Using genomic approaches for the conservation of conifer species populations at different spatial scales

Abstract

Biodiversity conservation often focuses on the ecosystem and species level overlooking the third and invisible level: genetic diversity. Genetic diversity is the basis of sustainability, allowing species to adapt and evolve under a multitude of biotic and abiotic threats towards their long-term survival. Forest Genetic Resources (FGR) represent the unique genetic diversity of forest species with a potential economic, environmental, scientific, or social value for humanity. This Doctoral Thesis examines the conservation of forest genetic resources using genomic approaches at different spatial scales in five conifer species (<i>Abies alba</i>, <i>Pinus cembra</i>, <i>Pinus halepensis</i>, <i>Pinus nigra</i>, and <i>Taxus baccata</i>). After an introductory Chapter (Chapter 1), Chapter 2 elucidates geographic patterns of genetic diversity in natural populations of the studied species across their European distribution range and investigates the use of genetic diversity statistics as a proxy to effective population size (N_e). Genetic diversity statistics, such as observed heterozygosity (H_O), gene diversity within populations (H_S) and inbreeding coefficient (F_IS), were calculated using genome-wide data (SNPs) and a tailored automated bioinformatics pipeline, specifically constructed for this purpose. These statistics were then correlated with geographic coordinates to interpolate the spatial distribution of genetic diversity across their European distribution range. Furthermore, by advancing a specific theoretical population genetics framework, the use of heterozygosity as an indirect N_e estimation, under certain assumptions, is proposed. The findings can further contribute to in situ conservation of forest genetic resources and reveal conservation gaps, when applied in a broader sampling framework. Chapter 3 explores how heterozygosity and genetic load can drive performance, using two phenotypic traits (basal area and height) as proxies of fitness. SNP datasets for all studied species and several models, including genetic and bioclimatic variables, were analyzed to detect if heterozygosity, recessive, or additive genetic load, contribute to performance in each species. The results showed no positive correlation for heterozygosity, nevertheless theory did show a negative correlation for recessive and additive genetic load affecting basal area in <i>Pinus halepensis</i>. Understanding whether heterozygosity and genetic load influence performance can assist in guiding monitoring strategies for both conservation and breeding purposes. Chapter 4 evaluates the genetic diversity of a clonal seed orchard of <i>Pinus halepensis</i> in Amfilochia, Greece, to assess if it can serve for <i>ex situ</i> conservation and restoration in the area of the material’s origin in Euboea, Greece, and compares the adult trees and offspring of the seed orchard using SNP data. The results indicated that genetic diversity was maintained between the source population and the seed orchard, which can be established as a dynamic <i>ex situ</i> conservation unit. The forest reproductive material of the seed orchard can be used to support restoration and reforestations purposes, especially at the wider area of origin. This Doctoral Thesis contributes to the conservation genomics of FGR, especially for non-model conifer tree species, species known for their large genomes. By utilizing the proposed tools and techniques the results can further support management decisions and conservation strategies.

