L origine della specie

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1 VARIABILITA Charles Darwin (1859) L origine della specie La teoria evolutiva si basa su tre caratteristiche universalmente presenti nel mondo vivente : EREDITARIETA DIFFERENTE SUCCESSO RIPRODUTTIVO

2 Un processo stocastico è caratterizzato da un comportamento non deterministico, cioè è un processo in cui uno stato successivo non viene completamente determinato dallo stato precedente FLUSSO GENICO DERIVA GENETICA È un effetto stocastico derivante dal ruolo del campionamento casuale nella produzione di prole. Più la popolazione è piccola, più è intensa la deriva genetica FORZE EVOLUTIVE CHE AGISCONO SULLA VARIABILITÀ GENETICA ACCOPPIAMENTO NON CASUALE MUTAZIONE AA BC BC DE A 25% B 25% C 25% D 12.5% E 12.5% B 75% C 25% BB BB BC BC SELEZIONE

3 FLUSSO GENICO Movimento di geni tra le popolazioni (i geni si intendono sotto forma di gameti, propaguli e individui) che determini un cambiamento della distribuzione spaziale dei geni Slatkin Qualsiasi movimento tra gruppi di organismi che determini cambiamenti genetici nei gruppi interessati Hedrick Trasferimento di alleli tra popolazioni MIGRAZIONE Da non confondere con: Ogni movimento, inclusi movimenti ciclici, che termina con il ritorno dell organismo alla sua posizione originale DISPERSIONE Ristretta più precisamente ai movimenti che aumentano la distanza tra organismi

4 EFFETTI SULLA VARIABILITA GENETICA SELEZIONE INBREEDING DERIVA GENETICA FLUSSO GENICO MUTAZIONE OUTBREEDING

5 EFFETTI SULLA VARIABILITA GENETICA SELEZIONE INBREEDING DERIVA GENETICA FLUSSO GENICO MUTAZIONE OUTBREEDING ELEVATO FLUSSO GENICO

6 EFFETTI SULLA VARIABILITA GENETICA SELEZIONE INBREEDING DERIVA GENETICA FLUSSO GENICO MUTAZIONE OUTBREEDING SCARSO FLUSSO GENICO

7 EFFETTI SULLA VARIABILITA GENETICA SELEZIONE INBREEDING DERIVA GENETICA FLUSSO GENICO MUTAZIONE OUTBREEDING SCARSO FLUSSO GENICO ENTRO POPOLAZIONE

8 FLUSSO GENICO FLUSSO GENICO STORICO Flusso genico sperimentato da una metapopolazione durante la sua storia evolutiva FLUSSO GENICO CONTEMPORANEO Pattern attuale degli scambi genetici tra o entro popolazione, la risoluzione aumenta fino ad una generazione oppure fino all ultimo evento riproduttivo STIMATI MEDIANTE METODI INDIRETTI METODI DIRETTI Stimano il flusso genico storico a partire dalla struttura genetica attuale Il flusso genico storico risulta essere una media di quello sperimentato dalla popolazione dalla sua fondazione ad oggi Si stima direttamente la dispersione dei propaguli. Quest'ultima categoria di metodi è sostanzialmente più difficile da implementare e produce solo una ``fotografia istantanea'' nel tempo (una stagione, una generazione in una popolazione), cioè le stime possono variare da un anno all'altro. Conoscendo il genotipo degli individui adulti attualmente presenti nella popolazione si possono seguire i loro spostamenti e il loro contributo alle generazioni più recenti

9 METODI INDIRETTI I metodi indiretti, derivati principalmente dall F st di Wright (Wright, 1951), mostrano essenzialmente quale sia la frazione di varianza tra sottopopolazioni partendo dai dati genetici di una popolazione all equilibrio di Hardy-Weinberg, da tale valore si può stimare l importanza relativa di deriva genetica e flusso genico per quella popolazione. F ST misura la differenziazione delle popolazioni e rappresenta anche la % di varibilità genetica dovuta alla componente fra popolazioni

