DNA barcoding of the reptiles of the Socotra archipelago
- 1. DNA BARCODING OF THE REPTILES OF THE SOCOTRA ARCHIPELAGO Santiago Montero Mendieta Montero-Mendieta S., Vasconcelos R., Simó- Riudalbas M., Sindaco R., Santos X., Fasola M., Razzetti E., Llorente, GA. & Carranza S. Societat Catalana d’Herpetologia www.soccatherp.org
- 2. Introducción • Conocer y distinguir ciertas especies es algo crucial para las necesidades humanas y el bienestar social. • Actualmente, desconocemos el número total de especies. • La taxonomía clásica es lenta y problemática. Estimadas: de 2 a 100 millones Descritas: 1.9 millones Ejemplo: Especies crípticas no pueden ser identificadas. Solución: DNA barcoding
- 3. Introducción ¿Qué es el DNA barcoding? • Método taxonómico moderno que se basa en el uso de una única región genómica corta y estandarizada. • Con suficiente variabilidad para discriminar especies. • Resuelve los problemas de la taxonomía morfológica. Identificación de especímenes Descubrimiento de especies Finalidad del DNA barcoding 1 2 En animales: región de 648- pb del gen mitocondrial citocromo c oxidasa I (COI).
- 4. Introducción Importancia del DNA Barcoding Investigación en Ecología Gestión y conservación de la biodiversidad Control del comercio ilegal de especies Identificación de especies automatizada Investigación Genómica
- 5. Introducción Problemas del DNA Barcoding Depende de la escala y la historia evolutiva Resulta difícil establecer “fronteras” entre especies Amplificación del gen COI no es fácil en algunos grupos taxonómicos Barcoding gap
- 6. Objetivos 1. Generar una librería de referencia de DNA para todos los reptiles del archipiélago de Socotra. 2. Probar cómo de efectiva es esta librería de DNA para la futura identificación de especímenes. 3. Explorar la posible diversidad críptica a través de los DNA barcodes.
- 7. Material y métodos ZONA DE ESTUDIO El Archipiélago de Socotra “ … La joya del Mar Arábigo ” “ … Las Galápagos del Océano Índico ” “ … El lugar más extraterrestre de la Tierra ” “ … Uno de los lugares más aislados del planeta ”
- 8. Material y métodos ZONA DE ESTUDIO El Archipiélago de Socotra • Origen continental: Archipiélago de Socotra adyacente a la región de Dhofar (Omán). • ≈ 30–17.6 Ma: el archipiélago de Socotra se separa del continente arábigo.
- 9. Material y métodos ZONA DE ESTUDIO El Archipiélago de Socotra • Gran diversidad paisajística y de hábitats • Gran diversidad de estrategias biológicas • Patrimonio de la Humanidad (UNESCO, 2008)
- 10. Material y métodos ZONA DE ESTUDIO Alto endemismo a nivel de especie: • 37% de 825 especies de plantas • 95% de 100 especies de caracoles • 94% especies de reptiles (29/31) Alto endemismo a nivel de género: • 3.5% del total de géneros de plantas • 75% del total de géneros de caracoles • 42% del total de géneros de reptiles El Archipiélago de Socotra • Importancia del DNA barcoding en Socotra
- 11. Material y métodos MUESTREO Para cada especie 1 individuo por cada franja de distribución 10 x 10 km2 (3 individuos en el caso de especies con diversidad críptica ya conocida). Entre 2007 y 2014
- 12. Material y métodos EXTRACCIÓN, AMPLIFICACIÓN Y SECUENCIACIÓN Del gen COI de 380 individuos de todas las especies de reptiles actualmente reconocidas en el archipiélago de Socotra. Extracción del DNA del tejido muscular Amplificación del gen COI con 3 parejas de primers Secuenciación
- 13. • Explorar el barcoding gap “global” • Explorar el barcoding gap “local” Distancias genéticas Material y métodos ANÁLISIS 1) Global barcoding gap: Histogramas de distribución de frecuencias de todas las distancias genéticas Intra–/Inter– a diferentes niveles taxonómicos. - A nivel de especies - A nivel de género - A niveles monofiléticos superiores (Gekkota, Serpentes, etc.)2) Local barcoding gap: para cada especie, la máxima distancia intraespecífica versus la mínima interespecífica. 1
