Visión genómica del pasado y presente de la biodiversidad antártica
Una herramienta para evaluar el destino de un ecosistema único en un mundo cambiante (GAB)
El continente Antártico es uno de los más prístinos y más aislado por el océano, la batimetría, el clima y las barreras geográficas resultantes de los eventos tectónicos y climáticos que se iniciaron en el Eoceno. Sin embargo, la reciente aceleración del cambio climático y las presiones antropogénicas pueden afectar definitivamente la biodiversidad Antártica. El oeste de la Península Antártica ha sido descrito como una de las áreas más afectadas por el cambio climático, por lo tanto, han aumentado las posibilidades de perturbar este frágil ecosistema, particularmente debido a la introducción de especies y a la pérdida de biodiversidad nativa. Comprender cómo la biodiversidad Antártica respondió a cambios pasados, nos ayudará a predecir el destino de la biota antártica debido al cambio climático antropogénico. En este contexto, nuestra propuesta constituye un programa asociativo de investigadores de cinco instituciones nacionales, apoyado por una red colaborativa que incluye investigadores nacionales e internacionales, que trabajan en el Océano Austral (OA). Nuestro objetivo principal es comprender los efectos históricos y contemporáneos del cambio climático en la diversificación, historia demográfica, y adaptación de la biodiversidad antártica (incluyendo microorganismos, invertebrados y vertebrados) basados en datos genómicos. Nuestros análisis de datos incluyen aproximaciones para establecer estructura genética poblacional, patrones filogeográficos y adaptación. Además, combinaremos los resultados genéticos con datos de variables ambientales para modelar el nicho ecológico y por lo tanto la distribución pasada (último máximo glacial), presente y futura de las diferentes unidades taxonómicas operacionales (especies) y sus linajes. Esta información permitirá comprender la respuesta y resiliencia de la biota antártica y subantártica durante los eventos de cambio climático y por lo tanto predecir el destino de esta provincia biogeográfica única frente a los cambios antropogénicos.
Instituciones
Red de Colaboración Internacional
Objetivos
Determinar los ritmos y las tendencias en la diversificación de los linajes genéticos de los taxa antárticos y subantárticos (biogeografía histórica en el Océano Austral).
Los marcados cambios en la diversidad, estructura y composición de los grupos de invertebrados en el OA en los últimos 34 Ma sugieren que esta región ofrece una buena visión de los procesos macro-evolutivos, especialmente la relación entre especiación y extinción. Estudiaremos la biogeográfia histórica y reciente de diferentes grupos a lo largo de su distribución en el Océano Austral, incluyendo regiones Antárticas (Península Antártica, Islas Shetland del Sur y el Arco de Escocia) y regiones Subantárticas (Patagonia, Islas Malvinas, Isla Marion, Isla Crozet y Kerguelen, Bouvet y Macquarie Archipelago). Para este propósito, seleccionamos varios grupos, incluidos los vertebrados (mamíferos marinos, aves y peces) e invertebrados marinos y de agua dulce (equinodermos, gastrópodos, copépodos). Determinaremos los niveles de divergencia genética entre especies congenéricas de diferentes provincias en el OA y estimaremos el tiempo de divergencia entre las diferentes unidades evolutivas identificadas a partir de filogenias moleculares. La información contenida en sus secuencias de ADN nos permitirá estimar los ritmos y tendencias en la diversificación de los linajes genéticos de los taxa antárticos y subantárticos.
Evaluar las dinámicas poblacionales pasadas utilizando datos moleculares e identificar áreas de refugio potenciales (rol de los ciclos glaciares cuaternarios en la configuración de la biodiversidad Antártica y Subantartica).
Aproximaciones filogeográficas pueden dilucidar el impacto de los ciclos glaciales del Cuaternario en las especies a lo largo de las provincias del OA. Contrastaremos los niveles de diversidad genética en los mismos taxa para determinar los patrones de estructura genética entre estas Provincias. Esto permitirá determinar los efectos de los ciclos glaciales del cuaternario sobre la distribución de los linajes genéticos en estas especies y será posible estimar si las poblaciones antárticas permanecieron en refugios a lo largo de la Península Antártica durante el último evento glacial o si han recolonizado estas áreas después del UMG, desde el norte de las islas antárticas del Arco de Scotia o incluso desde regiones subantárticas. También realizaremos análisis de inferencia demográfica en las especies analizadas para determinar los tiempos y modos de expansión de la población.
Determinar los patrones de conectividad contemporánea de especies en relación con sus rasgos de historia de vida y su distribución geográfica.
