Genetic And Genomic Analysis Of Amphipods Of The Genus Hyalella (Crustacea) In The Lake Titicaca Basin (Andean Altiplano)

Abstract

[eng] The origin and the evolution of the complexity of life forms inhabiting ancient lakes have long attracted the attention of biologists, with a special focus on renowned systems like the African Great Lakes or the Siberian Lake Baikal. However, the evolutionary processes that have shaped the biodiversity in other lakes such as Lake Titicaca in the Andean Altiplano have received less attention. The few available studies in this regard have reported high levels of intra-lacustrine diversification in several lineages of fish and mollusks, but other groups exhibiting high levels of morphological diversity including the crustacean amphipods from the genus Hyalella remain to be investigated. The principal aim of this thesis was to reconstruct the biogeographic and historical factors playing a major role in the evolution and radiation of the genus Hyalella in the Titicaca water system, which includes several peripherical lakes and Lagunas. Species delimitation analyses performed on more than 400 sequences of COI barcodes revealed 36 distinct molecular entities, 11 of them endemic to the Titicaca basin. Those 36 Molecular entities divide into seven major lineages, confirming a previous study published on the same genus. Moreover, our analyses also evidenced a considerable incongruence between morphological and molecular species, due to an extant morphological convergence shown by Hyalella. Moreover, a robust phylogeny of the lineages was inferred based on the 13 mitochondrial protein-coding genes, and the phylogenetic tree nodes were dated using molecular clock analysis. The main diversifications events within Hyalella main lineages pre-date the origin of Lake Titicaca, but the outstanding radiation of Hyalella appears to be recent, late Pleiocene, and possibly correlated to the complex hydro-geographical history of the basin. Further phylogenies inferred using ribosomal and protein-coding nuclear markers allowed for the identification of mito-nuclear discrepancies regarding the systematic position of the lineages. In addition, genome-wide analyses performed using Restriction-site Associated DNA sequencing (RADseq) on each lineage disclosed a wide genetic variability inside each South American clade. Populations inhabiting smaller peripherical lakes and lagunas to the main Lake Titicaca showed a specific genetic signature and were generally retrieved as basal lineages within their respective main Hyalella clades. On the other hand, samples from the main Lake Titicaca were usually inferred as derivate lineages within each main clade, suggesting a diversification pattern consistent with the downstream distribution of the water masses in the Altiplano. Finally, the mitochondrial genomes of representatives from the main Hyalella clades were studied in detail with a particular focus on the possible selective pressure on the mitochondrial genes in Titicaca lineages and the gene arrangements between North American Hyalella and South American ones. The results indicated hints of selective pressure in several genes involved in oxidative phosphorylation and major rearrangements occurring in the most recent common ancestor of the South American lineages.

[spa] El origen y evolución de la complejidad de las formas de vida que habitan los lagos antiguos han atraído durante mucho tiempo la atención de los biólogos, con especial atención sobre los sistemas lacustres como los Grandes Lagos africanos o el lago siberiano Baikal. Sin embargo, los procesos evolutivos que han dado forma a la biodiversidad en otros lagos, como el lago Titicaca en el Altiplano andino, han recibido menos atención. Los pocos estudios disponibles al respecto han informado de altos niveles de diversificación intralacustre en varios linajes de peces y moluscos, pero quedan por investigar otros grupos que exhiben altos niveles de diversidad morfológica, incluyendo los crustáceos anfípodos del género Hyalella. El objetivo principal de esta tesis ha sido reconstruir los factores biogeográficos e históricos que jugaron un papel importante en la evolución y radiación del género Hyalella en el sistema acuático del Titicaca, que incluye varios lagos y lagunas periféricas. Los análisis de delimitación de especies realizados sobre más de 400 secuencias de “barcode” COI revelaron 36 entidades moleculares distintas, 11 de ellas endémicas de la cuenca del Titicaca. Esas 36 entidades moleculares se dividen en siete linajes principales, confirmando un estudio anterior publicado sobre el mismo género. Además, nuestros análisis también evidenciaron una considerable incongruencia entre las especies morfológicas y moleculares, debido a una convergencia morfológica existente mostrada por Hyalella. Además, se dedujo una robusta filogenia de los linajes basada en los 13 genes mitocondriales codificantes de proteínas, y los nodos del árbol filogenético se dataron mediante el análisis del reloj molecular. Los principales eventos de diversificación dentro de los linajes principales de Hyalella son anteriores al origen del lago Titicaca, pero la radiación principal de Hyalella parece ser reciente, de finales del Pleioceno, y posiblemente correlacionada con la compleja historia hidrográfica de la cuenca. Otras filogenias inferidas mediante marcadores nucleares ribosómicos y codificantes de proteínas permitieron identificar las discrepancias mito-nucleares respecto a la posición sistemática de los linajes. Además, los análisis genómicos realizados mediante la secuenciación de ADN asociada a sitios de restricción (RADseq) en cada linaje revelaron una amplia variabilidad genética dentro de cada clado sudamericano. Las poblaciones de Hyalella que habitan en lagos y lagunas periféricas más pequeñas al lago Titicaca mostraron una firma genética específica y fueron generalmente recuperadas como linajes basales dentro de sus respectivos clados principales. Por otro lado, las muestras del propio lago Titicaca se mostraron como linajes derivados dentro de cada clado principal, lo que sugiere un patrón de diversificación consistente con la disminución de los niveles del nivel acuático en el sistema lacustre del Altiplano. Por último, se estudiaron detalladamente los genomas mitocondriales de representantes de los principales clados de Hyalella, con especial atención a la posible presión selectiva sobre los genes mitocondriales en los linajes del Titicaca y a la organización en el mitogenoma de los genes en las Hyalella norteamericanas y las sudamericanas. Los resultados indicaron indicios de presión selectiva en varios genes implicados en la fosforilación oxidativa y reordenamientos importantes ocurridos en el ancestro común más reciente de los linajes sudamericanos.

