Impacte de la informació codificada en l'ADN sobre la inferència filogenètica: fonaments i aplicacions

Abstract

[cat] Aquesta tesi investiga el paper de les migracions humanes en la distribució geogràfica de la biodiversitat, fent servir eines de filogenètica molecular per analitzar i comprendre la identitat, l’origen, la temporalització i l'impacte de les invasions biològiques.

La metodologia d'aquesta recerca és fonamentalment l'anàlisi de seqüències d'ADN, mitjançant programari d'inferència filogenètica.

La tesi comprèn dues parts prou diferents. En la primera, més teòrica, es fa una introducció a les espècies invasores i un repàs crític del desenvolupament de les eines d'inferència filogenètica i el descobriment dels seus artefactes. En la segona es tracten els casos concrets que s'han analitzat (quatre grups de mol·luscs invasors a la regió mediterrània i dos virus que han originat pandèmies emergents):

1) La introducció i expansió del cargol poma (Pomacea insularum) al delta de l'Ebre, una espècie originària del sud-est de Sud-amèrica i excepcional perquè pot suportar temperatures hivernals equivalents a les que es registren al litoral mediterrani. La seva arribada va tenir lloc mitjançant el tràfic d'animals per als aquaris. Les anàlisis filogenètiques indiquen que no es va translocar directament, sinó a través del sud-est asiàtic. S'aclareix així la polèmica sobre l'origen i identitat d'aquesta plaga; aporta un exemple prou clar del paper que té el comerç internacional com a desencadenant de les invasions biològiques.

2) La presència de nàiades al·lòctones (Anodonta cygnea) al Delta de l’Ebre, fins ara confoses amb espècies autòctones (i protegides), planteja la necessitat d’anàlisis acurades, fins i tot en el cas d’animals grans i conspicus. També posa de relleu les repercussions que té la correcta identificació sobre les polítiques ambientals.

3) La introducció i proliferació de cloïsses asiàtiques (Corbicula spp.) al riu Ebre, que han assolit densitats insospitades, ha tingut greus conseqüències ecològiques i econòmiques. Aquest cas aclareix la identitat de les espècies invasores a Europa, i el seu paper com a agents de canvi ecosistèmic, i demostra el paper de les invasions biològiques en la diversificació evolutiva, en aquest cas mitjançant l’aparició d’espècies d’origen híbrid.

4) La presència de llimacs del grup Arion subfuscus a l’illa de Menorca, que s’havien descrit com una espècie endèmica, s’explica mitjançant anàlisis filogenètiques, les quals demostren que no és nativa, sinó que es tracta d'una espècie originària dels Pirineus orientals que hi hauria estat introduïda accidentalment pel comerç històric entre les Balears i els ports de la Catalunya Nord. Aquest cas serveix per corregir un aspecte rellevant del coneixement de la biodiversitat insular.

5) L'origen, expansió i augment de morbilitat del virus zika eren inesperats per un flavivirus que hom considerava una raresa de les selves equatorial africanes, fins que als darrers anys va causar epidèmies al sud-est asiàtic, Micronèsia i molt especialment a tot el continent americà. Diferents estudis han conclòs que el virus epidèmic seria un llinatge germà als coneguts de l'Àfrica. Les anàlisis més rigoroses, fetes amb especial esment als artefactes metodològics, mostren una història distinta, on els moviments de contingents humans i els canvis en les estructures socials han estat decisius. Aquest cas demostra fins a quin punt és imprescindible conèixer les vies de canvi evolutiu i de dispersió en l'espai i en el temps, per tal de poder comprendre les malalties emergents.

6) El SARS-CoV-2 ha canviat la vida de tots els humans als darrers anys, sobretot a les àrees urbanes i massificades. Pertany a un grup de betacoronavirus que ha causat set noves malalties a les darreres dècades, amb un gran nombre de morts. És destacable que la majoria d'aquests coronavirus que infecten humans tenen un origen africà. Les anàlisis realitzades indiquen la possibilitat d’un origen híbrid i africà d’aquest nou virus.

