Distribución, abundancia y estructura genética de parnassius apollo en Sierra Nevada
- Autores: Óscar Mira
- Directores de la Tesis: Juan Gabriel Martínez Suárez (dir. tes.), José Alberto Tinaut Ranera (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Pedro Martínez Camacho (presid.), Adela Gonzalez Megias (secret.), Miguel López Munguira (voc.), Rosa Menéndez Conejero (voc.), David Gutiérrez García (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Biología Fundamental y de Sistemas
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
-VERSIÓN EN CASTELLANO- Los lepidópteros son un grupo tradicionalmente estudiado por su sensibilidad a las condiciones ambientales, y actualmente aún más debido a su sensibilidad al cambio climático (Parmesan et al. 1999). Parnassius apollo (Linnaeus, 1758) es un papiliónido (Lepidoptera) que se distribuye de forma parcheada por Eurasia, habitando normalmente praderas frías; pero en el sur de su distribución sus poblaciones se ven especialmente aisladas en lo alto de las montañas (Todisco 2008). Su condición de especie relíctica glacial la hace aún más sensible al calentamiento global y en las últimas décadas numerosas poblaciones ya han mostrado claros signos de cambios en su distribución, decrecimiento e incluso extinción (Van Swaay et al. 2010).
Las poblaciones de Parnassius apollo suelen ser localmente pequeñas y en el caso de las subespecies ibéricas que habitan en alta montaña ya se ha visto su sensibilidad a la temperatura reaccionando con un ascenso en altitud como consecuencia, lo que podría estar restringiendo el flujo génico entre poblaciones. Pequeño tamaño poblacional y ausencia de flujo genético suelen conllevar a endogamia y a una pérdida de diversidad genética, lo que puede comprometer el potencial evolutivo de la especie y su viabilidad (Frankham 2005).
De las tres subespecies más meridionales de esta especie, Parnassius apollo gadorensis Rougeot y Capdeville, 1969 (Sierra de Gádor) está considerada extinta; de Parnassius apollo filabricus Sagarra, 1933 (Sierra de Baza-Filabres) quedan tan sólo un par de subpoblaciones y en Parnassius apollo nevadensis (Oberthür, 1891) se ha registrado un ascenso altitudinal en su distribución en Sierra Nevada (Barea-Azcón et al. 2008; González-Megías et al. 2015).
Parnassius apollo nevadensis es el ejemplo perfecto de relicto glacial aislado en la alta montaña y un modelo ideal para estudiar los efectos de la fragmentación del hábitat y el cambio climático. Pese al claro declive de las otras dos subespecies meridionales no sabemos nada de la diversidad alélica, tamaño poblacional o nivel de endogamia de sus poblaciones en Sierra Nevada. Desconocemos también qué factores determinan el tamaño poblacional en los diferentes parches en los que se encuentra o qué estrategias reproductivas presenta, lo que podría ser muy relevante, ya que tiene repercusión en el tamaño poblacional efectivo, la diversidad genética y la viabilidad de las poblaciones (Anthony y Blumstein 2000) Para poder determinar el grado de diversidad alélica y de flujo génico hacen falta marcadores moleculares altamente variables como los marcadores de regiones microsatélites. Por ello en este trabajo decidimos desarrollar nuestros propios marcadores moleculares, ya que se conocían para otras subespecies europeas (Petenian et al. 2005) no funcionaron en nuestras poblaciones.
Hemos desarrollado con éxito 20 marcadores de regiones microsatélites de Parnassius apollo nevadensis. Estos marcadores combinados tienen una probabilidad de no excluir (erróneamente) a un posible padre candidato que no esté emparentado de tan solo 0.00108 y habiendo identificado a uno de los progenitores, una probabilidad de no excluir erróneamente al segundo candidato no relacionado de 0.00001.