[cat] L'origen i l'evolució de la complexitat de les formes de vida que habiten els antics llacs han cridat durant molt de temps l'atenció dels biòlegs, amb especial atenció a sistemes com els Grans Llacs africans o el llac Baikal siberià. No obstant això, els processos evolutius que han configurat la biodiversitat en altres llacs com el llac Titicaca a l'Altiplano andí han rebut menys atenció. Els pocs estudis disponibles en aquest sentit han informat d'alts nivells de diversificació intralacustre en diversos llinatges de peixos i mol·luscs, però resta per investigar altres grups que presenten alts nivells de diversitat morfològica, inclosos els crustacis amfípodes del gènere Hyalella. L'objectiu principal d'aquesta tesi va ser reconstruir els factors biogeogràfics i històrics que juguen un paper important en l'evolució i la radiació del gènere Hyalella al sistema aquàtic del Titicaca, que inclou diversos llacs perifèrics i llacunes. Els anàlisis de delimitació d'espècies realitzades en més de 400 seqüències de “barcode” COI van revelar 36 entitats moleculars diferents, 11 d'elles endèmiques de la conca del Titicaca. Aquestes 36 entitats moleculars es divideixen en set llinatges principals, confirmant un estudi anterior publicat sobre el mateix gènere. A més, les nostres anàlisis també van evidenciar una incongruència considerable entre les espècies morfològiques i moleculars, a causa d'una convergència morfològica existent mostrada per Hyalella. A més, es va inferir una filogènia robusta dels llinatges a partir dels 13 gens que codificaven proteïnes mitocondrials i es van datar els nodes de l'arbre filogenètic mitjançant l'anàlisi del rellotge molecular. Els principals esdeveniments de diversificació dins dels llinatges principals d'Hyalella són anteriors a l'origen del llac Titicaca, però la radiació destacada de Hyalella sembla ser recent, del Pleiocè tardà, i possiblement correlacionada amb la complexa història hidrogeogràfica de la conca. Altres filogènies inferides mitjançant marcadors nuclears de codificació de proteïnes i ribosòmics van permetre la identificació de discrepàncies mitonuclears pel que fa a la posició sistemàtica dels llinatges. A més, les anàlisis genòmic realitzades mitjançant la seqüenciació d'ADN associada al lloc de restricció (RADseq) a cada llinatge van revelar una àmplia variabilitat genètica dins de cada clade sud-americà. Les poblacions que habiten llacs i llacunes perifèrics més petits al llac Titicaca principal van mostrar una signatura genètica específica i generalment es van recuperar com a llinatges basals dins dels seus respectius clades Hyalella principals. D'altra banda, les mostres del llac Titicaca principal es van inferir habitualment com a llinatges derivats dins de cada clade principal, cosa que suggereix un patró de diversificació coherent amb la disminució dels nivells d'aigua al sistema lacustre de l'Altiplà a l'Altiplano. Finalment, es van estudiar amb detall els genomes mitocondrials de representants dels principals clades de Hyalella amb un enfocament particular en la possible pressió selectiva sobre els gens mitocondrials en llinatges de Titicaca i les disposicions gèniques entre Hyalella nord-americans i sud-americans. Els resultats van indicar indicis de pressió selectiva en diversos gens implicats en la fosforilació oxidativa i reordenacions importants que es van produir en l'avantpassat comú més recent dels llinatges sud-americans.