(Cupressaceae) en las Islas Canarias · El cedro canario (Juniperus cedrus Webb & Berth.,...
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MATERIAL Y MÉTODOS Origen y diversificación del Cedro Juniperus cedrus (Cupressaceae) en las Islas Canarias Beatriz Rumeu 1 , Pablo Vargas 2 , Ruth Jaén‐Molina 3 , Manuel Nogales 1 & Juli Caujapé‐Castells 3 1 Grupo de Ecología y Evolución en Islas (IPNA‐CSIC), C/ AstroBsico Fco. Sánchez, 3. 38206, La Laguna, Tenerife, Islas Canarias ([email protected] ) 2 Real Jardín Botánico de Madrid, CSIC, Plaza Murillo 2, 28014 Madrid 3 Departamento de Biodiversidad Molecular y Banco de ADN, Jardín Botánico Canario ‘Viera y Clavijo’‐Unidad Asociada CSIC, Ap. de correos 14 de Tafira Alta, 35017, Las Palmas de Gran Canaria CONCLUSIONES 1. El cedro canario muestra un solo origen, probablemente mediterráneo, y una historia evoluOva independiente al resto de congéneres macaronésicos. 2. La baja diversidad haploQpica encontrada podría ser el resultado de una pérdida de variación debida a cuellos de botella muy acusados en las poblaciones. 3. De entre las cuatro islas donde se encuentra el cedro canario, La Gomera representa un “santuario” de diversidad genéOca que merece especial atención desde el punto de vista de la conservación. 4. Pese a que J. cedrus es una especie con potencial dispersivo suficiente para mantener un flujo génico dinámico entre las islas, la fuerte fragmentación poblacional podría ser el factor responsable del aislamiento insular detectado. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen la ayuda de F. Medina, A. Fernández, D. P. Padilla, M. Soto y R. Domínguez durante la colecta de muestras en el campo; E. Cano por su ayuda en el laboratorio y J. Martínez por la cesión de material vegetal esencial para el trabajo. J. L. Blanco-Pastor nos ayudó con los análisis filogenéticos. Agradecemos al Organismo Autónomo de Parques Nacionales y al Cabildo Insular de La Palma y Gran Canaria los permisos necesarios para el trabajo de campo. Este estudio ha sido parcialmente financiado por el Ministerio español de Ciencia e Innovación, el Gobierno de Canarias y el Organismo Autónomo de Parques Nacionales. • Los tres análisis filogenéticos apoyan la monofilia de J. cedrus, con un período de diversificación de sus poblaciones entre 5.3 y 0.18 Ma. La falta de apoyo en el árbol resultante no permite generar una hipótesis clara acerca del momento de colonización a las islas. Sin embargo, la combinación de la aproximación filogenética y filogeográfica sí permite deducir un origen geográfico probablemente Mediterráneo. • Los resultados también apuntan a distintas historias evolutivas para las tres especies de Juniperus endémicas de la Macaronesia, que parecen ser el resultado de tres colonizaciones independientes a Azores, Madeira y Canarias. • El nº de haplotipos del canario J. cedrus (4) es inferior al encontrado para J. brevifolia en Azores (16) para las mismas regiones plastidiales (Rumeu et al. in prep.), lo que indica niveles inferiores de diversidad genética que podrían ser el resultado de las drásticas reducciones de los tamaños poblacionales, mucho más acusadas en Canarias. INTRODUCCIÓN El cedro canario (Juniperus cedrus Webb & Berth., Cupressaceae) es una especie exclusiva del archipiélago canario, y en concreto está presente en las islas de La Palma, La Gomera, Tenerife y Gran Canaria. Su distribución actual se restringe fundamentalmente a zonas escarpadas y de difícil acceso, como consecuencia de las sucesivas talas en épocas pasadas que redujeron y fragmentaron las poblaciones naturales de forma muy acusada. Pese a su protección oficial, esta gimnosperma se encuentra aún en delicado estado de conservación, por lo que el conocimiento de sus niveles de diversidad genética y la distribución de la misma se tornan de especial interés para un buen manejo de la especie. En este trabajo se han analizado conjuntamente datos de cuatro regiones del ADN plastidial y de AFLPs con los siguientes objetivos: (1) inferir el origen espacio-temporal de