Usando los marcadores tanto en hembras de P. apollo nevadensis, como en sus larvas; encontramos por primera vez evidencias de multi-paternidad en Parnassius apollo. Seis de siete hembras grávidas analizadas pusieron algunos huevos cuyas larvas o bien no concordaban con el genotipo del macho con quien fueron encontradas copulando o bien tenían alelos no maternos que pertenecían a más de un macho. Esto demuestra que la presencia de sphragis y el comportamiento de guarda típico de esta especie no garantizan la monopolización de la hembra por parte del macho. Cabe destacar que la poliandria aumenta la variabilidad genética de la descendencia y mitiga los efectos de la endogamia, estableciéndose además en otras especies una relación directa entre la existencia de poliandria y el tamaño de puesta (Zeh y Zeh 1996).
De estos 20 marcadores 13 demostraron estar en equilibrio de Hardy-Weinberg en todas las poblaciones de P. apollo nevadensis en las que se probaron y fueron usados para analizar el genotipo de individuos de Parnassius apollo nevadensis pertenecientes a 13 localidades distintas de Sierra Nevada. Los análisis realizados demuestran un fuerte aislamiento por distancia en las poblaciones de Sierra Nevada. Atendiendo a los resultados del programa STRUCTURE y del Análisis de la varianza molecular (AMOVA) hace centenares de generaciones Parnassius apollo nevadensis era una única población panmíctica sin estructuración genética. Pero análisis multivariantes (sPCA) y los resultados de GENELAND que parecen detectar una estructura genética más reciente y lo que muestran que nuestras 13 localidades estarían agrupadas en cuatro subpoblaciones distintas.
El flujo genético entre las cuatro subpoblaciones es asimétrico formando una relación fuente –sumidero en la que una subpoblación (de la cara sur de Sierra Nevada) parece ser la única con una salida significativa de individuos hacia las otras subpoblaciones y apenas ninguna entrada. Observamos indicios de reducciones recientes de tamaño poblacional en algunas de las poblaciones y las estimas de tamaño poblacional efectivo equivaldrían a tan solo unos cientos de parejas reproductoras por subpoblación.
Para obtener una estima actual del tamaño poblacional y tasa de supervivencia realizamos un estudio de captura-recaptura en de 6 de las 13 anteriores localizaciones de Sierra Nevada. En cada localidad realizamos dicho estudio en dos áreas, estimando además el grado de cobertura y diversidad vegetal de estas. Para averiguar qué variables se correlacionan con la abundancia y supervivencia de P. apollo nevadensis realizamos un análisis de regresión de mínimos cuadrados parciales (PLSR) con las variables de cobertura y diversidad de plantas y otras variables geográficas y climáticas. Los resultados muestran una gran diferencia de abundancia entre machos y hembras, teniendo una sex ratio media de 5: 1, mucho mayor que la de otros trabajos (Konvička y Kuras 1999; Matter y Roland 2002). Además vemos que las mayores diferencias en tamaño poblacional se dan entre áreas de la misma localización indicando una clara heterogeneidad a pequeña escala.
Las variables relevantes para predecir la abundancia de cada sexo son diferentes, mientras que la abundancia de hembras se ve afectada negativamente por la proximidad a carreteras y positivamente por la mayor riqueza de plantas; los machos se ven afectados positivamente por la pendiente del terreno y negativamente por la presencia de arbustos y plantas con flor.
Probablemente las diferencias encontradas entre machos y hembras se deban a que los machos son más activos que las hembras y necesitan zonas más despejadas y con mayor insolación para elevar su temperatura corporal. Por otra parte la supervivencia está correlacionada positivamente con la cobertura de Sedum sp. (la planta de la que se alimentan las lavas) y de plantas con flor, y negativamente con las temperaturas mínimas de mayo y junio; suponiendo que temperaturas mínimas más altas durante el estadio larval perjudicarían a su supervivencia.