10 Leonardi et al., Conservation Biology, in prep. Scalfi et al., Molecular Ecology, in prep. Result of analysis of molecular variance (AMOVA) (Michalakis & Excoffier, 1997) Fragmentation level: High Intermediate Low F SG Remote-Abyssal Remote-Summit Near-Marginal Map of central Italy with all the sampled populations. In the small boxes a pictorial description of group characteristics is reported. F SG value ( bootstrap CI =95% ) calculated for each group of populations

11 METODI INDIRETTI Autocorrelazione Spaziale L approccio è basato sull analisi della relazione tra similarità genetica e distanza geografica che separa più individui e/o popolazioni Individuo Locus 1 Locus 2 Locus 3 GENOTIPO 1 2 aa ab xx yy wz wz DISTANZA GEOGRAFICA similarità genetica similarità genetica distanza geografica FLUSSO GENICO VIA POLLINE E/O VIA LIMITATO DALLA DISTANZA distanza geografica FLUSSO GENICO ELEVATO

12 Quercus rubra: -Dispersione zoocora (semi pesanti) -No adulti nell area -< densità di adulti fuori dall area Pinus strobus: -Dispersione anemocora (semi leggeri) -Individui adulti nell area ->densità di adulti fuori dall area

13 METODI DIRETTI ASSIGNMENT TEST Tra i metodi diretti recentemente sviluppati, mi sembra particolarmente interessante l assignment test, una procedura che permette, partendo dai dati genetici e dalla localizzazione geografica di individui appartenenti a popolazioni non necessariamente in equilibrio di Hardy-Weinberg, di calcolare: A) il numero ottimale di sotto popolazioni in cui è suddivisa la popolazione B) la probabilità che ciascun individuo appartenga ad ogni sottopopolazione, assegnandolo poi alla popolazione con probabilità maggiore. Ciò permette di valutare quanto le sottopopolazioni si sovrappongano, individuando eventuali ibridi o individui appartenenti a una sottopopolazione che si trovano nel territorio di altre (Davies et al., 1999). N = 50 N = 50 Locus 1 f(a)=95% f(a)=5% Locus 2 f(b)=90% f(b)=10% Locus 1 f(a)=5% f(a)=95% Locus 2 f(b)=10% f(b)=90% aa bb AABB

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16 PERCHE STUDIARE IL FLUSSO GENICO? CONSERVATION GENETICS GMO INTROGRESSION GLOBAL WARMING

17 Un caso di studio GENETICA DELLA COLONIZZAZIONE ORIGINE DELLA RINNOVAZIONE DI ABETE ROSSO ALLA TREELINE in preparazione

18 Treeline Ecotono di treeline: Körner and Paulsen, 2003

19 Treeline Ecotono di treeline: Körner and Paulsen, 2003

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21 Riveste grande interesse ecologico per due motivi principali: 1 In questo settore altitudinale della foresta le CONDIZIONI AMBIENTALI PARTICOLARMENTE STRESSANTI influenzano in modo determinante l accrescimento, la riproduzione e la competizione tra specie che si trovano ai loro limiti di distribuzione (Körner, 1998) PRINCIPALI LIMITAZIONI DI CARATTERE ABIOTICO Specie forestali BASSE TEMPERATURE SICCITÀ INVERNALE PERIODO VEGETATIVO CORTO ELEVATA VENTOSITÀ PRINCIPALI LIMITAZIONI DI CARATTERE BIOTICO PASCOLO DA ANIMALI SELVATICI PASCOLO DA ANIMALI DOMESTICI COMPETIZIONE CON ALTRE SPECIE RESIDENTI 2 Essendo considerato principalmente un THERMALLY LIMITED ECOTONE, è particolarmente sensibile ad alterazioni della temperatura (Dullinger, 2004) Le dinamiche della treeline rappresentano un buon indicatore dei cambiamenti indotti dalle variazioni climatiche

22 LA TREELINE è UN AMBIENTE ESTREMAMENTE SELETTIVO ESISTE UNA TENDENZA VERSO UN AVANZAMENTO ALTITUDINALE DELLA TREELINE MIGRAZIONE e SELEZIONE È importante capire da dove arrivano i semi..