J. cedrus, (2) conocer los patrones de diversidad y diferenciación en las islas, y (3) contribuir al diseño de estrategias de conservación apropiadas. REFERENCIAS Mao K, Hao G, Liu J, Adams RP, Milne RI (2010) Diversification and biogeography of Juniperus (Cupressaceae): variable diversification rates and multiple intercontinental dispersals. New Phytologist 188: 254-272 Caujapé Castells, J., Castellano, J.J., Henríquez, V., Ramos, R., Sabbagh, I., Quintana-Trujillo, F.M., Rodríguez, J.F., 2011. Transformer-4: a genotype matrix format translator. Jardín Botánico Canario "Viera y Clavijo"-Unidad Asociada CSIC, Instituto Tecnológico de Canarias, Jablesoft & Inventiaplus, Las Palmas de Gran Canaria, Spain. (http://.demiurge-project.org/download_t4) . Fig. 1. The Canary Islands archipelago and geological ages. Juniperus cedrus populaaons sampled are indicated with circles. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Fig. 2. Filogenia de la sección Juniperus a parar de las regiones trnLy trnL‐trnF. Los valores sobre las ramas indican la propabilidad posterior del análisis con BEAST; los números bajo las ramas indican el soporte de boostrap del análisis de máxima parsimonia (antes de la barra) y máxima verosimilitud (después de la barra). Los asteriscos indican ausencia de soporte. Las barras indican aempos de divergencia para cada nodo, mientras que los números en los círculos representan puntos de calibración obtenidos en (Mao et al., 2010). Fig. 3. Red de haploapos basada en las regionesde AND cloroplásaco petN‐psbMy trnT‐trnL, y su distribución espacial. Cada haploapo está representado por un código y un color Se secuenciaron las regiones plastidiales petN-psbM y trnT-trnL de J. cedrus y de aquellas especies congenéricas que son genética y geográficamente más próximas (J. macrocarpa , J. oxycedrus y J. maderensis) para llevar a cabo un análisis filogeográfico que aportara más información para una inferencia del origen de J. cedrus en las islas Canarias. • Las relaciones genealógicas entre los haplotipos fueron estimadas a través de parsimonia estadística (TCS 1.21). Para estimar los niveles de diversidad genética intraespecífica, usamos marcadores de tipo AFLPs. • La matriz binaria fue importada al software Transformer-4 (Caujapé-Castells et al. 2011), con el que se calculó el nº de alelos exclusivos por población y se generaron automáticamente las matrices de entrada para distintos programas con los que calculamos: o Estimadores de la diversidad genética (Arlequin 3.5.1.2). o Aislamiento por distancia (Mantel test; GenAlex 6.41). o Estructura espacial de la diversidad genética (Autocorrelogramas; PASSaGE 2.0, Spagedi 1.3). o Estructura poblacional (STRUCTURE 2.3.2). Se realizó un análisis filogenético de la sección Juniperus a partir de datos de dos regiones de ADN plastidial (el intron trnL y el espaciador intergénico trnL-trnF). Las secuencias fueron alineadas usando MAFFT 6. • Usamos máxima parsimonia (TNT 1.1), maxima verosimilitud (RAxML) e inferencia bayesiana para estimar tiempos de divergencia (BEAST 1.6.0). Aproximación filogenética y filogeográfica Diferenciación genética dentro de Juniperus cedrus Isla Pob. N Frag tot Frag poli Frag exclu H D ± SD La Palma P‐PL 4 219 49 0 0.16 ± 0.11 P‐PR 9 219 90 3 0.16 ± 0.09 La Gomera G‐PN 28 219 98 52 0.16 ± 0.08 Tenerife T‐FT 11 219 54 1 0.15 ± 0.08 T‐SC 12 219 53 2 0.12 ± 0.07 T‐MC 2 219 15 0 0.07 ± 0.07 T‐UC 2 219 25 0 0.13 ± 0.13 Gran Canaria C‐MC 5 219 39 4 0.11 ± 0.07 Fuente de variación g. l. Suma de cuadrados Componentes de la varianza Porcentaje de variación (%) P Entre islas 3 150.73 2.08 16.66 < 0.001*** Entre poblaciones dentro de islas 4 51.21 0.52 4.18 0.007** Dentro de poblaciones 65 641.99 9.88 79.16 <0.001*** Tabla 1. Poblaciones muestreadas de Juniperus cedrus. Pob.: abreviación del nombre de la población, N: nº de individuos analizados. Frag tot : nº total de fragmentos de AFLPs, Frag poli : nº de fragmentos polimórficos, Frag excl : nº de fragmentos exclusivos en la población, H D ± SD: diversidad