Realizamos también un estudio de marcaje-recaptura en la que se consideraba la única población remanente de Parnassius apollo filabricus hasta 2016. Además en dos de los años, al final de la época de vuelo se tomaron muestras para analizar su diversidad alélica, heterozigosidad y tamaño efectivo poblacional. Las estimas de tamaño poblacional efectivo y de tamaño poblacional son bajas y no se pueden establecer diferencias entre años. La densidad de individuos por hectárea muestreada parece ser mucho menor que la de la P. apolo nevadensis justificando que sea considerada una especie en riesgo de extinción ya sea por factores genéticos o por eventos estocásticos. Los valores de diversidad alélica por el contrario son mayores que Sierra Nevada, lo que podría deberse a una buena salud de esta población o a que al ser esta en una de las únicas subpoblaciones que sobreviven de P. apollo filabricus, podría haber actuado de sumidero de inmigrantes de zonas que ya no son aptas para la especie, recibiendo un influjo de alelos que ha aumentado temporalmente su diversidad alélica.
Parnassius apollo filabricus ya se encuentra actualmente casi al máximo altitudinal de Sierra de Baza-Filabres y por tanto se prevé que el calentamiento global empeore aún más su situación. Proponemos en este trabajo mejorar la conectividad entre las zonas que actualmente ocupa y otras que pudieran ser adecuadas mediante la deforestación de los pinos con los que se reforestó en los años 70.
Parnassius apollo nevadensis no parece estar en una situación tan amenazada como P. apollo filabricus, pero aun así es preocupante la detección de subpoblaciones con un tamaño efectivo poblacional pequeño y la constatación de limitaciones al flujo génico. De entre los posibles filtros al flujo génico que limitan las cuatro poblaciones, algunos se podrían corresponder con barreras naturales como las zonas de mayor altitud de la Sierra o la cabecera del río Genil, y otros están más relacionados con la actividad humana como las pistas de esquí y el Puerto de la Ragua. Quizás sería recomendable de cara a su futuro y conservación tratar de mejorar el hábitat de aquellas zonas con menor cantidad de hembras adecuando la comunidad vegetal y la heterogeneidad espacial a las que nuestros modelos asocian con altas abundancias de mariposas.
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-------------------------------------------------------------- -ENGLISH VERSION- Butterflies have been traditionally studied due to their sensitivity to climate and even more nowadays because of their vulnerability to climate change (Parmesan et al. 1999). Parnassius apollo (Linnaeus, 1758) is a papilionid (Lepidoptera) with a patchy distribution in the Palearctic ; it normally inhabits cold meadows and in the South of its distribution we found it isolated in mountain habitats (Todisco 2008). As a glacial relict it is even more sensitive to global warming, and in the last decades its populations have shown changes in their distribution, decline in their abundance and even extinction (Van Swaay et al. 2010).
The populations of Parnassius apollo are locally small, and in the case of the iberian subspecies that inhabit in high mountain habitat, there is a documented elevation in their distribution range as a response to the increase of temperatures (Wilson et al. 2007; Ashton et al. 2009), that could be restricting the gene flow between patches.
Small and isolated populations are typically characterized by low genetic diversity, as a result of the combined action of processes such as genetic drift and inbreeding that would deteriorate the evolutionary potential and long-term viability of the species (Frankham et al. 2005).
The Southernmost populations of this species are Parnassius apollo gadorensis Rougeot y Capdeville, 1969; Parnassius apollo filabricus Sagarra, 1933; and Parnassius apollo nevadensis (Oberthür, 1891) located in different mountains in Andalucía (Spain). The gadorensis subspecies was endemic from the Gádor mountain range (sierra de Gádor), and is now considered extinct; there are just two populations of the filabricus subspecies left in sierra de Baza-Filabres; and Parnassius apollo nevadensis suffered a recent elevation in their distribution range in Sierra Nevada (Barea-Azcón et al. 2008; González-Megías et al. 2015).