[spa] Esta tesis es una investigación sobre el papel que juegan las migraciones humanes en la distribución geográfica de la biodiversidad, utilizando herramientas de filogenética molecular para analizar y comprender el origen, la temporalización y el impacto de las invasiones biológicas. La metodología de esta investigación es fundamentalmente el análisis de las secuencias de ADN, mediante programario de inferencia filogenética. Las secuencias analizadas proceden de dos fuentes: en primer lugar, datos originales obtenidos a partir de muestreos de campo, los cuales, aún siendo limitados, constituyen la cruz de vuelta, pues se refieren a los problemas concretos que se han abordado; por otra parte, las secuencias publicadas y disponibles en repositorios de acceso universal aportan un contexto suficientemente sólido para el contraste y la ubicación de la preguntas que este proyecto quiere responder. Para llevar a cabo estos análisis, se han utilizado plataformas y programas de acceso abierto. Estas herramientas son poderosas y rápidas, pero los métodos sobre los que se basan no están exentos de problemas, de modo que a menudo aportan resultados que contienen artefactos. Aunque la mayoría de estas anomalías se traducen en distorsiones relativamente menores y localizadas de los cladogramas inferidos, su impacto sobre la interpretación de los patrones históricos puede resultar considerable. Por ello se ha trabajado con distintos programas, intentando siempre comprender cuál es su fundamento, cómo calculan los arboles filogenéticos y de qué manera pueden fallar o conducir a conclusiones erróneas. Todo este trabajo analítico se ha hecho con 13 ordenadores personales, conectados en general a supercomputadoras, de modo que la única limitación real era la disponibilidad de tiempo de CPU. La tesis comprende dos partes bien diferentes. En la primera, más teórica, se hace una introducción a las especies invasoras y un repaso crítico al desarrollo de las herramientas de inferencia filogenética y el descubrimiento de sus artefactos, con recomendaciones epistemológicas y metodológicas. En la segunda parte se tratan los casos concretos que se han analizado. Éstos se han seleccionado con dos criterios complementarios: tenían que ser cuestiones que la doctoranda o los directores conocieran con la suficiente familiaridad, y además era menester que existiesen suficientes investigaciones previas para plantear preguntas que fueran significativas y a la vez resolubles. Los casos analizados son cuatro grupos de moluscos invasores en la región mediterránea y dos virus que han originado pandemias emergentes: 1) La introducción y expansión del caracol manzana (Pomacea insularum) en el Delta del Ebro. Esta especie es originaria del sudeste de Suramérica y es excepcional dentro de su familia por el hecho que puede soportar temperaturas invernales equivalentes a las que se registran en el litoral mediterráneo; esto le ha permitido aclimatar-se en esta zona y convertir-se en una grave plaga agrícola. Su llegada tuvo lugar a través del tráfico de animales para acuarios. Los análisis filogenéticos indican que no se traslocó directamente, sino que los animales fundadores de la única (por ahora) colonia europea llegaron aquí siguiendo el camino contrario, a través del sureste asiático. Se esclarece así la polémica sobre el origen e identidad de esta plaga (que ha tenido incluso hasta consecuencias judiciales); en un sentido más amplio, aporta un ejemplo bastante claro del papel que juega el comercio internacional como desencadenante de las invasiones biológicas. 2) La presencia de náyades alóctonas (Anodonta cygnea) en el Delta del Ebro, hasta ahora confundidas con especies autóctonas (y protegidas), plantea la necesidad de análisis detallados, incluso en el caso de animales grandes y conspicuos. También pone de relieve las repercusiones que tiene la correcta identificación sobre las políticas 14 ambientales, incluyendo en las mismas el control y la prevención de las invasiones biológicas. 3) La introducción y proliferación de almejas asiáticas (Corbicula spp.) en el río Ebro, que han alcanzado densidades insospechadas, ha tenido graves consecuencias ecológicas y económicas. Pertenecen a tres especies que presentan distribuciones ecológicas diferenciadas, pero que tienen en común el hecho de haber sido dispersadas intencionalmente. Este caso aclara la identidad de las especies invasoras en Europa, su papel como agentes de cambio ecosistémico y la interacción entre factores sociológicos imprevisibles con las características que hacen que una especie concreta se convierta en invasora. Al tiempo, se demuestra el papel de las invasiones biológicas en la diversificación evolutiva, en este caso mediante la aparición de especies de origen híbrido. 4) La presencia de babosas del grupo Arion subfuscus en la isla de Menorca, que se habían descrito como una especie endémica, se explica mediante análisis filogenéticos, que demuestran que no es nativa, sino que se trata de una especie originaria de los Pirineos orientales que habría sido introducida accidentalmente. Esta conexión biogeográfica, que se repite en otras especies de moluscos y plantas superiores, sólo se puede explicar por el comercio entre las Baleares y los puertos de Cataluña Norte. Este caso sirve para corregir un aspecto relevante del conocimiento de la biodiversidad insular, y de manera general ilustra cómo los acontecimientos de la historia humana pueden alterar de manera predecible la historia biológica, especialmente en áreas aisladas. 5) El origen, la expansión y el aumento de morbilidad del virus zika eran inesperados para un flavivirus que se consideraba una rareza de las selvas ecuatoriales africanas, hasta que en los últimos años causó epidemias en el sureste asiático, Micronesia y muy especialmente en todo el continente americano. Diferentes estudios han concluido que el virus epidémico sería un linaje hermano de los conocidos de África. Los análisis más rigurosos, hechos con especial atención a los artefactos metodológicos, muestran una historia distinta, en la que el papel de los movimientos de contingentes humanos y los cambios en las estructuras sociales han sido decisivos. Este caso, a parte de la importancia sanitaria que tiene a escala global, demuestra hasta qué punto es 15 imprescindible conocer las vías de cambio evolutivo y de dispersión en el espacio y el tiempo, para poder comprender las enfermedades emergentes. 6) El SARS-CoV-2 ha cambiado la vida de todos los humanos en los últimos años, sobre todo en las áreas urbanas y masificadas. Se ha analizado el papel de la actividad antrópica en la emergencia de la COVID-19 para aclarar su origen. Pertenece a un grupo de betacoronavirus que ha causado siete nuevas enfermedades en las últimas décadas, entre ellas el SARS y el MERS, con un gran número de muertes. Es destacable que la mayoría de estos coronavirus que infectan humanos han tenido un origen africano. Los análisis realizados indican la posibilidad de un origen híbrido y africano de este nuevo virus.

