia de disturbios (e. g. fuego) como así también de la pérdida de áreas de bosque y el incremento de la fragmentación, principalmente sobre especies amenazadas y/o en peligro de extinción. Bajo escenarios de cambio climático, es prioritario conocer las potenciales respuestas genéticas y/o plásticas de especies clave de bosque, las cuales serían susceptibles a modificaciones en sus rangos de distribución, como por ejemplo especies de árboles que habitan ambientes de montaña subtropicales como las Yungas y templados de Patagonia.

VARIACIÓN GEOGRÁFICA

Efectos del rango de distribución

Especies de amplia distribución, generalmente, mantienen elevada diversidad genética producto de poblaciones grandes y continuas que tienden a sufrir en menor grado los efectos de la deriva genética. Por el contrario, la deriva génica erosiona el polimorfismo en especies de menor rango que generalmente consisten de poblaciones pequeñas y aisladas (Hamrick y Godt, 1990). Se ha sugerido que esta hipótesis debería analizarse comparando especies congéneres que diferen en su rango y de esa manera analizar de manera directa su efecto y controlar por otros factores que pueden afectar la diversidad genética (Linhart y Premoli, 1993; Gitzendanner y Soltis, 2000). Analizamos esta hipótesis mediante dos estudios de caso. En base a loci isoenzimáticos fueron comparadas poblaciones de distintas especies siempreverdes de Nothofagus con distinta distribución geográfica, dos de amplia distribución N. betuloides (Mirb.) Oerst. y N. dombeyi (Mirb.) Oerst. y una de rango restringido N. nitida (Phil.) Krasser. Los estudios arrojaron mayor diversidad genética en las especies de amplio rango, las que, además, mostraron mayor identidad genética entre sí (Premoli, 1997), lo cual fue confirmado más tarde por secuencias de ITS-ADN (Acosta y Premoli, 2010). La mayor divergencia encontrada entre estas especies y la de rango restringido, que se distribuye sobre las laderas occidentales de los Andes, fue interpretada como resultado de eventos pre-Cuaternarios (Premoli, 1997) probablemente asociados al levantamiento de los Andes (Premoli et al.2012). El otro estudio de caso comparó coníferas monotípicas amenazadas de la familia Cupressaceae endémicas del sur de Argentina y Chile. Encontramos que la especie de mayor rango Pilgerodendron uviferum (D. Don) Florín mostró menor diversidad isoenzimática dentro de las poblaciones y mayor divergencia interpoblacional que la restringida Fitzroya cupressoides (Mol.) Johnston (Allnutt et al., 1999, 2003; Premoli et al., 2001, 2002). Si bien esta última posee un menor rango latitudinal, consiste de poblaciones relativamente grandes y continuas. Mientras que Pilgerodendron generalmente forma poblaciones pequeñas, restringidas a ambientes inundables y aisladas que explicarían el mayor efecto de la deriva y menor flujo génico en esta especie justificando la menor diversidad genética. Estos estudios demuestran que predicciones sobre la distribución de la diversidad genética basadas en el rango podrían estar sesgadas. En el caso de Nothofagus existiría una relación positiva entre la distribución geográfica y la diversidad genética. Por el contrario, en especies consideradas raras ya sea por su rango pequeño (Fitzroya) y/o su especificidad de hábitat (Pilgerodendron) sería el rango en combinación con el grado de aislamiento poblacional el que otorgaría un mayor poder predictivo acerca del patrón de distribución de la diversidad genética (Premoli et al., 2001). Esto debería ser particularmente tenido en cuenta al diseñar prácticas de conservación tendientes a proteger el acervo genético de especies amenazadas.

