Genòmica de la conservació aplicada a la baldriga balear (Puffinus mauretanicus)

Abstract

[cat] La baldriga balear (Puffinus mauretanicus) és l’ocell més amenaçat d’Europa. Les poblacions de l’espècie decreixen a un ritme de 7-14% anual, principalment degut a la mortalitat causada per la captura accidental (bycatch) per part de la flota pesquera, principalment del palangre, i per la depredació per part de mamífers invasors. Diferents estudis han previst que es podria extingir en només 60 anys si no es prenen ràpidament accions de conservació. L’objectiu principal d’aquesta tesi és l’aplicació de la genòmica de poblacions a l’estudi de la baldriga balear per tal d’augmentar el nostre coneixement sobre l’espècie i les seves poblacions, sempre tenint en compte que el coneixement generat haurà de servir per tal de fonamentar les accions de recuperació i conservació de les poblacions. Al Capítol 1, hem assemblat i anotat per primera vegada un genoma de referència de P. mauretanicus. Mitjançant la combinació de llibreries de seqüenciació de reads llargs i curts, el genoma assemblat per a la baldriga balear és d’elevada qualitat i completesa, comparable als genomes d’ocells d’alta qualitat disponibles. Aquest genoma és la pedra angular de tota la tesi. Al Capítol 2, mitjançant una anàlisi de genòmica de poblacions, hem identificat 1.304.832 SNPs que han mostrat la baixa diferenciació al llarg de tot el genoma entre la baldriga balear (P. mauretanicus) i la baldriga mediterrània (P. yelkouan). No obstant això, hem sigut capaços de delimitar 5 Unitats Evolutivament Significatives (ESU, en anglès): Pitiüses, Mallorca i Cabrera (pertanyents al llinatge P. mauretanicus) i Menorca i Yelkouan (pertanyents al llinatge P. yelkouan). De manera sorprenent, els resultats mostren que els individus mostrejats a Menorca, que fins ara es pensava que eren híbrids entre P. mauretanicus i P. yelkouan, pertanyen a P. yelkouan. Via anàlisis demogràfiques i de modelització per a diferents hipòtesis d’estructura poblacional i flux gènic, hem inferit que la separació entre la baldriga balear i la baldriga mediterrània va ocórrer durant l’últim màxim glacial (LGM), però durant el període interglacials de l’holocè s’ha facilitat la hibridació entre aquests tàxons, conduint a una reversió de l’especiació. Aquests contactes secundaris han permès mitigar una eventual depressió endogàmica a P. mauretanicus i que podria experimentar degut al seu baix cens poblacional. Tot i això, hem estimat el grau d’endogàmia i heterozigositat i no suposa a curt termini un risc per a la viabilitat de l’espècie. D’altra banda, les anàlisis de selecció mostren una regió de 200 kb on s’hi troba l’empremta genòmica d’una escombrada selectiva. En aquesta zona trobaríem haplotips adaptatius que tindrien a veure amb les estratègies migratòries diferents que presenten P. mauretanicus i P. yelkouan, i que s’han introgressat repetidament entre aquests llinatges. Combinant els paràmetres demogràfics prèviament estudiats per a la baldriga balear amb el grau de diversitat genètica que hem caracteritzat en aquesta tesi , hem simulat diferents projeccions del cens poblacional de P. mauretanicus sota diferents combinacions de flux gènic i intensitat del bycatch. Aquestes simulacions suggereixen que si no es pren acció immediata per tal de mitigar el bycatch, la baldriga balear s’extingirà en només 60 anys. A més, posen de manifest que inclús en els escenaris on s’aconsegueix mitigar el bycatch, el flux gènic entre la baldriga balear i P. yelkouan és crucial per a garantir la diversitat genètica suficient per a la supervivència de l’espècie. En resum, l’aplicació de la genòmica de poblacions a la baldriga balear permet posar èmfasi en que és una necessitat màxima protegir també el flux gènic entre els llinatges mauretanicus – yelkouan, que té lloc principalment a les illes de Menorca i Cabrera. Al Capítol 3 hem aprofitat tota aquesta caracterització de la diversitat genètica a nivell genòmic per a dissenyar un panell d’SNPs capaç de determinar el sexe i la colònia de procedència dels cadàvers de bycatch. Tot i la baixa diferenciació genètica entre les diferents colònies mostrejades (FST mitjana = 0,006), el panel proposat, de només 61 SNPs, ha sigut capaç d’assignar correctament la colònia de tots els individus mostrejats en provar-ne la seva validesa. El genoma de la baldriga balear ha sigut la primera espècie seqüenciada sota el paraigua de la la Iniciativa Catalana per a l’Earth BioGenome Project (CBP). Aquest genoma ha contribuït a comprendre els processos demogràfics que han modelat l’evolució de P. mauretanicus i P. yelkouan. A més, ha proporcionat un coneixement molt valuós per tal de poder guiar la presa de decisions per la conservació de la baldriga balear, alhora que ha proporcionat una eina pràctica que permetrà la determinació de l’origen del seu bycatch.