genéaca media ± desviación estándar. Tabla 2. Análisis molecular de la varianza (AMOVA) a parar de los perfiles de AFLPs de ocho poblaciones de J. cedrus. Test de significancia basado en 1023 permutaciones. Fig. 4. Correlograma espacial medio (Moran’s I) para Juniperus cedrus en las Islas Canarias. La línea sólida representa la media (± SE) de los 44 valores de I de los alelos que individualmente mostraron autocorrelación espacial significaava. Las clases de distancia agrupan aproximadamente igual nº de pares comparados. La flecha muestra la distancia a la que el correlograma intercepta con el eje x. Fig. 5. Esamación Bayesiana de la estructura poblacional de Juniperus cedrus. (A) individuos procedentes de todas las poblaciones muestreadas. (B) Subestructura esamada a parar de los grupos obtenidos en (A). • Las poblaciones más loci polimórficos se localizan en las islas de La Palma y La Gomera (42.7% y 74.2%, respectivamente). Esta última isla alberga un nº desproporcionado de alelos exclusivos (52). El análisis de STRUCTURE también señala a La Gomera como la isla más diversa, con individuos pertenecientes a 5 grupos diferentes. Este escenario, por un lado, podría ser el resultado de talas menos intensas en las islas de menor tamaño que permitieran conservar una mayor proporción de diversidad genética. Por otro lado, La Gomera es una isla de gran antigüedad (12 Ma) y estabilidad, que podría haber permitido la acumulación de variación genética durante largos periodos evolutivos. • Tanto el AMOVA (indicando mayor proporción de variación genética dentro de poblaciones y no entre islas) como el débil aislamiento por distancia detectado en Mantel test (R 2 = 0.34; p = 0.004), indicarían un flujo génico relativamente dinámico entre islas. Sin embargo, el correlograma muestra una autocorrelación espacial con valores positivos de la I de Moran dentro de ≈ 30 km (distancia insuficiente para conectar poblaciones de diferentes islas). El análisis de STRUCTURE también muestra cierto aislamiento insular, con las poblaciones de Tenerife y Gran Canaria bien diferenciadas del resto. N África O Mediterráneo Canarias Madeira Azores Mya
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MATERIAL Y MÉTODOS
OrigenydiversificacióndelCedroJuniperuscedrus(Cupressaceae)enlasIslasCanarias
BeatrizRumeu1,PabloVargas2,RuthJaén‐Molina3,ManuelNogales1&JuliCaujapé‐Castells31GrupodeEcologíayEvoluciónenIslas(IPNA‐CSIC),C/AstroBsicoFco.Sánchez,3.38206,LaLaguna,Tenerife,IslasCanarias([email protected])2RealJardínBotánicodeMadrid,CSIC,PlazaMurillo2,28014Madrid3DepartamentodeBiodiversidadMolecularyBancodeADN,JardínBotánicoCanario‘VierayClavijo’‐UnidadAsociadaCSIC,Ap.decorreos14deTafiraAlta,35017,LasPalmasdeGranCanaria
CONCLUSIONES
1. Elcedrocanariomuestraunsoloorigen,probablementemediterráneo,yunahistoriaevoluOvaindependienteal
restodecongéneresmacaronésicos.
2. LabajadiversidadhaploQpicaencontradapodríaserelresultadodeunapérdidadevariacióndebidaacuellosdebotellamuyacusadosenlaspoblaciones.
3. Deentrelascuatroislasdondeseencuentraelcedrocanario,LaGomerarepresentaun“santuario”dediversidad
genéOcaquemereceespecialatencióndesdeelpuntodevistadelaconservación.
4. PeseaqueJ.cedrusesunaespecieconpotencialdispersivosuficienteparamantenerunflujogénicodinámico
entrelasislas,lafuertefragmentaciónpoblacionalpodríaserelfactorresponsabledelaislamientoinsular
detectado.
AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen la ayuda de F. Medina, A. Fernández, D. P. Padilla, M. Soto y R. Domínguez durante la colecta de muestras en el campo; E. Cano por su ayuda en el laboratorio y J. Martínez por la cesión de material vegetal esencial para el trabajo. J. L. Blanco-Pastor nos ayudó con los análisis filogenéticos. Agradecemos al Organismo Autónomo de Parques Nacionales y al Cabildo Insular de La Palma y Gran Canaria los permisos necesarios para el trabajo de campo. Este estudio ha sido parcialmente financiado por el Ministerio español de Ciencia e Innovación, el Gobierno de Canarias y el Organismo Autónomo de Parques Nacionales.