Historia biogeográfica

Los marcadores moleculares han sido utilizados abundantemente para reconstruir eventos del pasado. La tasa diferencial de mutación de dichos marcadores permite analizar procesos que afectaron las poblaciones de plantas a diferentes escalas temporales. De esta forma, información genética en base a marcadores biparentales nucleares puede utilizarse para analizar procesos que afectan las tasas de flujo génico y deriva contemporáneos sobre el acervo genético de especies de plantas como las glaciaciones del Cuaternario (Hewitt, 2000). En Patagonia y Yungas analizamos la hipótesis de supervivencia en "refugios múltiples", sensu Premoli (1998), que postula que especies tolerantes al frío (microtérmicas) habrían sobrevivido a las glaciaciones en sitios de tamaño reducido climatológicamente favorables a lo largo de sus rangos actuales de distribución (Markgraf et al., 1995). Utilizando marcadores nucleares analizamos por primera vez la supervivencia en refugios al este de los Andes de poblaciones de Fitzroya cupressoides. Así, si las poblaciones orientales fueran el resultado de migraciones a distancia producto de refugios ubicados en el sur de Chile tendrían relativamente reducida diversidad genética producto de cuellos de botella sufridos a lo largo de la migración a distancia y mostrarían una elevada identidad genética con las poblaciones a partir de las cuales habrían derivado. En cambio, similares niveles de diversidad genética y la presencia de variantes genéticas particulares sobre ambas vertientes de los Andes fueron interpretados como producto de la supervivencia en distintos refugios algunos de los cuales se habrían ubicado hacia el sur de su distribución actual, es decir en áreas con mayor cobertura de hielo (Premoli et al., 2000a). Embothrium coccineum J. R. Forst. &G. Forst, que presenta una distribución de 20° a lo largo de los bosques australes mostró el mismo patrón de variación genética (Souto y Premoli 2007, Vidal Russell et al., 2011). Estos resultados diferen de los encontrados en especies de leñosas del Hemisferio Norte que indican para distintas especies de bosque que se habrían refugiado en zonas templado-cálidas (Moore 2000). Estudios recientes combinando técnicas de modelaje de nicho ecológico, fósiles y marcadores nucleares demuestran que poblaciones australes de la especie tolerante al frío Nothofagus pumilio (Poepp. & Endl.) Krasser habrían sobrevivido en refugios ubicados hacia el límite sur (es decir frío) de su distribución en áreas tan australes como Tierra del Fuego a 55° de latitud sur (Premoli et al., 2010). Evidencia isoenzimática en la conífera microtérmica Podocarpus nubigena Lindl. también mostró la supervivencia en refugios a lo largo de su rango actual en Patagonia (Quiroga y Premoli, 2010). Sin embargo, poblaciones australes de coníferas susceptibles a las bajas temperaturas (mesotérmicas) de Patagonia como Austrocedrus chilensis (D. Don) Pic. Ser. et Bizzarri serían producto de colonización postglaciaria (Kitzberger et al., 2010; Premoli et al., 2011; Souto et al., 2011). Por otro lado, la especie montana subtropical microtérmica Podocarpus parlatorei Pilger que crece en las Yungas del norte de Argentina y sur de Bolivia mostró expansión de su rango durante períodos fríos quedando restringida a los ambientes de montaña durante los interglaciares (Quiroga y Premoli, 2007). Estos resultados en base a marcadores nucleares muestran que los polimorfismos moleculares deberán interpretarse en relación con las tolerancias ecológicas de las especies (Premoli et al., 2007a).
La supervivencia local en refugios múltiples de las especies microtérmicas habría preservado la estructura genética antigua que puede ser reconstruida mediante marcadores moleculares con menor tasa de mutación que los nucleares, como los del cloroplasto y la mitocondria con herencia uniparental. Los Nothofagus de hoja pequeña caduca tolerantes al frío analizados mediante ADN del cloroplasto (ADNc) y marcadores isoenzimáticos, indican por un lado que poblaciones actuales serían producto de la expansión a partir de numerosas áreas libres de hielo donde habrían sobrevivido localmente a lo largo de sus distribuciones actuales (Acosta et al., 2009; Mathiasen y Premoli, 2010). Además, en sitios donde las especies ocurren en simpatría, los polimorfismos de ADNc mostraron una estructura genética concordante y una disyunción a latitudes medias que separa claramente grupos monofléticos al norte y sur de los 43° de latitud sur. La concordancia sería producto de la captura de cloroplastos debido a hibridaciones recurrentes tanto en el pasado (Acosta y Premoli, 2010) como contemporáneas (Quiroga et al., 2005) que ocurrieron a lo largo de toda la distribución del subgénero. La reiterada presencia de este fenómeno sugiere una estrategia de colonización de este grupo de plantas, ya que luego de un disturbio, cualquiera sea la especie que sobreviva o recolonice primero, permitirá la recolonización de cualquiera de sus otros congéneres por hibridización (ver Fig. 4; Acosta y Premoli, 2010). La estructura filogeográfica refejaría eventos de vicarianza producto de ingresiones marinas ocurridos durante el Terciario en Patagonia (Mathiasen & Premoli, 2010; Premoli et al., 2010; Premoli et al., 2012). La presencia de barreras al flujo génico antiguas produciendo divergencia alopátrica fue confirmada también en la conífera Podocarpus nubigena (Quiroga y Premoli, 2010). Por lo tanto, polimorfismos moleculares conservados en especies en las que eventos históricos como las últimas glaciaciones no habrían borrado la señal antigua, permitirían reconstruir rasgos del paisaje que favorecieron la evolución de linajes antiguos. Este sería el caso de los géneros de origen Gondwánico Podocarpus y Nothofagus los cuales pueden ser considerados clave en la biogeografía de plantas australes.