H διατήρηση της βιοποικιλότητας σε επίπεδο οικοσυστημάτων και ειδών, συχνά παραβλέπει την τρίτη και λιγότερο ορατή παράμετρο: τη γενετική ποικιλότητα. Η γενετική ποικιλότητα, ως θεμέλιο της βιωσιμότητας (sustainability), επιτρέπει στα είδη και τα άτομα να προσαρμόζονται, να εξελίσσονται και να επιβιώνουν απέναντι σε βιοτικές και αβιοτικές απειλές, διασφαλίζοντας τη μακροπρόθεσμη επιβίωσή τους. Οι δασικοί γενετικοί πόροι (Forest Genetic Resources – FGR) αντιπροσωπεύουν τη γενετική ποικιλότητα των δασικών ειδών που διαθέτουν υφιστάμενη ή δυνητική οικονομική, περιβαλλοντική, επιστημονική ή κοινωνική αξία για την ανθρωπότητα.</p> <p>Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή εξετάστηκε η προστασία δασικών γενετικών πόρων με τη χρήση γονιδιωματικής σε διάφορες χωρικές κλίμακες σε πέντε είδη κωνοφόρων (λευκή ελάτη - <i>Abies alba</i> Mill., Ελβετική πεύκη - <i>Pinus cembra</i> L., χαλέπιος πεύκη - <i>P. halepensis</i> Mill., μαύρη πεύκη - <i>P. nigra</i> J.F.Arnold, και ίταμος - <i>Taxus baccata</i> L.) με σκοπό να ερευνήσει τη γενετική ποικιλότητα την αναγνώριση γεωγραφικών μοτίβων στη γενετική ποικιλότητα σε φυσικούς πληθυσμούς των εξεταζόμενων δασικών ειδών στο εύρος εξάπλωσής τους στην Ευρώπη, τη διερεύνηση της χρήσης στατιστικών γενετικής ποικιλότητας (genetic diversity) ως δείκτη (indicator) για το αποτελεσματικό μέγεθος πληθυσμού (effective population size), τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο η ετεροζυγωτία (heterozygosity) και το γενετικό φορτίο (genetic load) μπορούν να επηρεάσουν τα χαρακτηριστικά αρμοστικότητας (fitness traits), και την αξιολόγηση της γενετικής ποικιλότητας ενός σποροπαραγωγού κήπου κλώνων χαλεπίου πεύκης και η εκτίμηση της δυνατότητάς του για προστασία εκτός σταθμού και αποκατάσταση στην περιοχή προέλευσής του. Μετά από ένα εισαγωγικό Κεφάλαιο (Κεφάλαιο 1), στο Κεφάλαιο 2, αναλύθηκε η γενετικής ποικιλότητα με τη χρήση αυτοματοποιημένης διοχέτευσης βιοπληροφορικής (bioinformatics pipeline) ειδικά κατασκευασμένης για το σκοπό αυτό και εκτιμήθηκαν στατιστικά μεγέθη γενετικής ποικιλότητας σε φυσικούς πληθυσμούς των δασικών ειδών της παρούσας μελέτης, εξετάζοντας παράλληλα αν κάποια από αυτά τα στατιστικά μεγέθη μπορούν να χρησιμοποιηθούν δυνητικά ως δείκτες γενετικής ποικιλότητας. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας γενικά γραμμικά μοντέλα, έγινε ανάλυση των στατιστικών μεγεθών και εντοπίστηκαν πιθανές συσχετίσεις με το γεωγραφικό μήκος και πλάτος. Αξιοποιώντας τα στατιστικά μεγέθη που βρέθηκαν να έχουν συσχέτιση και με τις δύο συντεταγμένες, πραγματοποιήθηκε παρεμβολή στα δεδομένα, εντοπίζοντας τι διαβάθμιση γενετικής ποικιλότητας στην ευρωπαϊκή περιοχή εξάπλωσης των συγκεκριμένων ειδών. Τα περισσότερα από τα είδη εμφάνισαν μια σαφή τάση αύξησης της γενετικής ποικιλότητας από τα δυτικά προς τα ανατολικά, ειδικά εκείνα που απαντώνται κυρίως στη Μεσόγειο, η χαλέπιος και η μαύρη πεύκη. Ταυτόχρονα, εξετάστηκε ένα καίριο πρόβλημα που απασχολεί ευρέως την επιστημονική κοινότητα, που αφορά στη δυσκολία εκτίμησης του αποτελεσματικού μεγέθους πληθυσμού (N_e) με δεδομένα γονιδιωματικής. Το N_e θεωρείται σημαντικός δείκτης γενετικής ποικιλότητας και καθώς δεν κατέστη δυνατή μια αξιόπιστη εκτίμηση του N_e βάσει των δεδομένων την παρούσας