Genetic variation and local adaptations of Rana temporia in the Cantabrian Mountain

Abstract

La rana bermeja es uno de los anuros más ampliamente distribuidos en Europa. La distribución geográfica de este anfibio se encuentra desde la costa del Océano Ártico hasta el norte de la Península Ibérica en donde se localiza el extremo suroeste del rango de la especie. En la región cantábrica R temporaria se reproduce en hábitats muy variables desde lagunas efímeras y superficiales hasta charcas permanentes, a lo largo de un gradiente de altitud de 2000 m. Estas diferencias en el hábitat están relacionadas con variaciones en las condiciones climáticas. En zonas altas las condiciones climáticas más desapacibles (bajas temperaturas, inviernos largos y veranos secos) ejercen fuertes limitaciones en la reproducción, desarrollo y crecimiento larvario y juvenil. Varios autores han demostrado que los renacuajos de las especies que se reproducen en un hábitat muy heterogéneo exhiben una gran plasticidad fenotípica en el tiempo de desarrollo. Las poblaciones sometidas a fuertes restricciones temporales compensan las limitaciones del tiempo de desarrollo acelerando el crecimiento y desarrollo de los renacuajos comparado con individuos de poblaciones no constreñidas temporalmente. Para identificar las fuentes de variación genotípica a lo largo del gradiente medioambiental y separar las interacciones genéticas y medioambientales se requieren experimentos de ambiente común o transplantes recíprocos. Análisis previos usando el método de marcaje-captura mostraron el fuerte grado de filopatría y baja tasa de dispersión de este anuro. Estos resultados pueden indicar la existencia de una baja tasa de dispersión y restricciones de los intercambios poblacionales. Los estudios más detallados usando los marcadores moleculares como por ejemplo microsatélites neutros de ADN pueden ayudar a detectar y entender posible diferenciación y subdivisión entre poblaciones de anfibios incluso en la escala fina como es el área de Picos de Europa. La tesis doctoral presentada consta de tres partes principales. La primera parte se centra en el estudio comparativo de tiempo de crecimiento y desarrollo de los renacuajos originarios de zonas altas (Puerto de la Cubilla) y bajas (Valle Color). Los resultados muestran las diferencias entre ambas poblaciones y confirman las predicciones previas sobre la compensación de la limitación del tiempo por aceleración del crecimiento y desarrollo de los renacuajos del Puerto de la Cubilla comparados con los renacuajos del Valle Color. La segunda parte de la tesis se basa en la genética cuantitativa de las larvas y los rasgos metamórficos y también evalúa la heredabilidad y la influencia de los efectos materno y paterno en la historia de la vida de las larvas de poblaciones montanas y costeras, así como en los híbridos recíprocos. La última parte de la tesis está relacionada con la aplicación de marcadores moleculares (microsatélites de ADN) para examinar la estructura genética a lo largo del gradiente altitudinal. El análisis de 9 microsatélites detectan una diferenciación genética significativa entre poblaciones de rana bermeja en la Cordillera Cantábrica y permiten identificar cuatro grupos poblacionales bien diferenciados. El objetivo de esta tesis es, mediante la combinación de los diferentes métodos y herramientas científicos (genética cuantitativa, marcadores moleculares, estadística) caracterizar los patrones de subdivisión genética de Rana temporaria en escala fina en la Cordillera Cantábrica e inferir cómo esa estructura puede reflejar cambios genéticos funcionales en la respuesta a limitaciones de tiempo para el desarrollo y crecimiento en áreas de montaña. En conclusión, resultados de la tesis presentada demuestran las diferencias en rasgos de la historia de vida y variabilidad genética de Rana temporaria a lo largo de gradiente de altitud en la Cordillera Cantábrica. RESUMEN (en Inglés) The common frog (Rana temporaria) is one of the most broadly distributed anuran in Europe. The geographic distribution of this amphibian occur from the coast of Arctic Ocean to Northern Iberian Peninsula whereis the southwestern end of species range. R. temporaria breeds along a 2000 m altitudinal gradient in highly variable habitats, from ephemeral, shallow water bodies to permanent ponds. These habitat differences are coupled with the variation in climatic conditions. In higher altitudinal areas, harsher climatic conditions (low temperatures, long winters and summer droughts) exert strong temporal constraints on breeding, larval development and growth of larvae and juvenile. Several authors showed that tadpoles of species that breed in very heterogeneous habitats exhibit a great phenotypic plasticity in development time. ¿Time-stressed¿ populations compensate for seasonal time constrains by evolving faster growth and development of tadpoles than their ¿less-time¿ stressed conspecifics. For identifying sources of phenotypic variation along environmental gradient and separating the genetic and environment interaction it should be applied either a common garden or a reciprocal experiment approach. Previous analysis using the mark-recapture method showed the strong philopatry and lower dispersal rate of this anuran. These results may indicate the existence lead to low dispersal rate and restricted inter-populations exchange. More detailed analysis using molecular markers as neutral DNA microsatellites can help in detecting and understanding possible differentiation and subdivision among amphibian populations even at fine-scale as Picos de Europa area. Presented PhD thesis consists of three main parts. The first part is focused on comparative studies of growth and development of tadpoles originating from high (Puerto de la Cubilla) and low (Color Valley) altitude areas. Results show the differentiation between both populations and confirm previous predictions about the compensatation for time constrains by evolving faster growth and development of tadpoles from Puerto de Cubilla compared to tadpoles from Color Valley. The second part of thesis is based on quantitative genetics of larval and metamorphic traits, and evaluates the heritability and the influence of dam and sire effects on the larval history life of mountain and coastal populations and their hybrids. The last part of the thesis is related with the application of molecular markers (DNA microsatellites) to examine the genetic structure analysis across altitudinal gradient. The analysis of nine microsatellites detected significant genetic differentiation among the common frog populations in the Cantabrian region defining four clades. The goal of this PhD thesis is, by combining different research methods and tools (analysis of life history traits, quantitative genetics, molecular markers, statistics) to characterize the patterns of genetic subdivision of Rana temporaria at a fine spatial scale on the Cantabrian region, and to infer how that structure can reflect functional genetic variation in response to time constraints for development and growth in mountain areas. In conclusion, Results of present thesis demonstrate differences in life history traits and genetic variability of Rana temporaria across altitudinal gradient in Cantabrian Mountains.