CONSECUENCIAS GENÉTICAS DE DISTURBIOS

Fuego

Las especies de plantas poseen adaptaciones asociadas a la regeneración posfuego. Esta puede ocurrir de novo, es decir mediante el establecimiento de semillas o por rebrote de los genotipos preexistentes. Las consecuencias ecológicas y evolutivas de estas respuestas funcionales al fuego han sido ampliamente estudiadas (e. g. Bond y Midgley, 2003), pero se desconocían los efectos sobre los niveles de diversidad genética y su estructura espacial. La existencia en Patagonia de áreas incendiadas de bosque que afectaron a la especie rebrotante Nothofagus antarctica (G. Forst.) Oerst. y a la no rebrotante y además semilla-dependiente Nothofagus dombeyi, permitió analizar las consecuencias genéticas del fuego, mediante un diseño de muestreo espacialmente explícito y utilizando marcadores isoenzimáticos. Los bosques posfuego de la no rebrotante resultaron empobrecidos genéticamente y consistieron de genotipos distribuidos aleatoriamente en el espacio, producto de cuellos de botella genéticos sufridos durante la colonización posdisturbio a partir de escasos árboles remanentes que regeneran en el sitio (Premoli y Kitzberger, 2005). Por el contrario, poblaciones de la especie rebrotante tuvieron elevada diversidad genética y una estructura espacial significativa preservada por el establecimiento ocasional de plántulas (Premoli y Steinke, 2008). Bajo escenarios de cambio climático se espera un incremento en la frecuencia de incendios (FAO 2007). Se podría predecir que especies sensibles al fuego como la no rebrotante N. dombeyi consistirán de rodales genéticamente homogéneos mientras que N. antarctica preservará una compleja estructura genética por rebrote. Esta última estrategia resiliente y de persistencia de los genotipos en el largo plazo podría ser seleccionada cuando las tendencias climáticas favorecen regímenes de disturbio impredecibles, como el fuego.

