Conservation genetics in threatened plants in NW Spain

Abstract

[Resumen] La adecuada gestión de plantas con especial interés para la conservación requiere conocer la magnitud y la distribución espacial de la diversidad genética, ya que estas especies a menudo presentan características que las hacen más susceptibles a la erosión genética. En este contexto, la presente tesis se centra en la aplicación de marcadores moleculares para la conservación de plantas raras y amenazadas. En los dos primeros capítulos se investiga la diversidad genética y la estructura de población del endemismo clonal Centaurea borjae empleando AFLPs y secuencias del genoma del cloroplasto. C. borjae mostró una diversidad genética intermedia-baja en comparación con otras plantas con rasgos vitales similares. El flujo genético está restringido, ya que poblaciones distanciadas unos cientos de metros presentaron diferencias significativas. La frecuencia de clones fue inferior a la esperada y parece estar relacionada con el tipo de suelo. Finalmente, se recomienda establecer cinco Unidades de Gestión y mantener una distancia >80 m entre individuos recogidos para conservación ex situ. A lo largo del tercer capítulo, se investiga la diversidad neutral y cuantitativa del terófito amenazado Omphalodes littoralis spp. gallaecica. Las cinco poblaciones existentes revelaron una diversidad genética neutral mínima o cero además de ausencia de flujo genético entre ellas. Mediante experiencias de trasplante recíproco, se encontraron diferencias entre poblaciones en varios caracteres cuantitativos pero dicha diferenciación no se ajustó a un patrón de adaptación local. Por contra, la variación fenotípica parecía ser consecuencia de la deriva genética. En base a los resultados genéticos y fenotípicos, cada población debe considerarse como una Unidad Evolutivamente Significativa independiente a efectos de conservación. El último capítulo se centra en desarrollar marcadores SSR para plantas amenazadas utilizando secuencias EST disponibles en bases de datos públicas. Se estudiaron 257 géneros y el 86% de ellos fueron analizados con éxito. Como la mayoría de estos géneros carecen de genomas anotados, Arabidopsis y Oryza se emplearon como controles para determinar la distribución de los EST-SSRs a lo largo del genoma. Dímeros y trímeros fueron los tipos de repeticiones más abundantes. Los genomas de control revelaron que los trímeros están distribuidos principalmente en regiones de codificantes, mientras que los dímeros se asocian mayoritariamente con regiones no codificantes. La tasa de amplificación fue buena. Además, fueron transferibles entre especies del mismo género.[Resumo] Unha adecuada xestión en plantas con especial interese para a conservación require coñecer a magnitude e a distribución espacial da diversidade xenética, xa que estas especies a miúdo posúen características que as fan máis susceptibles á erosión xenética. Neste contexto, a presente tese centrase na aplicación de marcadores moleculares para a conservación de plantas raras e ameazadas. Ó longo dos dous primeiros capítulos investigase a diversidade xenética e a estrutura poboacional do endemismo clonal Centaurea borjae empregando AFLPs e secuencias do xenoma do cloroplasto. C. borjae amosou una diversidade intermediabaixa en comparación con outras plantas con rasgos vitáis similares. O fluxo xenético parece estar restrinxido, xa que poboacións distanciadas uns centos de metros presentaron diferencias significativas. A presencia de clons foi inferior á esperada e parece estar relacionada co tipo de solo. Finalmente, recoméndase establecer cinco Unidades de Xestión e manter unha distancia >80 m entre individuos recollidos para conservación ex situ. Ó longo do terceiro capítulo, investigase a diversidad neutral e cuantitativa do terófito ameazado Omphalodes littoralis spp. gallaecica. As cinco poboacións existentes revelaron unha diversidade xenética neutral mínima ou cero e ausencia de fluxo xenético entre elas. Os transplantes recíprocos amosaron diferencias entre poboacións para varios caracteres cuantitativos, non obstante dita diferenciación nos se axustou a un patrón de adaptación local. Pola contra, a variación fenotípica pareceu ser consecuencia da deriva xenética. En base ós resultados xenéticos e fenotípicos, cada poboación debe considerarse como unha Unidade Evolutivamente Significativa independente para fins da súa conservación. O último capítulo centrase no desenvolvemento de marcadores SSR para plantas ameazadas empregando secuencias EST dispoñibles en bases de datos públicas. Estudiáronse 257 xéneros e o 86% dos mesmos foron analizados con éxito. Como a maioría de estes xéneros carecen de xenomas anotados, Arabidopsis e Oryza empregáronse como controles para determinar a distribución dos EST-SSRs ó longo do xenoma. Dímeros e trímeros foron os tipos de repeticións máis abundantes e os xenomas de control revelaron que os trímeros distribúense principalmente en rexións codificantes, mentres que os dímeros están maioritariamente asociados con rexións non codificantes. O éxito de amplificación dos EST-SSRs foi bo e ademais, foron transferibles entre especies do mesmo xénero.[Abstract] Appropriate management of plants of conservation concern requires reliable estimates of the magnitude and spatial distribution of genetic diversity as these species often combine features that make them potentially susceptible to genetic erosion. In this regard, the present thesis focuses on applying genetic markers to the conservation of rare and threatened plants. In the first two chapters, genetic diversity and population structure of the clonal endemism Centaurea borjae is assessed using AFLPs and cpDNA sequences. C. borjae displayed intermediate-low genetic diversity compared to other plants with similar life-history traits. Gene flow seem to be restricted as populations separated by few hundred meters showed significant differentiation. Clonal frequency was lower than anticipated and might be related to soil type. Five Management Units were designated for conservation purposes and sampling for ex situ preservation should focus on individuals separated >80 m. In the third chapter, the neutral and quantitative diversity of the endangered therophyte Omphalodes littoralis spp. gallaecica is investigated. The five extant populations displayed minimal to none neutral genetic diversity and a lack of gene flow between them. Reciprocal transplant experiments showed among-population differentiation in several quantitative traits but the pattern of differences did not fit the expectations of local adaptation. Instead, it seemed to be caused by genetic drift. Based on the genetic and phenotypic results, each population should be designated as an independent Evolutionary Significant Unit for conservation purposes. The last chapter focuses on developing SSRs markers for threatened plants using EST sequences available in public databases. 257 genera were analyzed and 86% of them were successfully mined. As most of these genera lack an annotated genome, Arabidopsis and Oryza were used as controls for genome distribution analyses. Dimers and trimmers were prevalent types of repeat. Control genomes revealed that trimmers were mostly located in coding regions while dimers were largely associated to untranslated regions. Finally, empirical trials showed that EST-SSRs had high amplification success and were 100% transferable between species in two tested genera.