[eng] The Balearic shearwater (Puffinus mauretanicus) is the most threatened seabird in Europe. Populations of the species suffer an annual decline of 7-14%, mainly due to predation by introduced mammals and bycatch in longline fisheries, with some studies predicting its extinction by 2070. The main objective of this thesis is to apply the power of population genomics to expand our knowledge about the Balearic shearwater, aiding the preservation of the species and its population-level biodiversity. In Chapter 1, we assemble and annotate a high-quality reference genome for P. mauretanicus, lacking for the species. Using a combination of short and long reads, we generated the first high-quality reference genome for the Balearic shearwater, with completeness amongst the highest across available avian species. This genome has been the steppingstone to the rest of the thesis. Our population genomic study (Chapter 2) allows the identification of 1,304,832 SNPs that uncovered a low genomic differentiation between P. mauretanicus and P. yelkouan, its sister species. Nonetheless, we were able to delimit up to five Evolutionary Significant Units (ESU) within the complex: Pitiüses, Mallorca and Cabrera (belonging to P. mauretanicus lineage) and Menorca and Yelkouan (belonging to P. yelkouan lineage). Surprisingly, the sampled individuals from the Menorca colony, previously thought to be hybrids between mauretanicus-yelkouan, clusterized with P. yelkouan. Using demographic analyses and model testing for different hypotheses of population structure and gene flow, we inferred that the split between Balearic and Yelkouan shearwaters occurred during the Last Glacial Maximum (LGM), but the Holocene interglacial would have facilitated hybridization between both shearwater taxa through secondary contact, leading to speciation reversal. These secondary contacts have resulted in a mitigation of inbreeding depression for Balearic shearwaters, not constituting an immediate problem as may have been expected. Moreover, selection scans reveal a 200 kb region hosting an adaptive haplotype that potentially underpins interspecific differences in migratory behaviour, and which has been repeatedly introgressed between taxa. We also analysed the future evolution of the species under different projections of bycatch and gene flow between species. We show that under the current demographic parameters, the meantime for the extinction of the Balearic Shearwater will be 60 years as previously proposed. Even with the mitigation of bycatch, the gene flow between P. mauretanicus and P. yelkouan will be compulsory to guarantee a stable census and sufficient genetic diversity for the survival of P. mauretanicus. In summary, the population genomics assessment highlighted the need to consider the protection of hybridization in conservation plans. In Chapter 3, we leveraged genomic techniques to design an SNP panel able to both sexing and assigning bycatch to its colony of provenance. Despite the low genetic differentiation among colonies (mean FST = 0.006), the in-silico design of the panel correctly assigns all individuals to their respective colonies with only 61 SNPs. The results of this thesis, carried out as part of the Catalan Biogenome Project (Chapter 4), have contributed to the understanding of the demographic processes that have driven the evolution of the Mediterranean Puffinus species. Moreover, we provide valuable knowledge to further planning and guiding its conservation and propose a practical tool to perform genomics assignment of bycatch.