• Los tres análisis filogenéticos apoyan la monofilia de J. cedrus, con un período de diversificación de sus poblaciones entre 5.3 y 0.18 Ma. La falta de apoyo en el árbol resultante no permite generar una hipótesis clara acerca del momento de colonización a las islas. Sin embargo, la combinación de la aproximación filogenética y filogeográfica sí permite deducir un origen geográfico probablemente Mediterráneo.
• Los resultados también apuntan a distintas historias evolutivas para las tres especies de Juniperus endémicas de la Macaronesia, que parecen ser el resultado de tres colonizaciones independientes a Azores, Madeira y Canarias.
• El nº de haplotipos del canario J. cedrus (4) es inferior al encontrado para J. brevifolia en Azores (16) para las mismas regiones plastidiales (Rumeu et al. in prep.), lo que indica niveles inferiores de diversidad genética que podrían ser el resultado de las drásticas reducciones de los tamaños poblacionales, mucho más acusadas en Canarias.
INTRODUCCIÓN
El cedro canario (Juniperus cedrus Webb & Berth., Cupressaceae) es una especie exclusiva del archipiélago canario, y en concreto está presente en las islas de La Palma, La Gomera, Tenerife y Gran Canaria. Su distribución actual se restringe fundamentalmente a zonas escarpadas y de difícil acceso, como consecuencia de las sucesivas talas en épocas pasadas que redujeron y fragmentaron las poblaciones naturales de forma muy acusada. Pese a su protección oficial, esta gimnosperma se encuentra aún en delicado estado de conservación, por lo que el conocimiento de sus niveles de diversidad genética y la distribución de la misma se tornan de especial interés para un buen manejo de la especie. En este trabajo se han analizado conjuntamente datos de cuatro regiones del ADN plastidial y de AFLPs con los siguientes objetivos: (1) inferir el origen espacio-temporal de J. cedrus, (2) conocer los patrones de diversidad y diferenciación en las islas, y (3) contribuir al diseño de estrategias de conservación apropiadas.
REFERENCIAS Mao K, Hao G, Liu J, Adams RP, Milne RI (2010) Diversification and
biogeography of Juniperus (Cupressaceae): variable diversification rates and multiple intercontinental dispersals. New Phytologist 188: 254-272
Caujapé Castells, J., Castellano, J.J., Henríquez, V., Ramos, R., Sabbagh, I., Quintana-Trujillo, F.M., Rodríguez, J.F., 2011. Transformer-4: a genotype matrix format translator. Jardín Botánico Canario "Viera y Clavijo"-Unidad Asociada CSIC, Instituto Tecnológico de Canarias, Jablesoft & Inventiaplus, Las Palmas de Gran Canaria, Spain. (http://.demiurge-project.org/download_t4).
Fig. 1. TheCanaryIslandsarchipelagoandgeologicalages.Juniperuscedruspopulaaonssampledareindicatedwithcircles.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Fig. 2. Filogenia de la sección Juniperus a parar de las regiones trnL y trnL‐trnF. Los valores sobre las ramas indican lapropabilidad posterior del análisis con BEAST; los números bajo las ramas indican el soporte de boostrap del análisis demáxima parsimonia (antes de la barra) y máxima verosimilitud (después de la barra). Los asteriscos indican ausencia desoporte. Las barras indicanaemposdedivergencia para cadanodo,mientras que los números en los círculos representanpuntosdecalibraciónobtenidosen(Maoetal.,2010).
Fig.3.ReddehaploaposbasadaenlasregionesdeANDcloroplásacopetN‐psbMytrnT‐trnL,ysudistribuciónespacial.Cadahaploapoestárepresentadoporuncódigoyuncolor
Se secuenciaron las regiones plastidiales petN-psbM y trnT-trnL de J. cedrus y de aquellas especies congenéricas que son genética y geográficamente más próximas (J. macrocarpa , J. oxycedrus y J. maderensis) para llevar a cabo un análisis filogeográfico que aportara más información para una inferencia del origen de J. cedrus en las islas Canarias. • Las relaciones genealógicas entre los haplotipos fueron
estimadas a través de parsimonia estadística (TCS 1.21).
