Respuestas a la temperatura en especies del género Nothofagus distribuidas en un gradiente altitudinal

Abstract

Las predicciones del Cambio Clim´atico Global para el noroeste de la Patagonia indican un aumento de la temperatura media, acompañado de mayor frecuencia de eventos extremos. En este contexto, es fundamental comprender la respuesta de las especies nativas a la temperatura, en vistas de su conservación y uso sustentable. Entre estas especies, los árboles del género Nothofagus son de gran importancia ecológica y económica regional. En particular, dos de estas especies se encuentran distribuidas marcadamente en distintos estratos altitudinales en el norte de la Patagonia. Mientras que N. obliqua (roble pellín) domina las zonas bajas y cálidas, con un máximo de abundancia en los 650 m sobre el nivel del mar (msnm), N. pumilio (lenga) habita las zonas más frías del gradiente, encontrándose a partir de los 1000-1100 msnm y hasta el límite altitudinal del bosque. En este ambiente, el factor que varía más significativamente con la altura es la temperatura, y sugiere que cada especie posee preferencias por distintos nichos térmicos. En esta Tesis se estudió, entonces, la respuesta a la temperatura en especies de Nothofagus desde un enfoque novedoso, el cual consiste en el estudio de la influencia de la temperatura sobre el funcionamiento del reloj circadiano. Estas respuestas fueron abordadas integrando aspectos moleculares, bioinformáticos, fisiológicos, y ecológicos. Demostramos con experimentos de laboratorio que el reloj circadiano de N. pumilio pierde la compensación por temperatura entre los 28 C y los 31 C, mientras que N. Obliqua la pierde entre 31°C y 34°C. A un nivel de expresión génica global (mediante análisis bioinformáticos de RNA-seq), nuestros resultados sugieren que en N. pumilio la temperatura alta reprime vías reguladas a 20 C por el reloj, como la fotosíntesis o el metabolismo primario, y que, además, a 34°C esta especie se encuentra en un estado de severo estrés térmico, independientemente del reloj circadiano, promoviéndose a esa temperatura la expresión de genes de señalización hormonal y estrés abiótico, entre otros. Por otro lado, en condiciones naturales, se observó que fuera de su área natural de distribución, N. pumilio posee un patrón inusual de expresión del gen del oscilador central del reloj circadiano, TOC1, además de una disminución en la acumulación de materia seca, clorofila a, clorofila b, expansión foliar y supervivencia de plántulas. Este comportamiento no fue observado en N. obliqua fuera de su área de distribución natural, es decir en los estratos más fríos del gradiente, aportando fuertes evidencias a favor del efecto disruptivo de la alta temperatura. En otras palabras, patrones inusuales de oscilación del reloj circadiano se encuentran asociados con una disminución en la capacidad de crecimiento y fitness de N. pumilio. También se presenta como producto de esta Tesis el primer transcriptoma con alto grado de completitud para Nothofagus, secuenciado para N. pumilio en temperaturas y momentos del día contrastantes, en condiciones circadianas. Esta base de datos fue utilizada no sólo para estudios de expresión diferencial, sino también para diseño de primers y caracterización in silico de genes de reloj circadiano. También a través del uso de este transcriptoma, se llevó a cabo el primer estudio filogenómico que involucra distintas especies dentro del importante orden Fagales.

Global Climate Change predictions for northwestern Patagonia indicate a rise in mean temperature, together with more frequent extreme events. In this context, understanding native species’ responses to temperature is of utmost importance, considering their future conservation and sustainable use. Among these species, trees of the Nothofagus genus have great ecological and economical regional importance. Particularly, two of these species are markedly distributed in different altitudinal strata in northern Patagonia. While N. obliqua (roble pell´ın) dominates the lower, warmer areas, with highest abundance around 650 m above sea level (masl), N. pumilio (lenga) inhabits the colder areas, from 1000-1100 masl up to the altitudinal forest limit (tree-line) of these mountains. Here, the environmental factor that most significantly correlates with altitude is temperature, suggesting that each species has preferences for different thermic niches. Thus, in this Thesis we studied responses to temperature in Nothofagus species from a novel approach, namely the study of the influence of temperature in the circadian clock function. These responses were tackled integrating molecular, bioinformatic, physiological and ecological approaches. We show in laboratory experiments that N. pumilio’s circadian clock loses temperature compensation at between 28◦C and 31◦C, while N. obliqua loses it between 31◦C and 34◦C. Regarding global gene expression (through RNA-seq bioinformatic analysis), our results suggest that in N. pumilio high temperature suppresses pathways regulated by the clock at 20◦C, like photosynthesis or primary metabolism, and, in addition, that this species is under severe thermic stress at 34◦C, regardless of circadian clock function, having promoted expression of genes related to hormone signa ling and abiotic stress, among others. Furthermore, in natural conditions, we observed that outside its natural distribution area, N. pumilio has an unusual expression pattern in a circadian clock central oscillator gene, TOC1, together with less dry weight, chlorophyll a, chlorophyll b, leaf expansion and seeddling survival. This behavior was not observed in N. obliqua outside its natural distribution area, that is, in the colder strata of the gradient, adding strong evidence in favor of the disruptive effect of high temperature. In other words, unusual patterns of circadian clock oscillation are associated with a decrease in growth capacity and fitness in N. pumilio. We also present as a result of this Thesis the first transcriptome with a high degree of completeness for Nothofagus, sequenced for N. pumilio in contrasting temperature and circadian conditions. This database was not only used for differential expression analysis, but also for primer design and in silico circadian clock genes’ characterization. It was also through the use of this transcriptome that we conducted the first phylogenomic study for different species of the important order Fagales.