Parnassius apollo nevadensis is the perfect example of a glacial relict isolated in high mountain habitat, and a perfect model to study the effects of habitat fragmentation and climate change. In despite of the other subspecies decline we know nothing about their allelic diversity, level of inbreeding of the populations, population size or which variables determine their abundance. In addition, it is important to know more about their reproductive strategies as they are is linked to effective population size, genetic diversity and viability of the populations (Anthony and Blumstein 2000).
To study this we need highly variable molecular markers. We have developed microsatellite markers for the species as the microsatellite markers previously published (Petenian et al. 2005) did not amplify in samples from Sierra Nevada.
We successfully developed 20 microsatellite markers for Parnassius apollo nevadensis. These loci together have a non-exclusion probability of 0.00108 and 0.00001 for the first and second parent respectively.
By using those markers in females and their clutches we identified polyandry in six out of seven analysed females and therefore we can affirm that the sphragis (waxy plug that the male applies to the female after the copula) may not always act as an effective blocking mechanism to avoid other males fertilising the female. Polyandry increases the genetic variance of the offspring, mitigates the effects of endogamy and is sometimes linked to larger clutch sizes (Zeh and Zeh 1996).
From the 20 loci described, 13 were in Hardy-Weinberg equilibrium in all the locations analysed of Sierra Nevada. The genotypes of individuals belonging to those 13 locatons show a strong isolation by distance. However according to Structure and the AMOVA (Analysis of Molecular Variance) results there was no genetic structure and all the locations were well connected. On the other hand multivariate analyses (sPCA) and Geneland results allowed us to detect a recent genetic structure.
The 13 locations were grouped in four different subpopulations with a strongly asymmetric gene flow (source-sink) between them. The South subpopulation is the only one receiving significant input of gene flow, while the other three subpopulations act as a sink. We observe signs of recent genetic bottleneck in two of the sink populations and the effective population size is of a few hundreds or less reproductive couples per subpopulation.
We carried out a capture-mark-recapture (CMR) experiment to estimate population sizes and survival rate from six of the 13 previous locations. In each location we performed the CMR study in two different areas and estimated the cover and diversity of plants. We perform a Partial Least Squares Regression (PLSR) with the variables of plant cover and diversity and other geographical and climatic variables to determine which variables can predict the population sizes and survival rates of the populations. Our results show a male-biased sex ratio (5 : 1 in average) larger than in other works with species of this genus (Konvička and Kuras 1999; Matter and Roland 2002). In addition we found great differences in population sizes from areas of the same location, suggesting high heterogeneity in small-scale.
The variables relevant to predict abundance are different between sexes; while females’ abundance is affected negatively by the proximity to roads and positively by plant species richness, males abundance is affected positively by the degree of slope and negatively by the presence of plants and bushes. Probably these differences are due to the differences in behaviour, as usually males are more active than females and may need bare-ground patches to increase their temperature. The survival rate is positively correlated with Sedum sp. cover (the larval host-plant) and negatively with high minimum temperatures in May and June, which probably are harmful to the larvae.
In the CMR study in the only known population of P. filabricus until 2016 we found lower densities of individuals per hectare than in Sierra Nevada; the molecular analyses also show a lower effective population size than P. apollo nevadensis. Heterozygosity on the other hand is higher than the estimates from Sierra Nevada; this could imply that the health of the population is better than expected, but can also be an effect of that remnant population acting as a sink of migrants from all the other populations that disappeared in the recent past.
Here we propose the deforestation of some pine trees planted in the 70s in Baza-Filabres that block the pass of dispersers between the studied population and potentially suitable habitats. In Sierra Nevada Parnassius. apollo nevadensis does not seem to require urgent management measures but it may be recommended to manage the heterogeneity and plant cover of zones with lower abundance of females to try to improve its situation.
References Anthony LL, Blumstein DT (2000) Integrating behaviour into wildlife conservation: the multiple ways that behaviour can reduce Ne. Biological Conservation, 95: 303-315.
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