Para estimar los niveles de diversidad genética intraespecífica, usamos marcadores de tipo AFLPs. • La matriz binaria fue importada al software Transformer-4 (Caujapé-Castells
et al. 2011), con el que se calculó el nº de alelos exclusivos por población y se generaron automáticamente las matrices de entrada para distintos programas con los que calculamos:
o Estimadores de la diversidad genética (Arlequin 3.5.1.2). o Aislamiento por distancia (Mantel test; GenAlex 6.41). o Estructura espacial de la diversidad genética (Autocorrelogramas; PASSaGE
2.0, Spagedi 1.3). o Estructura poblacional (STRUCTURE 2.3.2).
Se realizó un análisis filogenético de la sección Juniperus a partir de datos de dos regiones de ADN plastidial (el intron trnL y el espaciador intergénico trnL-trnF). Las secuencias fueron alineadas usando MAFFT 6. • Usamos máxima parsimonia (TNT 1.1), maxima
verosimilitud (RAxML) e inferencia bayesiana para estimar tiempos de divergencia (BEAST 1.6.0).
Aproximación filogenética y filogeográfica
Diferenciación genética dentro de Juniperus cedrus
Isla Pob. N Fragtot Fragpoli Fragexclu HD±SD
LaPalma P‐PL 4 219 49 0 0.16±0.11 P‐PR 9 219 90 3 0.16±0.09
LaGomera G‐PN 28 219 98 52 0.16±0.08 Tenerife T‐FT 11 219 54 1 0.15±0.08
T‐SC 12 219 53 2 0.12±0.07 T‐MC 2 219 15 0 0.07±0.07 T‐UC 2 219 25 0 0.13±0.13
GranCanaria C‐MC 5 219 39 4 0.11±0.07
Fuentedevariación
g.l. Sumadecuadrados
Componentesdelavarianza
Porcentajedevariación(%)
P
Entreislas 3 150.73 2.08 16.66 <0.001*** Entrepoblacionesdentrodeislas
4 51.21 0.52 4.18 0.007**
Dentrodepoblaciones
65 641.99 9.88 79.16 <0.001***
Tabla 1. Poblaciones muestreadas de Juniperus cedrus. Pob.: abreviacióndelnombredelapoblación,N:nºdeindividuosanalizados.Fragtot:nºtotaldefragmentosdeAFLPs,Fragpoli:nºdefragmentospolimórficos,Fragexcl:nºde fragmentos exclusivos en la población, HD ± SD: diversidad genéacamedia±desviaciónestándar.
Tabla2.Análisismolecularde la varianza (AMOVA)apararde losperfilesdeAFLPsdeochopoblacionesdeJ.cedrus.Testdesignificanciabasadoen1023permutaciones.
Fig.4.Correlogramaespacialmedio(Moran’sI)paraJuniperuscedrusenlasIslasCanarias.Lalíneasólidarepresentalamedia(±SE)delos44valoresdeIdelosalelosqueindividualmentemostraronautocorrelaciónespacialsignificaava.Lasclasesdedistanciaagrupanaproximadamenteigualnºdeparescomparados.Laflechamuestraladistanciaalaqueelcorrelogramainterceptaconelejex.
Fig.5.EsamaciónBayesianadelaestructurapoblacionaldeJuniperuscedrus.(A)individuosprocedentesdetodaslaspoblacionesmuestreadas.(B)Subestructuraesamadaaparardelosgruposobtenidosen(A).
• Las poblaciones más loci polimórficos se localizan en las islas de La Palma y La Gomera (42.7% y 74.2%, respectivamente). Esta última isla alberga un nº desproporcionado de alelos exclusivos (52). El análisis de STRUCTURE también señala a La Gomera como la isla más diversa, con individuos pertenecientes a 5 grupos diferentes.Este escenario, por un lado, podría ser el resultado de talas menos intensas en las islas de menor tamaño que permitieran conservar una mayor proporción de diversidad genética. Por otro lado, La Gomera es una isla de gran antigüedad (12 Ma) y estabilidad, que podría haber permitido la acumulación de variación genética durante largos periodos evolutivos.
• Tanto el AMOVA (indicando mayor proporción de variación genética dentro de poblaciones y no entre islas) como el débil aislamiento por distancia detectado en Mantel test (R2 = 0.34; p = 0.004), indicarían un flujo génico relativamente dinámico entre islas. Sin embargo, el correlograma muestra una autocorrelación espacial con valores positivos de la I de Moran dentro de ≈ 30 km (distancia insuficiente para conectar poblaciones de diferentes islas). El análisis de STRUCTURE también muestra cierto aislamiento insular, con las poblaciones de Tenerife y Gran Canaria bien diferenciadas del resto.
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