23 LA TREELINE è UN AMBIENTE ESTREMAMENTE SELETTIVO ESISTE UNA TENDENZA VERSO UN AVANZAMENTO ALTITUDINALE DELLA TREELINE MIGRAZIONE e SELEZIONE ma soprattutto quali genotipo sopravvivono

24 Colonizzazione EFFETTO DEL FONDATORE COLONIZZAZIONE DIFFERENZIAZIONE GENETICA DALLA POPOLAZIONE SORGENTE STRUTTURAZIONE GENETICA SPAZIALE

25 Colonizzazione EFFETTO DEL FONDATORE COLONIZZAZIONE DIFFERENZIAZIONE GENETICA DALLA POPOLAZIONE SORGENTE STRUTTURAZIONE GENETICA SPAZIALE MATURITÀ SESSUALE TARDIVA (Specie forestali) ASSENZA DI STRUTTURAZIONE GENETICA SPAZIALE SCARSA DIFFERENZIAZIONE TRA LA POPOLAZIONE NEOFONDATA E LA POPOLAZIONE SORGENTE LA COLONIZZAZIONE VIENE SUPPORTATA PRINCIPALMENTE DAL FLUSSO GENICO DALLA POPOLAZIONE SORGENTE (Austerlitz et al. 2000) MA ALLA TREELINE

26 COLONIZZAZIONE SUPPORTATA DALLA POPOLAZIONE SORGENTE CONTRO ADATTAMENTI ALTITUDINALI FENOLOGIA MINOR DISTANZA DAL FRONTE DI COLONIZZAZIONE PRO RITARDO MATURITÀ SESSUALE ELEVATO FLUSSO GENICO AUMENTO TEMPERATURE MEDIE POCHI ADULTI ALLA TREELINE/MOLTI NELLA FORESTA SOTTOSTANTE SCARSA FECONDITÀ

27 PER CAPIRE LE CONSEGUENZE CHE EFFETTIVAMENTE DETERMINANO TUTTI I FATTORI IN GIOCO BISOGNA STUDIARE: 1) COSA AVVIENE LUNGO UN TRANSETTO ALTITUDINALE 2) COSA AVVIENE ALLA TREELINE VARIABILITÀ LUNGO TRANSETTO ALTITUDINALE: VARIABILITÀ AUMENTA (Oyama et al. 1993, Sanders et al. 2000, Ettl e Peterson 2001, Wen e Hsiao 2001, Gamperle e Sneller 2003) VARIABILITÀ RIMANE COSTANTE (MacDonald et al. 2001, Saenz-Romero e Tapia- Olivares 2003, Zhang et al ) VARIABILITÀ DIMINUISCE (Bergmann 1978, Taira et al. 1997, Premoli et al ) A NON È MAI STATO STUDIATO IL FLUSSO GENICO ALLA TREELINE B NON È MAI STATA DETERMINATA LA PROVENIEZA DELLA RINNOVAZIONE

28 Non sono mai state studiate le modalità di avanzamento della treeline (ricolonizzazione del pascolo d altura) Obiettivi 1 UN SETTORE ALTITUDINALE DELLA FORESTA CONTRIBUISCE IN MODO PARTICOLARE ALLA RICOLONIZZAZIONE? 2 QUALI SONO LE DINAMICHE DEL FLUSSO GENICO ALLA TREELINE? DA DOVE VIENE LA RINNOVAZIONE CHE PARTECIPA ALLA RICOLONIZZAZIONE?

29 Area di studio Foresta di Paneveggio (TN) latitudine ; longitudine ; altitudine m s.l.m. Contiene zone classificate tra il III ed il IV livello della scala di naturalità delle foreste (PETERKEN, 1996), cioè zone in cui gli interventi di gestione da parte dell uomo sono terminati da almeno 100 oppure 50 anni Specie studiata Abete rosso (Picea abies Karst.)