μελέτης, προτείνεται μια έμμεση προσέγγιση χρήσης της ετεροζυγωτίας ως δείκτη, υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις. Τα ευρήματα της παρούσας μελέτης συμβάλλουν στη διατήρηση των δασικών γενετικών πόρων εντός σταθμού (<i>in situ</i>) και θα μπορούσαν να προσφέρουν σημαντική προστιθέμενη αξία, αν η ίδια μεθοδολογία εφαρμοστεί με πιο εκτεταμένη δειγματοληψία σε ευρωπαϊκή κλίμακα, ώστε να εντοπιστούν τυχόν κενά στην προστασία. Επιπλέον, σε περιπτώσεις πληθυσμών όπου υπάρχουν διαθέσιμα στατιστικά γενετικής ποικιλότητας, η ετεροζυγωτία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μια πιο ακριβή εκτίμηση του N_e, αντί για τον γενικό εμπειρικό κανόνα όπου το αποτελεσματικό μέγεθος πληθυσμού ισούται με το δεκαπλάσιο μικρότερο του πραγματικού μεγέθους πληθυσμού. Στο κεφάλαιο 3, εξετάστηκε η σχέση της ετεροζυγωτίας, του υπολειπόμενου και του προσθετικού γενετικού φορτίου με την απόδοση στους φυσικούς πληθυσμούς των εξεταζόμενων ειδών. Ως δείκτες αρμοστικότητας (fitness traits) επιλέχθηκαν δύο βασικά φαινοτυπικά χαρακτηριστικά: η βασική επιφάνεια κορμού και το ύψος. Πραγματοποιήθηκε μια σειρά από αναλύσεις όπου εφαρμόστηκαν μοντέλα που ενσωμάτωσαν τόσο γενετικά δεδομένα όσο και βιοκλιματικούς παράγοντες για μεγαλύτερη ακρίβεια. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, δεν εντοπίστηκε σημαντική επίδραση της ετεροζυγωτίας στην απόδοση (βάσει των δύο χαρακτηριστικών) σε κανένα από τα είδη που μελετήθηκαν. Ωστόσο, βρέθηκε ότι στην χαλέπιο πεύκη το υπολειπόμενο (recessive) και το προσθετικό (additive) γενετικό φορτίο επηρεάζουν τη βασική επιφάνεια κορμού. Αναλύθηκαν πιθανές αιτίες για τις οποίες αυτή η σχέση εντοπίστηκε μόνο στην χαλέπιο και όχι σε άλλα είδη, καθώς και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. Εάν η ετεροζυγωτία ή το γενετικό φορτίο έχουν συσχέτιση την απόδοση μπορεί να στηρίξει στρατηγικές παρακολούθησης τόσο για σκοπούς προστασίας όσο και για βελτίωση (breeding). Στο κεφάλαιο 4, αναλύθηκε η γενετική ποικιλότητα ενός σποροπαραγωγού κήπου κλώνων (clonal seed orchard) χαλεπίου πεύκης στην περιοχή της Αμφιλοχίας και συγκρίθηκε η γενετική ποικιλότητα των κλώνων και των σπόρων του σποροπαραγωγού κήπου με τον φυσικό πληθυσμό προέλευσης του (Βόρεια Εύβοια). Στόχος ήταν να ελεγχθεί η υπόθεση αν ένας σποροπαραγωγός κήπος κλώνων μπορεί να αποτελέσει μέθοδο προστασίας εκτός σταθμού (<i>ex situ</i>) και αν η γενετική ποικιλότητα των κλώνων του σποροπαραγωγού κήπου μεταβιβάζεται στην επόμενη γενιά. Με βάση τα αποτελέσματά ο σποροπαραγωγός κήπος μπορεί να αποτελέσει δυναμική μονάδα προστασίας εκτός σταθμού (dynamic <i>ex situ</i> genetic conservation unit) και το πολλαπλασιαστικό του υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε αναδασώσεις, ιδίως στην ευρύτερη περιοχή του πληθυσμού προέλευσης. Η παρούσα Διδακτορική διατριβή αποτελεί συνεισφορά στη γονιδιωματική προστασίας (conservation genomics) των δασικών γενετικών πόρων. Προωθεί την περαιτέρω διερεύνηση εργαλείων και τεχνικών που μπορούν να συμβάλλουν στη διατήρηση των δασικών γενετικών πόρων, οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν τη λήψη αποφάσεων διαχείρισης και τις στρατηγικές προστασίας, ιδίως σε είδη κωνοφόρων με μεγάλα γονιδιώματα που δεν αποτελούν μοντέλα μελέτης.