Comparative and integrative approaches to assess the connectivity of four estuarine annelid species : osmoregulation strategies

Abstract

Resumo: As distribuições populacionais atuais e a diversidade genética dos organismos estuarinos são o resultado de uma combinação de fatores históricos e contemporâneos, que influenciam a dispersão e o fluxo gênico entre populações. Devido às rápidas mudanças climáticas que influenciaram direta e indiretamente o nível do mar e a linha de costa em todo o globo, o Pleistoceno afetou profundamente a distribuição e a diversidade genética de vários táxons. Os estuários são ambientes altamente dinâmicos, caracterizados por grandes flutuações de salinidade. Os organismos estuarinos desenvolveram adaptações fisiológicas e ecológicas para lidar com tais variações estuarinas diárias ou sazonais. Este trabalho visa investigar como fatores contemporâneos e históricos modelaram e modelam os atuais padrões de distribuição e a composição gênica de quatro espécies-alvo de anelídeos em três estuários subtropicais do sul do Brasil, explorando vários níveis de organização biológica por meio de uma abordagem bastante integrativa. As espécies-alvo foram escolhidas em função da sua abundância e maior ou menor tolerância às variações de salinidade ao longo de baixios entre-marés dos estuários. Testamos duas espécies com nichos de salinidade mais amplos, os nereidídeos a priori chamados de Alitta succinea e Laeonereis culveri, e espécies com nichos de salinidade mais restritas, o neftídeo Nephtys fluviatilis e o melinídeo Isolda pulchella. A tese foi dividida em quatro capítulos, que avaliaram a importância de forçantes históricas e contemporâneas na distribuição e composição genica das quatro espécies, em diversos níveis de organização biológica: - O primeiro capítulo investigou a tolerância à variação da salinidade e a espessura do tegumento das quatro espécies alvo. Ambos os nereidídeos apresentaram estabilidade de peso corporal e tegumento espesso, compatível com sua eurihalinidade. O neftideo foi nitidamente menos eurihalino, mas tolerou baixas salinidades e água doce, enquanto o melinídeo apresentou um comportamento estenohalino marinho e não tolerou diluição da água do mar. Ambas as espécies apresentaram um tegumento fino. - O segundo capítulo revelou a expressão e localização do cotransportador NKCC por imunofluorescência nos corpos das quatro espécies de anelídeo. Sua expressão não foi homogênea, refletindo claramente o estilo de vida dos anelídeos. Os anelídeos de vida livre (ambos os nereidídeos eurihalinos e o neftídeo estenohalino), exibiram um sinal para NKCC espalhado e detectado ao longo de seus corpos, em contraste com o melinídeo sedentário, no qual o sinal foi restrito às regiões anteriores do corpo em contato direto com a coluna d'água. - O terceiro capítulo investigou a presença das aquaporinas em anelídeos por meio de uma abordagem in sílico, através de uma busca nos bancos de dados públicos, e a confirmou experimentalmente em A. succinea. A filogenia de MIPs dos anelídeos foi reconstruída, potenciais ortólogos das aquaporinas dos vertebrados AQP1-like, AQP8 e as AQP11-like foram recuperados, e a presença de três parálogos de A. succinea foram confirmados por RT-PCR. - O quarto capítulo investigou os padrões de diferenciação genética de populações das quatro espécies-alvo em três estuários subtropicais do sul do Brasil. Alto fluxo gênico foi recuperado para os nereidídeos entre as baías, resultado congruente com os dados do primeiro capítulo e esperado em função de sua eurihalinidade. Marcada segregação foi recuperada para as populações de neftídeo da Baía da Babitonga, como reflexo de seu baixo grau de eurihalinidade e de sua distribuição limitada aos setores oligohalinos mais confinados. Panmixia entre os estuários foi recuperada para o melinídeo, refletindo seu comportamento "marinho" e sua ocorrência restrita aos setores euhalinos. As análises moleculares indicaram a existência de uma nova espécie de Alitta, ainda por ser formalmente descrita. Validaram ainda trabalhos recentes que haviam mostrado que populações antes referidas ao nome específico Laeonereis culveri, pertencem de fato a Laeonereis acuta e Laeonereis pandoensis, ocorrendo em simpatria ou alopatria.

Abstract: Present-day distribution and genetic diversity of estuarine animals are the result of a combination of historical and contemporary factors that have influenced both their dispersal and gene flow. For instance, Pleistocene glaciations influenced sea-level and the coastal lines worldwide, strongly affecting the distribution patterns of coastal and estuarine species belonging to different taxa. Estuaries are highly dynamic environments, characterised by regular or irregular salinity fluctuations, and estuarine organisms share a variety of physiological and ecological adaptations to face such daily or seasonal variations. This work aimed to investigate how contemporary and historical factors have modelled and are still modelling the current distribution of four estuarine annelid species from different sectors of three subtropical estuaries of southern Brazil, by exploring different biological organization levels through an integrated approach. The target species were chosen considering their distribution and the variability in the salinity regimes of their ranges of occurrence. We tested two species with broader salinity niches, the nereidids treated a priori as Alitta succinea and Laeonereis culveri, and two species with narrower salinity niches, or more restricted spatial ranges in the bay, the nephtyid Nephtys fluviatilis and the melinnid Isolda pulchella. The thesis was articulated into four chapters, assessing contemporary or historical drivers which potentially led to genetic structure, or lack of it, at diverse organization levels: - Chapter one investigated the tolerance to salinity variation and the integument thickness of the four annelid species. Both nereidids displayed body weight stability and a thick integument, compatible with their high euryhalinity. The nephtyid was distinctly less euryhaline but tolerated low salinities and fresh water, while the melinnid presented a marine stenohaline behaviour and did not tolerate seawater dilution. Both species have a thin integument. - Chapter two revealed the expression and localization of the NKCC cotransporter through immunofluorescence in the bodies of the four annelids. NKCC expression was not homogeneous, and clearly reflected the lifestyle of each species. The free-living/burrowers (both euryhaline nereidids and the stenohaline nephtyid) displayed a widespread signal for NKCC along their bodies, in contrast to the stenohaline sedentary melinnid, in which the signal was restricted to the body regions exposed to the surrounding environment. - Chapter three investigated the presence of aquaporins in annelids through an in silico approach against online databases and experimentally confirmed for the first time their expression in A. succinea. The phylogeny of annelid MIPs was reconstructed, putative orthologs of the vertebrate AQP1-like, AQP8 and the AQP11- like subfamilies were recovered, and three paralogs of A. succinea were confirmed by RT-PCR. - Chapter four investigated patterns of genetic differentiation in populations of the four selected annelid species along three subtropical estuaries from southern Brazil. High genetic flow among the bays was reported for the nereidids, congruent with their high euryhalinity. Segregation was recovered for the nephtyid populations from Babitonga Bay, reflecting their low degree of euryhalinity and their limited distribution to the more confined, oligohaline sectors. Panmixia among the estuaries was recovered for the melinnid, reflecting its "marine" behaviour and its restricted occurrence in the euhaline sectors. As a result of our molecular analyses, we found a putative new species related to the complex A. succinea, and validated the recent findings from other authors that the species name L. culveri, as yet used for local populations of Laeonereis, corresponds in fact to two distinct species, Laeonereis acuta and Laeonereis pandoensis.