Bases fisiológicas y moleculares asociadas al establecimiento de plántulas de Nothofagus en ambientes naturales

Abstract

Las proyecciones para el Cambio Climático Global (CCG) en Patagonia norte indican un aumento de la temperatura y disminución de las precipitaciones, así como también un incremento en la ocurrencia de fenómenos extremos. En este contexto, un interrogante abierto es qué capacidad poseen las especies vegetales para subsistir en condiciones climáticas diferentes, como las predichas por el CCG. Esto es de especial relevancia para los árboles, cuyos largos tiempos generacionales se asocian a un bajo recambio poblacional. El estudio de caracteres adaptativos bajo diferentes escenarios climáticos, como los existentes a lo largo de gradientes ambientales, constituye un abordaje particularmente útil, ya que permite evaluar las potenciales respuestas de poblaciones actuales frente a diversas condiciones. El género Nothofagus comprende especies forestales dominantes del bosque andino-patagónico, las cuales cubren gran parte del gradiente pluviométrico y todo el gradiente altitudinal de la Patagonia andina argentina. En particular, hacia los 40º S, Nothofagus obliqua, N. alpina y N. pumilio se distribuyen marcadamente a lo largo de un gradiente altitudinal. Mientras que N. obliqua domina los pisos altitudinales entre 600 y 900 msnm, N. alpina se distribuye desde los 800 hasta los 1000 msnm y N. pumilio desde los 1000 msnm y hasta el límite altitudinal del bosque. En este gradiente, el factor ambiental que presenta la mayor variación con la altitud es la temperatura. Es por ello que la distribución en estratos altitudinales sugiere una preferencia diferencial de nichos térmicos por parte de las especies. En esta tesis, mediante la articulación de experimentos en el bosque en combinación con abordajes ecofisiológicos y genómicos, se estudió el comportamiento de plantas de especies del género Nothofagus en distintos ambientes naturales, establecidos a lo largo de un gradiente altitudinal. En el capítulo 2, se estudió el comportamiento de regeneración de N. obliqua, N. alpina y N. pumilio, mediante la instalación de transplantes recíprocos en un bosque ubicado en Patagonia norte. En forma general, los resultados indican que el ambiente local, es decir el embiente que experimentan los individuos, influye sobre la emergencia y la supervivencia de las plántulas. También aportan evidencias favor de que, en N. pumilio y en cierta medida en N. obliqua, la fenología de la germinación es un carácter plástico, que se ajusta a las ventanas climáticas de mayor supervivencia de las plántulas. Por otro lado, el análisis de las dinámicas de mortalidad de plántulas con respecto a variables térmicas e hídricas de los distintos ambientes estudiados indicaron que la mortalidad de plántulas de N. obliqua y N. alpina mostró una mayor influencia por factores relacionados con la temperatura y la sequía, mientras que para N. pumilio solamente los factores térmicos resultaron más adecuados para explicar este comportamiento, sugiriendo la existencia de diferencias inter-específicas en la respuesta de la regeneración al ambiente natural. Para todas las especies, la supervivencia estuvo fuertemente influenciada por la etapa ontogenética de la plántula, con mayores porcentajes de mortalidad durante los primeros meses de vida. En el capítulo 3, se estudió la variación fenotípica de caracteres de importancia adaptativa en individuos de N. pumilio y N. obliqua en un estadio posterior (plantas de 3 años de edad) dentro y fuera de sus áreas de distribución. Se midió el diámetro a la altura del cuello, el contenido foliar de clorofilas a y b, carotenoides y antocianinas y la fluorescencia de la clorofila, ya que, como se explica en esta tesis, estos caracteres se consideran adaptativos, de acuerdo a diversos estudios de fisiología y ecología vegetal. Se encontró que, tanto los individuos de N. pumilio como los de N. obliqua mostraron una variación en los caracteres, relacionada con los diferentes ambientes en los que se evaluaron las plantas. Por último, en el capítulo 4 se realizó una caracterización genética de los individuos correspondientes a este ensayo, utilizando datos de secuenciación del genoma reducido (ddRAD-seq). Se identificaron 202702 y 216749 polimorfismos en las lecturas R1 y R2 de N. obliqua, respectivamente, de los cuales 6114 y 7601 superaron los filtros para ser utilizados en los análisis de asociación subsiguientes. En el caso de N. pumilio, el número de polimorfismos identificados en las lecturas R1 y R2 fue de 190126 y 198391, respectivamente, de los cuales 1644 y 1670 superaron los filtros. Se detectaron niveles de variabilidad moderados a altos y similares para ambas especies. Finalmente, en base a la información genética y fenotípica relevada en el ensayo presentado en el capítulo 3, se realizó una prueba de concepto para establecer relaciones entre polimorfismos nucleotídicos y variaciones en caracteres de importancia adaptativa. Mediante la utilización de modelos de asociación genómica, se identificaron 5 SNPs de N. obliqua y 7 de N. pumilio asociados significativamente a rasgos de interés. El análisis del contexto genómico de este conjunto de marcadores reveló que, 7 de ellos, se encuentran en regiones vinculadas con funciones de respuesta frente a ciertas condiciones de estrés abiótico o comunicación celular Estos resultados representan los primeros análisis genómicos de N. obliqua y N. pumilio, contribuyen a la ampliación de los escasos recursos genéticos de estas especies emblemáticas del bosque andino-patagónico y proveen una estrategia robusta para futuros estudios de mapeo por asociación.