[eng] This thesis is a research on the role that human migrations play in the geographical distribution of biodiversity, using molecular phylogenetic tools to analyze and understand the identity, origin, timing and impact of biological invasions. The methodology of this research is basically the analysis of DNA sequences through phylogenetic inference software. The analyzed sequences come from two sources: first, original data obtained from field sampling, which albeit limited constitute the keystone, since they refer to the specific problems dealt with; on the other hand, published sequences available at universally accessible repositories contribute a context strong enough to contrast and place the questions this project aims to answer. In order to perform these analyses open access platforms and programs have been used. These are powerful and fast tools, but the methods upon which they rely are not problem-free, often yielding results that contain artifacts. Even though most such anomalies translate into distortions that are relatively minor and local within the inferred cladograms, their impact on the interpretation of historical patterns may become considerable. Thus, various programs have been used, striving to understand what are their foundations, how are phylogenetic trees calculated, and how can they yield mistakes or lead to erroneous conclusions. All this analytical work has been performed on personal computers, often linked to supercomputers, so the only real limitation was the CPU time available. This thesis consists of two rather different parts. In the first one, more theoretical, an introduction to invasive species is presented, along with a critical overview of the development of phylogenetic inference tools and the discovery of their artifacts, ending with epistemological and methodological recommendations. The second part includes the specific cases analyzed. These have been selected with two complementary criteria: they had to be questions the candidate or directors would be sufficiently familiar with, and also about which enough previous research existed in order to ask questions that would be both significant and resoluble. The analyzed cases are four groups of invasive mollusks in the Mediterranean region and two viruses provoking emergent pandemics: 1) The introduction and expansion of apple snails (Pomacea insularum) in the Ebro Delta. This species is native to southeastern South America and is exceptional within its family in that it can withstand winter temperatures equivalent to those experienced along Mediterranean shores; this has allowed its establishment and becoming a serious agricultural pest. Its arrival took place through the traffic of animals for aquaria. Phylogenetic analyses suggest that it was not directly translocated, but instead that founder individuals of the only (for now) European colony arrived along the reverse path through Southeast Asia. The standing argument (even with court consequences) about this pest’s origin and identity is thus resolved. In a wider sense, a quite clear example is added on the role that international trade has as a trigger of biological invasions. 2) The presence of allochtonous naiads (Anodonta cygnea) in the Ebro Delta, hitherto misidentified as native (and protected) species, raises the need for accurate analyses, even in the case of large, conspicuous animals. It also highlights the repercussions of a correct identification on environmental policies, including the control and prevention of biological invasions. 3) The introduction and spread of Asiatic clams (Corbicula spp.) in the Ebro River, reaching unexpected densities, has had serious ecological and economic consequences. They belong to three species exhibiting different ecological distributions; they share being intentionally dispersed. This study clarifies the identity of species invading Europe, their role as agents of ecosystem change, and the interaction between unforeseeable sociological factors and traits rendering a given species invasive. Also, it shows the role of biological invasions in evolutionary diversification, in this case through the appearance of new species of hybrid origin. 4) The presence of slugs belonging to the Arion subfuscus group on the island of Minorca, which had been described as an endemic species, is explained through phylogenetic analyses. It is not native, being instead a species originally from the eastern Pyrenees that would have been accidentally introduced. This biogeographic connection, repeated in other species of mollusks and flowering plants, can only be explained through historical commerce between the Balearics and harbors in Northern Catalonia. This case allows correcting a relevant aspect of knowledge on insular biodiversity; in a general way, it illustrates how events along human history are able to predictably alter biological history, especially in isolated areas. 5) The origin, expansion and increase in morbility of the Zika virus were unexpected for a flavivirus once considered a rarity of the African equatorial jungles but recently causing epidemics in Southeast Asia, Micronesia and most notably in the whole American continent. Various studies have concluded that the epidemic virus would be a sister lineage to those known from Africa. More rigorous analyses, performed paying special attention to methodological artifacts, show a different story, wherein the roles of populace movements and changing social structures have been decisive. Besides the health