30 Campionamento Localizzazione dei plot TREELINE VB4 365 Individui VB3 137 adulti VB2 135 adulti VB1 129 adulti

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32 Campionamento L area di tree-line VB4 è stata istituita ex-novo per gli scopi di questo progetto Sono stati campionati, localizzati sulla mappa, e misurati (altezza e diametro) 365 individui Tutta la rinnovazione presente nell area Tutti i potenziali genitori presenti nell area fino al limite continuo superiore del bosco Il campionamento ha permesso di caratterizzare in modo molto preciso la distribuzione dell abete rosso nell area di tree-line ESTRAZIONE GENOTIPIZZAZIONE CON 5 SSR DI 766 INDIVIDUI

33 Differenziazione tra plot Risultati Locus F st 95%CI-inf 95%CI-sup Ptest a 1 coda H1: obs<exp Ptest a 1 coda H1: obs>exp Ptest a due code H1: obs<>exp ALL LOCI 0,003-0, , ,9451 0,0559 0,1109

34 Struttura genetica spaziale Risultati NON VIENE RISCONTRATA AGGREGAZIONE SPAZIALE DI GENOTIPI SIMILI

35 Analisi di Parentela OBIETTIVI DETERMINARE L ORIGINE DELLA RINNOVAZIONE NELLA ZONA DI COLONIZZAZIONE (GFI vs. GFO) CAPIRE SE GLI INDIVIDUI ADULTI PRESENTI ALLA TREELINE, ADATTATI ALLE CONDIZIONI LOCALI E VICINI AL FRONTE DI COLONIZZAZIONE, HANNO UN VANTAGGIO RIPRODUTTIVO NEI CONFRONTI DI QUELLI SOTTOSTANTI ANALIZZARE LA DISTRIBUZIONE DELLE DISTANZE EFFETTIVE DI DISPERSIONE ALLA TREELINE

36 Analisi di Parentela ZONA DI COLONIZZAZIONE OLTRE LA TREELINE

37 Analisi di Parentela rinnovazione potenziali genitori Per poter effettuare l analisi di parentela dobbiamo conoscere: 1 La posizione geografica di tutti gli individui presenti nell area campionata

38 Analisi di Parentela 2 il ruolo riproduttivo degli individui campionati (adulti o rinnovazione) rinnovazione potenziali genitori 3 il genotipo di tutti gli individui campionati

39 Analisi di Parentela 4 la compatibilità genetica tra tutte le possibili terne (coppia di genitori-individuo giovane) e coppie (singolo genitore individuo giovane) rinnovazione potenziali genitori COMPATIBILITÀ GENETICA

40 Analisi di Parentela L analisi di parentela può venire eseguita con 2 approcci: ESCLUSIONE DI PARENTELA, in cui i potenziali genitori vengono esclusi in base all incompatibilità con il genotipo della prole, fino a che non ne resta solo una coppia. ATTRIBUZIONE PROBABILISTICA in cui ad ogni possibile coppia di genitori viene assegnato un punteggio, chiamato LOD, calcolato come la probabilità di essere i genitori di un particolare individuo, diviso la probabilità di non esserlo. PROBABILITA CHE C E D SIANO GENITORI DI B T (g B g C,g D ) P(g C ) P(g D ) PROBABILITA CHE LA COMBINAZIONE DEI TRE GENOTIPI SIA CASUALE P(g B ) P(g C ) P(g D )

41 Risultati Analisi di parentela Probabilità di esclusione PROBABILITA DI ESCLUSIONE: la capacità media di un set di marcatori di escludere gli individui dalla lista dei potenziali genitori basandosi sull incompatibilita genetica dipende da: COPPIA DI GENITORI SINGOLO GENITORE i genotipi dei potenziali genitori le frequenze alleliche della popolazione il numero dei loci indipendenti testati ASSEGNAZIONE MOST LIKELY software FaMoz (Gerber et al. (2003) Molecular Ecology Notes, 3: )

