Date of Award
2024
Degree Type
Dissertation
Degree Name
Doctor of Philosophy in Biological and Environmental Sciences
Specialization
Evolution and Marine Biology
Department
Biological Sciences
First Advisor
Carlos Prada
Abstract
Coral reefs are among the most biodiverse ecosystems on the planet, yet we do not fully grasp the extent of their diversity or the mechanisms driving the evolution of these rich ecosystems. In recent decades, coral cover has decreased worldwide due to rising seawater temperatures caused by human activities. This thermal stress leads to coral bleaching (i.e., the loss of endo-photosymbiotic microalgae), resulting in widespread coral mortality. Despite this, some corals can withstand increased temperatures that are lethal to most conspecifics. These unprecedented coral losses and different species-specific responses to global warming pose the challenge of losing biodiversity before we can catalog and understand their singularities. Therefore, understanding the evolutionary history of corals and why some corals are less vulnerable to heat stress is a pressing conservation need in the face of unabating global warming. This dissertation delves into the genetic and physiological mechanisms underlying coral evolution in tropical reef environments, aiming to provide insights into the evolutionary history of these crucial ecosystems and propose conservation strategies aimed at enhancing the survival of these foundational organisms. To this end, I studied genetic and physiological variation in two common reef building corals in the Caribbean: Orbicella faveolate and Orbicella franski. In chapter I, I reanalyzed genetic data of a study of O. faveloata reporting quantitative genetic variation in the physiological response to thermal stress in a single population of this species, suggesting that variation within populations will allow these corals to adapt to rising ocean temperatures. However, I found multiple cryptic lineages rather than a single panmictic population, with one of the lineages being heat-intolerant. While different cryptic lineages co-occur in certain locations, there is at least one lineage that occurs only in a single location. My identification of hidden lineages within this threatened species underscores the diverse extinction risks faced by these independently evolving groups, especially since only some appear capable of surviving in warmer ocean conditions. In Chapter 2, I investigated the molecular mechanisms driving depth-associated adaptive divergence in the Orbicella species complex. My results suggests that coral populations adapt to different depths through positive selection on certain receptors known as rhodopsin-like G-protein-coupled receptors (GPCRs). These receptors help corals sense and respond to their environment, aiding in adaptation to various conditions and contributing to reproductive isolation by causing differences in spawning times. This study suggests that this mechanism drives the formation of depth-specific coral species, even within small spatial scales (less than 1 km), highlighting how ecological divergence can generate biodiversity in marine environments. In Chapter 3, I focused on the thermal tolerance and physiological adaptation of O. faveolate and O. franksi across different depths. Reciprocal transplant experiments and physiological assessments revealed significant genetic and physiological divergence between the two species. O. franksi demonstrated greater thermal tolerance, influenced by varying associations with Symbiodiniaceae communities. These differences provide insights into the selective pressures shaping coral evolution and their potential resilience to global warming. These chapters highlight the essential role of genetic variation and ecological adaptation in coral evolution and climate change response, providing valuable insights for conservation. Understanding the genetic and physiological mechanisms behind coral evolution and stress responses will enhance our ability to predict future trajectories and develop effective conservation strategies.
Los arrecifes de coral se encuentran entre los ecosistemas con mayor biodiversidad del planeta, pero no comprendemos completamente el alcance de su diversidad ni los mecanismos que impulsan la evolución de estos ricos ecosistemas. En las últimas décadas, la cubierta de coral ha disminuido en todo el mundo debido al aumento de la temperatura del agua de mar provocado por las actividades humanas. Este estrés térmico conduce al blanqueamiento de los corales (es decir, la pérdida de microalgas endofotosimbióticas), lo que resulta en una mortalidad generalizada de los corales. A pesar de esto, algunos corales pueden soportar temperaturas elevadas que son letales para la mayoría de sus congéneres. Estas pérdidas de corales sin precedentes y las diferentes respuestas específicas de las especies al calentamiento global plantean el desafío de perder biodiversidad antes de que podamos catalogar y comprender sus singularidades. Por lo tanto, comprender la historia evolutiva de los corales y por qué algunos corales son menos vulnerables al estrés por calor es una necesidad de conservación apremiante frente al calentamiento global incesante. Esta disertación profundiza en los mecanismos genéticos y fisiológicos que subyacen a la evolución de los corales en entornos de arrecifes tropicales, con el objetivo de proporcionar información sobre la historia evolutiva de estos ecosistemas cruciales y proponer estrategias de conservación destinadas a mejorar la supervivencia de estos organismos fundamentales. Con este fin, estudié la variación genética y fisiológica en dos corales formadores de arrecifes comunes en el Caribe: Orbicella faveolata y Orbicella franski. En el capítulo I, volví a analizar los datos genéticos de un estudio de O. faveloata que informaba de una variación genética cuantitativa en la respuesta fisiológica al estrés térmico en una sola población de esta especie, sugiriendo que la variación dentro de las poblaciones permitirá que estos corales se adapten al aumento de las temperaturas del océano. Sin embargo, encontré múltiples linajes crípticos en lugar de una única población panmíctica, y uno de los linajes era intolerante al calor. Si bien diferentes linajes crípticos coexisten en ciertos lugares, hay al menos un linaje que ocurre solo en un único lugar. Mi identificación de linajes ocultos dentro de esta especie amenazada subraya los diversos riesgos de extinción que enfrentan estos grupos que evolucionan independientemente, especialmente porque sólo algunos parecen capaces de sobrevivir en condiciones oceánicas más cálidas. En el Capítulo 2, investigué los mecanismos moleculares que impulsan la divergencia adaptativa asociada a la profundidad en el complejo de especies de Orbicella. Mis resultados sugieren que las poblaciones de coral se adaptan a diferentes profundidades mediante la selección positiva de ciertos receptores conocidos como receptores acoplados a proteína G similares a la rodopsina (GPCR). Estos receptores ayudan a los corales a sentir y responder a su entorno, ayudando en la adaptación a diversas condiciones y contribuyendo al aislamiento reproductivo al provocar diferencias en los tiempos de desove. Este estudio sugiere que este mecanismo impulsa la formación de especies de coral específicas de profundidad, incluso dentro de pequeñas escalas espaciales (menos de 1 km), destacando cómo la divergencia ecológica puede generar biodiversidad en ambientes marinos. En el Capítulo 3, me centré en la tolerancia térmica y la adaptación fisiológica de O. faveolata y O. franksi en diferentes profundidades. Los experimentos de trasplante recíproco y las evaluaciones fisiológicas revelaron una divergencia genética y fisiológica significativa entre las dos especies. O. franksi demostró una mayor tolerancia térmica, influenciada por diversas asociaciones con comunidades Symbiodiniaceae. Estas diferencias proporcionan información sobre las presiones selectivas que dan forma a la evolución de los corales y su potencial resiliencia al calentamiento global. Estos capítulos destacan el papel esencial de la variación genética y la adaptación ecológica en la evolución de los corales y la respuesta al cambio climático, proporcionando conocimientos valiosos para la conservación. Comprender los mecanismos genéticos y fisiológicos detrás de la evolución de los corales y las respuestas al estrés mejorará nuestra capacidad para predecir trayectorias futuras y desarrollar estrategias de conservación efectivas.
Recommended Citation
Gómez Corrales, Matías, "CRYPTIC LINEAGES MATTER FOR CORAL CONSERVATION UNDER CLIMATE CHANGE" (2024). Open Access Dissertations. Paper 1672.
https://digitalcommons.uri.edu/oa_diss/1672