- 14. Material y métodos ANÁLISIS • Basada en distancias genéticas • Basada en árboles filogenéticos Identificación de especímenes • Explorar el barcoding gap “global” • Explorar el barcoding gap “local” Distancias genéticas Distance-based techniques: 1) Best match (BM) 2) Best close match (BCM) 3) All species barcodes (ASB) Tree-based techniques: 1) Criterio Hebert 2) Criterio Meier Identificació n Exitosa Ambigua ErróneaUmbral de semejanza: 1%, 3%, 6% , 9% y 14.38% * * 1 2
- 15. Material y métodos ANÁLISIS • Delimitación con umbrales de distancia • Delimitación a través del enfoque GMYC Descubrimiento de especies • Basada en distancias genéticas • Basada en árboles filogenéticos Identificación de especímenes • Explorar el barcoding gap “global” • Explorar el barcoding gap “local” Distancias genéticas 1) Umbrales de distancia fijados: 1%, 3%, 6%, 9% y 14.38% 2) GMYC: umbral único/múltiple a través de diferentes datasets Precisión taxonómica 1 2 3
- 16. A nivel de especies Resultados a. Distancias genéticas 0 5 10 15 20 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Frequency(%) Pairwise p-distances (%) All species Interspecific Intraspecific Taxonomic levels Pairwise p-distances (%) Minimum Mean Maximum Species 0.00 7.04 17.10 Genus 3.13 18.50 24.15 Family 17.00 26.28 35.80 • Amplio solapamiento entre las distancias intraespecíficas y las distancias interespecíficas. • No barcoding gap “global”. • Alta variabilidad intraespecífica.
- 17. 0 20 40 60 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Frequency(%) Pairwise p-distances (%) Scincomorpha Interspecific Intraspecific 0 10 20 30 40 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Frequency(%) Pairwise p-distances (%) Serpentes Interspecific Intraspecific 0 5 10 15 20 25 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Frequency(%) Pairwise p-distances (%) Gekkota Interspecific Intraspecific Resultados a. Distancias genéticas • Presencia de barcoding gap en el dataset de Serpentes y en el de Scincomorpha (escíncidos). • La alta divergencia intraespecífica y la baja interespecífica se encuentran en el suborden Gekkota (geckos). Barcoding gap Barcoding gap A niveles monofiléticos superiores
- 18. 0 5 10 15 20 25 30 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Frequency(%) Pairwise p-distances (%) Hemidactylus Interspecific Intraspecific 0 20 40 60 80 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Frequency(%) Pairwise p-distances (%) Haemodracon Interspecific Intraspecific Resultados a. Distancias genéticas • Los 2 únicos géneros que no tienen barcoding gap son Hemidactylus y Pristurus. • Los individuos del género Pristurus presentan la máxima divergencia intraespecífica observada. 0 5 10 15 20 25 30 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Frequency(%) Pairwise p-distances (%) Pristurus Interspecific Intraspecific Barcoding gap A nivel de género
- 19. Resultados a. Distancias genéticas • Presencia de barcoding gap “local” para 29 de las 31 especies. • Solo en el caso de Pristurus sokotranus y Pristurus insignis la máxima distancia intraespecífica supera a la mínima interespecífica. 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 NearestNeighborDistance(%) Maximum Intraspecific Distance (%) BARCODE GAP NO BARCODE GAP Barcoding gap “local”
- 20. Resultados b. Identificación de especímenes 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% BM* BCM ASB BCM ASB BCM ASB BCM ASB BCM ASB 1% 3% 6% 9% 14.38% Identificationsuccess Distance threshold Sucess Ambiguous Misidentified No match Basada en distancias genéticas 1) BM: 99% 2) BCM: 94 – 99% 3) ASB: 68 – 73% El éxito de identificación es de moderado a alto:
- 21. Resultados b. Identificación de especímenes Basada en árboles filogenéticos • Los 3 tipos de árboles filogenéticos (BI, NJ, ML) presentan topologías similares. • Parafília de Pristurus sokotranus. • El éxito de identificación depende del criterio utilizado: 1) Criterio Hebert: 75% 2) Criterio Meier: 96%
- 22. Resultados c. Descubrimiento de especies Delimitación con umbrales de distancia Threshold pairwise distance Nº of clusters Maximum pairwise distance Nº of clusters with threshold violations Nº of clusters corresponding to taxonomy Taxonomic accuracy Max. Nº of species per cluster 1% 78 2.07% 11 (14.10%) 11 35.48% 1 3% 52 3.92% 6 (11.53%) 18 58.06% 1 6% 41 6.93% 1 (2.43%) 19 61.29% 2 9% 36 11.05% 3 (8.33%) 18 58.06% 2 14.38% 24 17.94% 5 (20.83%) 12 38.71% 3 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% Taxonomicaccuracy Pairwise distance treshold • En algunos clusters, la máxima distancia observada supera el valor de umbral fijado. • El número de clusters nunca coincide estrictamente con el número de especies taxonómicas. • El umbral del 6% es el que presenta la mayor precisión taxonómica.
- 23. Resultados c. Descubrimiento de especies Delimitación con GMYC • Número de entidades depende del tipo de umbral: 1) Único: 67 entidades 2) Múltiple: 188 entidades • Muchas de las especies presentan más de una entidad! Menor precisión taxonómica
- 24. Discusión a. Variabilidad genética en los reptiles de Socotra Intraespecífica Interespecífica a) COI puede diferir sustancialmente entre individuos de una especie. b) Diversidad críptica La ausencia de un barcoding gap global no compromete el éxito de identificación del DNA barcoding “Local” barcoding gap En 29 de 31 especies NO “global” barcoding gap
- 25. Discusión b. Éxito de identificación del DNA barcoding BM BCM ASB Criterio Hebert Criterio Meier 99% 94-99% 68-71% 75% 96% El éxito es alto incluso cuando se aplica el umbral genérico del 1% Son métodos que requieren monofília Irreal en linajes mitocondriales Pristurus sokotranus Pristurus samhaensis Basada en distancias Basada en árboles
- 26. Discusión c. Diversidad críptica en los reptiles de Socotra Delimitación con distancias Delimitación GMYC* 3% 6% 9% 52 41 36 A B C 67 65 56* Utilizando el umbral único con diferentes tipos de datasets a) Arbitrariedad b) Umbral fijado es lógicamente imposible de mantener. B A C ≤ 3% ≤ 3% 3.92% 3% Muchas posibles especies crípticas!? Método más fiable El gen COI, por si solo, no es totalmente representativo de la historia evolutiva… Los resultados respaldan Gómez-Díaz et al. (2012)
- 27. Conclusiones El DNA barcoding no es la panacea para resolver los problemas de la taxonomía, pero es una herramienta muy útil para monitorear y evaluar de forma rápida la biodiversidad Los altos niveles de divergencia intraespecífica son coherentes con la delimitación de especies y sugieren diversidad críptica en los reptiles de Socotra, a tener en cuenta para conservación El DNA barcoding es muy útil para la identificación de especímenes, pero para el descubrimiento de especies sólo será eficaz si se incorpora en un marco taxonómico más integrador Aunque no se ha detectado un barcoding gap en los reptiles de Socotra, el éxito de identificación de especímenes es de moderado a alto, dependiendo del método utilizado
- 28. ¡¡¡MUCHAS GRACIAS!!! Agradecimientos: Salvador Carranza Raquel Vasconcelos Marc Simó-Riudalbas Margarita Metallinou Joan García-Porta Luis Machado João Maia Duarte V. Gonçalves Joana Mendes Isabel Tavares Karin Tamar Jiří Šmíd Erika Zakar Nefeli Paschou Josep Roca