42 Risultati Analisi di parentela Flusso genico GENOTYPIC LEVEL GAMETIC LEVEL 98% DELLA RINNOVAZIONE HA ALMENO UN GENITORE LOCALIZZATO ALL ESTERNO DELL AREA ELEVATO FLUSSO GENICO DALL ESTERNO 72% DEI GAMETI CAMPIONATI PROVIENE DALL ESTERNO

43 Risultati Analisi di parentela Successo riproduttivo 27% 61% COMPATIBILI CON IL 33.3% DELLA RINNOVAZIONE PRODUCONO IL 18.7% DEI GAMETI CAMPIONATI MEDIA = 8.43 ± 2.25 SE RANGE = 0 51

44 Risultati Analisi di parentela Assunzioni A ASSUNZIONI DI DOW & ASHLEY (1996) Molecular Ecology, 5: B se un individuo giovane è compatibile con un solo genitore, allora questo genitore viene considerato il produttore del seme; se un individuo giovane è compatibile con una coppia di genitori, il genitore più vicino viene considerato il produttore del seme, mentre quello più lontano il produttore del polline.

45 Risultati Analisi di parentela Distanze di disseminazione per singola madre PIANTA MADRE 2323 PIANTA MADRE 2359 PIANTA MADRE 2377 PIANTA MADRE 2336

46 Risultati Analisi di parentela Distribuzione distanze di disseminazione MEDIA = m ± SE RANGE = m

47 Risultati Analisi di parentela Distribuzione distanze di disseminazione Dall andamento della curva di dispersione effettiva del seme (recruitment pattern) si può dedurre la curva di sopravvivenza L andamento della distribuzione osservata è coerente con il J-C recruitment pattern

48 Risultati Analisi di parentela Distribuzione distanze di disseminazione

49 Conclusioni MATURITÀ SESSUALE TARDIVA LA COLONIZZAZIONE VIENE SUPPORTATA PRINCIPALMENTE DAL FLUSSO GENICO DALLA POPOLAZIONE SORGENTE SCARSA DIFFERENZIAZIONE TRA LA POPOLAZIONE NEOFONDATA E LA POPOLAZIONE SORGENTE ASSENZA DI STRUTTURAZIONE GENETICA SPAZIALE F st LA RICOLONIZZAZIONE NELL AREA DI TREELINE È SUPPORTATA PRINCIPALMENTE DA FLUSSO GENICO PROVENIENTE DALL ESTERNO

50 Conclusioni Confronto letteratura F st IN ENTRAMBI I CASI è STATO RISONTRATO UN ELEVATO FLUSSO GENICO Risultati del lavoro di Truong et al. (2007) Risultati dell esperimento

51 Conclusioni ESISTE UNA NOTEVOLE DIFFERENZA NEL SUCCESSO RIPRODUTTIVO DEI POTENZIALI GENITORI PRESENTI NELL AREA DI TREELINE TALE DIFFERENZA È CORRELATA ALLE CARATTERISTICHE MORFOMETRICHE MISURATE 2 LE PROGENIE DI ALCUNI GENOTIPI POTREBBERO ESSERE FAVORITA IN TERMINI DI INSEDIAMENTO E SOPRAVVIVENZA

52 Conclusioni 3 IL PATTERN DI RECLUTAMENTO INDICA UN AUMENTO DELLA SOPRAVVIVENZA LONTANO DALLE PIANTE ADULTE Competizione, predazione, disponibilità di luce L APPROCCIO UTILIZZATO (variabilità LUNGO UN TRANSETTO ALTITUDINALE + ANALISI DI PARENTELA) FORNISCE UN PUNTO DI PARTENZA SOLIDO PER INTERPRETARE L INTERAZIONE TRA FLUSSO GENICO E SELEZIONE LOCALE NEL PROCESSO DI COLONIZZAZIONE

53 GRAZIE