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Genomic applications to the study of Western Mediterranean amphibians and reptiles, with a focus on the genera Calotriton, Iberolacerta, and Vipera

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Carranza Gil-Dolz del Castellar, Salvador

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Universitat de Barcelona. Facultat de Biologia

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[eng] The advent of genomics has revolutionized the study of reptiles and amphibians at different levels and fields. In particular, this thesis deals with the applications of genomics to systematics, conservation and evolutionary biology basic research, focused on three Western Mediterranean genera –Calotriton, Iberolacerta, and Vipera–. Regarding the brook newts of the genus Calotriton, reduced-representation genomic analyses revealed severe bottlenecks triggered by climate changes, especially in the Montseny brook newt (C. arnoldi), the most threatened amphibian species in Europe, that led to depauperate genome-wide heterozygosity values and high fragmentation among populations. Populations in the Western Montseny submassif seemed to be significantly more different than expected, and backed by genomic, morphological and ecological evidence, we formally described the Western Montseny brook newt (C. arnoldi laietanus) as a new subspecies, aiming to highlight the uniqueness of this lineage and ensure appropriate management and protection of this Critically Endangered taxon. Secondly, rock lizards from the genus Iberolacerta served as model to explore major rearrangements in genomic architecture, potentially linked to ecological adaptation. We found support for two alternative hypotheses explaining the alpine confinement of this genus using whole-genome sequencing data. On the one hand, demographic inference supported ecological outcompetition reflected by major bottlenecks coinciding with the radiation of the genus Podarcis, and, on the other, adaptations to altitudinal hypoxia were found in the form of gene expression shifts on hemoglobin isoforms, which might render toxic higher oxygen concentrations. In third place, the European vipers of the genus Vipera exhibited the most conspicuous patterns of mito-nuclear discordance in their phylogeny, which is, moreover, pervaded by introgression among old-diverged species. Population genomics in Iberian vipers unveiled evidence for adaptive introgression among an ecologically dissimilar species pair, whereas chromosomal rearrangements have enabled ecological convergence between a sympatric and ecologically similar species pair. Finally, we characterized the venom-encoding genes of the three Iberian vipers coupling genomic, transcriptomic, and proteomic evidence to reveal a fine balance between opposing selective forces governing the evolution of venom as an integrated phenotype. Overall, this thesis underscores the role of genomics as the new cornerstone of modern systematics, an ideal instrument for guiding conservation programs, and a powerful tool to unravel key aspects and drivers of speciation, adaptation and other evolutionary processes.

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[spa] La era de la genómica ha revolucionado el estudio de reptiles y anfibios a diferentes escalas y en diferentes campos. En particular, esta tesis versa sobre las aplicaciones de la genómica a la sistemática, la conservación, y la biología evolutiva, centrándose en tres géneros del Mediterráneo Occidental –Calotriton, Iberolacerta, y Vipera–. En cuanto a los tritones del género Calotriton, datos genómicos de representación reducida revelaron cuellos de botella poblacionales a causa de cambios climáticos, especialmente en el tritón del Montseny (C. arnoldi), el anfibio más amenazado de Europa, que han llevado a un empobrecimiento en la diversidad genómica y una gran fragmentación de sus poblaciones. Las poblaciones en el submacizo occidental resultaron ser significativamente más diferentes de los esperando y, respaldados  por evidencia genómica, morfológica y ecológica, describimos formalmente el tritón del Montseny Occidental (C. arnoldi laietanus) como una nueva subespecie, con el propósito de destacar la singularidad de su linaje, así como de promover una correcta gestión y protección de este taxón en peligro crítico de extinción. En segundo lugar, las lagartijas del género Iberolacerta sirvieron como modelo para explorar grandes reorganizaciones en la arquitectura genómica, potencialmente relacionadas con adaptación a nuevos ambientes. Encontramos evidencias en apoyo a dos hipótesis alternativas para explicar el confinamiento alpino de este género usando datos de resecuenciación de genomas completos. Por un lado, grandes cuellos de botella coincidentes con la diversificación del género Podarcis parecen respaldar la hipótesis de la exclusión competitiva. Por otra parte, encontramos adaptación a la hipoxia altitudinal mediante cambios en la expresión de diferentes isoformas de la hemoglobina, que podrían hacer que concentraciones mayores de oxígeno resultaran tóxicas. En tercer lugar, las víboras europeas del género Vipera mostraron en su filogenia patrones de discordancia mito-nuclear e introgresión notables usando genomas completos. Análisis de genómica de poblaciones en la Península Ibérica desveló evidencias de introgresión adaptativa entre especies filogenética y ecológicamente muy divergentes, mientras que reorganizaciones cromosómicas han posibilitado la convergencia ecológica en simpatría entre especies ya de por sí ecológicamente similares. Finalmente, caracterizamos los genes codificadores del veneno en las tres especies de víboras ibéricas integrando datos genómicos, transcriptómicos y proteómicos para revelar un delicado equilibrio entre fuerzas de selección opuestas que rigen la evolución del veneno como un único fenotipo integrado. En definitiva, esta tesis subraya el papel de la genómica como la nueva piedra angular de la sistemática moderna, así como un instrumento ideal para guiar los programas de conservación de especies amenazadas, y una poderosa herramienta para descubrir aspectos claves de procesos evolutivos como la especiación y la adaptación.

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Genomic applications to the study of Western Mediterranean amphibians and reptiles, with a focus on the genera Calotriton, Iberolacerta, and Vipera