Γενετική παρακολούθηση πληθυσμού οξιάς με γενετικούς και επιγενετικούς δείκτες

Abstract

Genetic monitoring is a tool of study and research with prognostic value that ensures the protection of processes that maintain genetic variation in natural populations. The goal of this research is the application of genetic monitoring for the first time in real forest ecosystem situations as a proof of concept. Genetic monitoring was applied in three different stages of two natural populations of Fagus sylvatica (adult trees, regeneration and seeds). Two experimental plots with diversifying characteristics were chosen, more specifically representing the low and high altitude of the natural distribution of beech in the Neochori region in Chalkidiki. Sample collecting took place at a temporal scale, in the two plots in two different time periods. Using phenology data as well as genetic and epigenetic markers, the potential changes were studied. The specific aims were: (1) the study of genetic variation and the evolutionary forces that affect the natural populations through the use of microsatellite markers and phenological-demographic parameters in the different stages, (2) the study of functional genes through the study of their variation in single-nucleotide polymorphisms markers and (3) the study of epigenetic variation and differentiation of the three different stages through the use of MSAP markers. Intensive phenological observations were carried out in the adult trees and regeneration of the low altitude stand in every growth period for the 4-year study period. Growth and phenology parameters are an important tool in genetic monitoring because they allow for the first estimates on the condition of the forest in a quick and direct way, acting as verifiers of the genetic monitoring indicator that deals with natural selection. To estimate the levels of genetic diversity and gene flow, 16 f-SSR markers in three combinations in 1971 samples of Fagus sylvatica taken from both plots were used. Moreover, the potentially adaptive genetic variation in terms of single-nucleotide polymorphisms was studied, using 144 SNPs derived from 58 genes that are implicated in mechanisms related to drought tolerance, in 219 beech trees (adults and regeneration) from the low altitude stand. Eight combinations of f-MSAP markers were used in 503 samples from both low and high altitude stands. Overall, genetic monitoring was successfully applied in populations that were studied in different time, space and genetic background. The results showed that the studied populations overall maintain their genetic diversity and their adaptive evolutionary potential, however the process of genetic monitoring must continue, as an evolving process and within the framework dictated by the current theory. The successful application of genetic monitoring in this doctoral thesis provides a proof of principle of the current theory, which was this thesis aim. Genetic monitoring is practically possible and could become an additional advance tool for the comprehensive evaluation of biodiversity.