Global Climate Change (GCC) projectionsin northern Patagonia indicate a raise in temperature and a decrease in rainfall, as well as an increase in the occurrence of extreme phenomena. In this context, an open question is what is plant species’ capacity to survive under different climatic conditions, such as those predicted by CCG. This is especially relevant for trees, which long generation times is associated with low population turnover. The study of adaptive characters under different climatic scenarios, such as those existing along environmental gradients, constitutes a particularly useful approach, since it allows the evaluation of potential responses of current populations under different conditions. The genus Nothofagus includes dominant forestry species of the Andean-Patagonian forest, which cover a large part of the pluviometric gradient and the entire altitudinal gradient of the Argentine Andean Patagonia. In particular, towards 40º S, Nothofagus obliqua, N. alpina and N. pumilio are markedly distributed along an altitudinal gradient. While N. obliqua dominates the elevation floors between 600 and 900 meters above sea level (masl), N. alpina is found from 800 to 1000 masl and N. pumilio from 1000 masl and up to the treeline. In this gradient, the environmental factor that exhibits the greatest variation with altitude is temperature. Therefore, this particular distribution across altitude suggests that these species could have differential preference for thermal niches. In this thesis, the behavior of Nothofagus seedlings was studied across different natural environments, established along an altitudinal gradient, through the combination of experiments in the forest with ecophysiological and genomic approaches. In chapter 2, the regeneration behavior of N. obliqua, N. alpina and N. pumilio was studied through the installation of reciprocal transplantations in a natural forest located in northern Patagonia. In general, the results indicate that the local environment, which means the environment that the seedlings experience during the experiment, influences seedlings’ emergence and survival. They also provide evidence in favor of the fact that, in N. pumilio and to a certain extent in N. obliqua, the phenology of germination is a plastic character, which adjusts to the climatic windows of greater survival of seedlings. The analysis of relationships between thermal and hydric variables of the different environments with the dynamics of seedling mortality indicated that seedlings’ mortality of N. obliqua and N. alpina was greatly influenced by factors related to temperature and drought, while in N. pumilio only thermal factors were the most adequate to explain this behavior, suggesting the existence of interspecific differences in the response of regeneration to the natural environment. In all three species, survival was strongly influenced by the ontogenetic stage of the seedling, with higher percentages of mortality during the firsts months of life. In Chapter 3, the phenotypic variation in traits of adaptive importance was studied in individuals of N. pumilio and N. obliqua at a later stage (3-year-old plants), inside and outside their natural ranges. Root collar diameter, foliar content of chlorophylls a and b, carotenoids and anthocyanins, and chlorophyll fluorescence were measured, in view that, as discussed in this thesis, these plant traits are considered adaptive traits according to diverse ecological and physiological studies. It was found that both the individuals of N. pumilio and N. obliqua showed a variation in the traits of interest, related to the different environments in which the plants were tested. In chapter 4, a genetic characterization of the individuals planted in this essay was carried out, using sequencing data from a reduced representation of the genome (ddRAD-seq). In N. obliqua, 202702 and 216749 polymorphisms were identified from the R1 and R2 reads, respectively, of which 6114 and 7601 passed the filters to be used in subsequent association analysis. In N. pumilio, the number of identified SNPs from the R1 and R2 reads was 190126 and 198391, respectively, of which 1644 and 1670 passed the filters. Variability was found to be moderate to high for both species, which showed similar levels. Finally, based on the genetic and phenotypic information obtained in the saplings’ essay, a concept test was carried out to establish relationships between nucleotide polymorphisms and variations in traits of adaptive importance. Using genomic association models, a set of 5 SNPs from N. obliqua and 7 from N. pumilio was associated with traits of interest. The analysis of the genomic context of this set of markers revealed that 7 of them are found in regions linked to functions related the response to certain conditions of abiotic stress or cell communication. These results represent the first genomic analysis in N. obliqua and N. pumilio, contribute to the expansion of the scarce genetic resources of these emblematic species of the AndeanPatagonian forest and provide a robust strategy for future association mapping studies.