Fragmentación

La pérdida de hábitat y la conversión a pequeños parches de vegetación reducen el tamaño de las poblaciones de plantas e incrementan su aislamiento (Young et al., 1993). Analizamos la hipótesis que la sensibilidad de las especies a la fragmentación y sus consecuencias genéticas dependerán de las características autoecológicas de las plantas. Estudiamos especies en paisajes fragmentados del sur de Chile mediante marcadores nucleares isoenzimáticos. Fitzroya cupressoides es una conífera longeva de crecimiento lento, dioica, con polinización anemófila y producción masiva pero esporádica de semillas que son dispersadas por viento. En cambio, Embothrium coccineum es una especie colonizadora, de crecimiento rápido, autoincompatible, polinización ornitófila y con abundante producción de semillas. En promedio, los fragmentos de Fitzroya tuvieron similar diversidad genética (Premoli et al., 2003) a la encontrada en estudios previos para la especie (Premoli et al., 2000b). Sin embargo, poblaciones con mayor número de individuos y ocupando fragmentos de mayor área tuvieron mayor diversidad genética (Premoli et al., 2007a). Si bien la diversidad genética de Embothrium no tuvo relación con el tamaño de los fragmentos, se estimaron mayores tasas de fecundación cruzada y capacidad germinativa de la progenie, i. e. como medida de aptitud, en individuos ocupando fragmentos de menor tamaño (Mathiasen et al., 2007). Estos resultados sugieren una mayor sensibilidad a la fragmentación en Fitzroya. Por el contrario, especies autoincompatibles como Embothrium, serían relativamente menos afectadas por la fragmentación dado que su dependencia del agente polinizador (Rovere et al., 2006) favorecería el flujo génico entre fragmentos contrarrestando los efectos negativos de la deriva (Mathiasen et al., 2007). Por lo tanto, las consecuencias genéticas de la fragmentación serán dependientes de las características de historia de vida de las especies (Premoli et al., 2007a).

ADAPTACIÓN EN AMBIENTES HETEROGÉNEOS

Los ambientes de montaña se caracterizan por presentar condiciones físicas heterogéneas que generan distintas presiones de selección sobre las especies. Asimismo, esas variaciones en el ambiente pueden producir diferencias fenológicas y por lo tanto generar barreras efectivas al flujo génico entre las plantas (Linhart y Grant, 1996). Analizamos los efectos de la selección natural y el aislamiento en gradientes altitudinales donde Nothofagus pumilio forma poblaciones puras en el norte de la Patagonia. La existencia de variación genética para distintos caracteres neutros y adaptativos fue evaluada mediante estudios a campo, en jardín común y trasplantes recíprocos. Los resultados mostraron que las poblaciones de baja altitud mantienen mayor diversidad genética producto de poblaciones efectivas de mayor tamaño y con mayor capacidad reproductiva que las de altura. Además, se observó un aislamiento significativo entre poblaciones ubicadas a distintas alturas (Premoli, 2003). El análisis de caracteres adaptativos (morfológicos y ecofisiológicos) juntamente con diferencias fenológicas en jardines comunes, resultaron en una divergencia genética significativa entre plantas habitando porciones contrastantes del gradiente altitudinal (Premoli y Brewer, 2007; Premoli et al., 2007b). Por otro lado, experimentos de trasplantes recíprocos demostraron que mientras las poblaciones de mayor altitud se encuentran fijadas genéticamente, las de menor altura tendrían mayor capacidad de respuesta ante condiciones cambiantes del medio físico (por ejemplo temperatura) producto de una mayor diversidad genética y/o plasticidad fenotípica (Mathiasen, 2010).

CONCLUSIONES

Los resultados presentados muestran que las poblaciones responderán a las variaciones espaciales del ambiente físico y a los disturbios que ocurren a distintas escalas espaciales y temporales a lo largo de su historia evolutiva dependiendo de las características de historia de vida de las especies. Asimismo, que la combinación de caracteres moleculares y cuantitativos juntamente con experimentos en jardines comunes y trasplantes recíprocos permite desentrañar los efectos de procesos neutrales y adaptativos sobre las poblaciones que podrán ser utilizados para predecir potenciales respuestas en paisajes cambiantes.

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Received: 13/08/2010
Accepted: 29/08/2011