Η γενετική παρακολούθηση είναι εργαλείο μελέτης και έρευνας με προγνωστική αξία, το οποίο διασφαλίζει την προστασία των διαδικασιών που διατηρούν τη γενετική ποικιλότητα. Ο σκοπός της παρούσας έρευνας είναι η εφαρμογή της γενετικής παρακολούθησης για πρώτη φορά στην Ελλάδα ως απόδειξη επί της αρχής. H γενετική παρακολούθηση εφαρμόστηκε σε τρία διαφορετικά στάδια φυσικού πληθυσμού οξυάς (ώριμα άτομα, άτομα αναγέννησης και σπέρματα). Επιλέχθηκαν, δύο επιφάνειες με διαφορίζοντα χαρακτηριστικά και πιο συγκεκριμένα αντιπροσώπευαν το κατώτερο και ανώτερο υψομετρικό όριο της φυσικής εξάπλωσης της οξυάς στην περιοχή του Νεοχώριου Χαλκιδικής. Οι δειγματοληψίες πραγματοποιήθηκαν στις δύο επιφάνειες σε διαφορετικά χρονικά σημεία και με τη χρήση γενετικών και επιγενετικών δεικτών διερευνήθηκαν οι εν δυνάμει αλλαγές. Οι επιμέρους σκοποί ήταν: (1) η μελέτη της γενετικής ποικιλότητας και των εξελικτικών δυνάμεων που επενεργούν στους φυσικούς πληθυσμούς με χρήση μοριακών γενετικών δεικτών μικροδορυφόρων και φαινολογικών – δημογραφικών παραμέτρων, καθώς και η διερεύνηση της γενετικής διαφοροποίησης των τριών διαφορετικών σταδίων του φυσικού πληθυσμού οξυάς, (2) η μελέτη λειτουργικών γονιδίων και πιο συγκεκριμένα η εξερεύνηση και ο έλεγχος σε επίπεδο ποικιλότητας απλών νουκλεοτιδίων πολυμορφισμών γονιδίων και (3) η μελέτη της επιγενετικής ποικιλότητας με χρήση μοριακών γενετικών δεικτών MSAP και η διερεύνηση της επιγενετικής διαφοροποίησης των τριών διαφορετικών σταδίων του φυσικού πληθυσμού οξυάς. Πραγματοποιήθηκαν φαινολογικές παρατηρήσεις σε ενήλικα άτομα και άτομα της αναγέννησης, της επιφάνειας του κάτω υψομετρικού ορίου φυσικής εξάπλωσης σε κάθε αυξητική περίοδο, σε διάρκεια τεσσάρων ετών. Τα αυξητικά και φαινολογικά γνωρίσματα αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο της γενετικής παρακολούθησης διότι με γρήγορο και άμεσο τρόπο μπορούν να εξαχθούν οι πρώτες εκτιμήσεις για την κατάσταση του δάσους, ως επαληθευτές του δείκτη γενετικής παρακολούθησης που αφορά τη φυσική επιλογή. Για την εκτίμηση του εύρους της γενετικής ποικιλότητας και των δεικτών που αφορούν τη γενετική εκτροπή και ροή γονιδίων, χρησιμοποιήθηκαν 16 f-SSR εκκινητές σε τρεις συνδυασμούς σε 1971 δείγματα οξυάς και από τις δύο επιφάνειες του κάτω και άνω υψομετρικού ορίου φυσικής εξάπλωσης. Επιπλέον, μελετήθηκε η εν δυνάμει προσαρμοστική γονιδιωματική ποικιλότητα σε επίπεδο απλών νουκλεοτιδικών πολυμορφισμών γονιδίων. Χρησιμοποιήθηκαν 144 SNPs που προήλθαν από 58 γονίδια τα οποία εμπλέκονται σε μηχανισμούς που σχετίζονται με την αντοχή κατά της καταπόνησης από τη ξηρασία, σε 219 άτομα οξυάς (ενήλικα, αναγέννηση) από την επιφάνεια του κάτω υψομετρικού ορίου φυσικής εξάπλωσης. Χρησιμοποιήθηκαν οκτώ συνδυασμοί f-MSAP εκκινητών σε 503 δείγματα οξυάς και από τις δύο επιφάνειες του κάτω και άνω υψομετρικού ορίου φυσικής εξάπλωσης. Η γενετική παρακολούθηση πραγματοποιήθηκε επιτυχώς στους πληθυσμούς που μελετήθηκαν σε κατά χώρο, χρόνο και διαφορετικό γενετικό υπόβαθρο, τάξη. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι πληθυσμοί που μελετήθηκαν διατηρούν γενικά τη γενετική τους ποικιλότητα και το προσαρμοστικό εξελικτικό τους δυναμικό, ωστόσο η διαδικασία της γενετικής παρακολούθησης πρέπει να συνεχιστεί, ως εξελισσόμενη διαδικασία και στα πλαίσια που ορίζει η τρέχουσα θεωρία. Η επιτυχής εφαρμογή της γενετικής παρακολούθησης στην παρούσα διδακτορική διατριβή ουσιαστικά αποδεικνύει επί της αρχής τη σχετική θεωρία, όπως ήταν και ο στόχος της διατριβής. Η γενετική παρακολούθηση είναι πρακτικά εφικτή και μπορεί να αποτελέσει ένα επιπλέον εργαλείο και μέσο για την ολοκληρωμένη βιοπαρακολούθηση της βιοποικιλότητας.