Evaluaremos el grado de conectividad que existe entre los taxa dentro de los grandes patrones de circulación oceanográfica que caracterizan el OA. Evaluaremos el modelo de anillos antárticos y subantárticos que sugieren la existencia de dos vías principales de dispersión desconectadas correspondientes a: (1) Corriente circumpolar antártica, que tiene una circulación en el sentido de las agujas del reloj y que conectaría las zonas subantárticas y (2) la corriente costera Antártica, que bordea el margen del continente y tiene un sentido contrario a las agujas del reloj, manteniendo la conectividad alrededor de la Antártida. En contraste, se espera que el Frente Polar Antártico represente una fuerte barrera para la dispersión. Además, evaluaremos cómo los rasgos de la historia de vida, como el modo de desarrollo y el potencial de rafting en invertebrados marinos, hábitat bentónico contra pelágico para peces y filopatría para aves y mamíferos marinos.
Evaluar los procesos de adaptación y las posibles respuestas evolutivas al cambio climático.
La diversidad genética adaptativa (en CDS) de hoy es el resultado de cambios ambientales históricos como las oscilaciones climáticas del Pleistoceno. Por lo tanto, para que las especies respondan al cambio climático reciente, se requiere una diversidad genética en genes específicos (por ejemplo, genes termorreguladores en vertebrados endotérmicos o desarrollo de conchas en moluscos) para que se produzca una respuesta a la selección y, en consecuencia, adaptación. Aquí proponemos detectar cómo las fuerzas selectivas han contribuido a la diversificación de la biota del OA, aprovechando las fuertes discontinuidades ambientales observadas en los frentes polar y subantártico. Por lo tanto, desenredaremos la distribución de SNP bajo selección en los genomas (islas genómicas) y la función de los genes, especialmente aquellos cuya función sea de respuesta al cambio climático. Desde el advenimiento de la genómica, la adaptación puede estudiarse directamente en el genoma a nivel interespecífico e intraespecífico, utilizando diferentes enfoques, como (1) evaluar la diferenciación poblacional (métodos de detección de outlier), (2) el patrón extendido de haplotipos y (3) Asociación a las variables ambientales de cada población.
Estimación y pronóstico de la distribución pasada, presente y futura de las especies basada en características macroambientales.
Las distribuciones de especies se pueden predecir mediante controladores macroclimáticos a través de técnicas de modelamiento (SDM), que informan sobre los rangos biogeográficos y las tolerancias ecofisiológicas de la especie. La información genética se puede integrar con datos espaciales para descubrir historias de vida, efectos filopátricos y tendencias poblacionales. Esto es especialmente importante para especies de los mismos taxones con diferentes patrones de distribución de la diversidad genética, como la falta de estructura poblacional a lo largo de toda la distribución (por ejemplo, pingüino barbijo) o clados divergentes para diferentes localidades (por ejemplo, pingüino papua). Además, el SDM puede identificar umbrales ecológicos que configuran los límites de distribución de las especies y explican las capacidades pasadas, presentes o futuras para responder a los efectos del clima, esto es particularmente relevante para identificar los impactos del cambio climático y las especies más vulnerables.
Representar patrones biogeográficos en microorganismos a lo largo del Océano Austral.
Abordaremos un problema emergente y principalmente no resuelto sobre la biogeografía de microorganismos, que involucra nuevas metodologías y conceptos específicos de la genómica microbiana, que difieren de los objetivos anteriores. Probaremos hipótesis clásicas como (1) la distribución de los taxones microbianos, a veces denominada “todo está en todas partes”, asumiendo que su enorme capacidad de dispersión borra rápidamente los efectos de eventos evolutivos pasados y que solo las condiciones ambientales actuales determinan su distribución o (2) que las distribuciones de taxones microbianos, como las de los macroorganismos, reflejan las influencias de los eventos pasados y las condiciones ambientales actuales. El primer paso será reducir la enorme diversidad de ecosistemas microbianos para centrarse en dos comunidades específicas de interés para los ecosistemas antárticos: comunidades metanogénicas y desnitrificantes, que son relevantes en los ciclos biogeoquímicos globales y participan en los procesos de cambio global. Por otro lado, debido a que los micro y macroorganismos a menudo están involucrados en asociaciones cercanas que afectan su crecimiento, metabolismo y fitness. Evaluaremos cómo estas interacciones influyen en la adaptación, la coevolución y la distribución geográfica de ambos organismos a lo largo de un gradiente de ecosistemas antárticos a subantárticos. Proponemos evaluar la relación entre la filogenia del huésped (macroorganismo) y la filogenia de su microbiota intestinal entre varias provincias biogeográficas del OA.