CdSBIOLOGIA MARINA
Codice543EE
CFU3
PeriodoPrimo semestre
LinguaItaliano
| Moduli | Settore/i | Tipo | Ore | Docente/i | |
| FONDAMENTI ECOLOGICI DELLA FILOGEOGRAFIA MARINA | BIO/07 | LEZIONI | 24 |
|
Il corso ha lo scopo di fornire conoscenze di filogeografia in ambiente marino in un contesto ecologico. Ciò fornirà allo studente informazioni importanti per la comprensione della struttura genetica di specie marine in relazione a fattori storici che possono aver provocato fenomeni microevolutivi di divergenza/omogeneizzazione genetica recenti. La conoscenza dell’ecologia delle specie studiate risulta di fondamentale importanza per una corretta interpretazione dei pattern filogeografici osservati.
The course is aimed at providing phylogeographical knowledge of marine species in an ecological context. The student will get important information to understand the genetic structure of marine species in relation to historical factors that determined microevolutionary processes of genetic divergence/homogenization in relatively recent times. The knowledge of species’ ecology is crucial for a correct interpretation of the observed phylogeographical patterns.
Per l'accertamento delle conoscenze sarà svolta dagli studenti una prova scritta (compitino) sotto forma di test a risposta multipla alla fine del corso. Il test sarà successivamente integrato da un esame orale.
A written test will be scheduled to ascertain students' knowledge acquisition. The test is a multiple choice trial scheduled soon after the end of the course. This written exam will be followed by an oral exam.
Lo studente potrà acquisire un modello concettuale focalizzato sulle tematiche filogeografiche in relazione all’ecologia delle specie marine in un contesto microevolutivo.
The students will acquire a conceptual framework focused on phylogeographical themes related to marine species’ ecological characteristics, in a microevolutionary context.
Nozioni di Biologia Generale, di Biologia Marina, di Ecologia, di Genetica di Popolazione.
Basic knowledge on General Biology, Marine Biology, Ecology, Population genetics.
Lezioni frontali, con ausilio di presentazioni in Powerpoint. Comunicazione con gli studenti mediante ricevimento e posta elettronica. Seminari svolti da ricercatori/docenti di università o enti di ricerca italiani o stranieri. Eventuale costituzione di un gruppo Whatsapp.
Lectures with Powerpoint presentations. Communication with students through email and meeting during the office hours. Seminars carried out by lecturers from Italian or foreing universities/research centers. Possible use of a Whatsapp group for quick communications.
Introduzione al corso.
I livelli composizionali della biodiversità con particolare riferimento a quelli sub-specifici. Importanza e valore della diversità genetica all'interno e tra le popolazioni naturali. Modelli di struttura genetica delle specie: panmittico, dell'isola, dell'arcipelago (mono e bi-dimensionale), del lattice. Flusso genico tra popolazioni naturali. Metodi per stimare il flusso genico basati su parametri genetici. Metodi non dicotomici per raffigurare le relazioni genetiche tra individui e popolazioni. Il multidimensional scaling non-metrico: principi e applicazioni. I network degli aplotipi.
Scale spaziali di variabilità genetica (esempio della discontinuità filogeografica Atlantico/Mediterraneo). Effetti della marginalità e della perifericità sulla struttura genetica delle specie marine. Effetti della frammentazione e della riconnessione dell'habitat sulla struttura genetica delle specie marine.
La filogeografia: origini, definizione e campi di indagine. Metodi di studio per l'approccio filogeografico. I modelli di vicarianza e dispersione. Il DNA mitocondriale (mtDNA) come marcatore elettivo per gli studi filogeografici. Caratteristiche generali del mtDNA.
Stime di diversità genetica all'interno e tra le popolazioni. Trattamento dei dati ottenuti con marcatori genetici dominanti e codominanti. Cenni sulla teoria della coalescenza. Alberi di geni e di popolazioni/specie. Le categorie di relazioni filogenetiche: monofilia reciproca, polifilia e parafilia. Condizioni che soddisfano le tre categorie di relazioni filogenetiche.
Insorgenze di barriere al flusso genico in popolazioni strutturate. Ipotesi di contatto secondario e sorting delle linee genealogiche. I modelli di "gene-flow-early" e gene-flow-late". Relazione tra strutturazione della specie e profondità della coalescenza. Tempi di coalescenza nelle metapopolazioni.
Estensione ai geni nucleari dei concetti relativi alla coalescenza nei geni uniparentali. L'"aggiustamento quadruplo". Coalescenza in geni soggetti a selezione bilanciante e selezione direzionale. Pattern filogeografici in popolazioni animali naturali. Le cinque categorie filogeografiche proposte da Avise.
I quattro aspetti della concordanza genealogica. Concordanza genealogica tra gli alberi di geni mitocondriali e quelli di geni nucleari. La regola delle tre volte (3x).
Filogeografia marina comparata a livello globale. Gli oceani tropicali. Il triangolo dei coralli all'interno della grande provincia indo-pacifica. Barriere all'interno della provincia indo-pacifica. Hotspot di biodiversità e hotspot di endemismi all'interno della provincia indo-pacifica. I mari polari, i mari temperati. Pattern filogeografici taxon-specifici. Filogeografia di taxa antitropicali. Pattern filogeografici in cetacei, cheloni marini, grandi pesci pelagici e organismi del plancton. Filogeografia in specie aliene: ricostruzione delle rotte di introduzione mediante l'approccio filogeografico: potenzialità e difficoltà.
Aspetti di demografia storica. I quattro scenari di dinamica temporale delle popolazioni: stabilità, espansione, contrazione e collo di bottiglia. Simulazioni di Harpending et al (1998) per verificare i modelli di inferenza sulla demografia storica. Assunzioni dei modelli. Alberi, spettri di frequenza delle mutazioni e distribuzioni mismatch. Interpretazione delle curve mismatch. Curve mismatch "seghettate" e approssimabili ad una curva gaussiana.
Ove possibile, gli argomenti del corso saranno trattati con esempi reali e casi di studio.
Introduction to the course.
The compositional levels of biodiversity with particular reference to the subspecific ones. Importance and value of within- and among-population genetic diversity. Models of species' genetic structure: panmictic model, lattice model, island model, (1-D and 2-D) stepping-stone model. Gene flow between natural populations. Genetic-based methods for estimating gene flow. Non-dychotomous methods to depict genetic relationships among individuals/populations. The non-metric multidimensional scaling (MDS) and haplotype networks.
Spatial scales of genetic diversity. The example of the Atlantic-Mediterranean genetic discontinuity. Effects of marginality and perifericity on marine species' genetic structure. Effects of habitat fragmentation/reconnection on marine species' genetic structure.
Phylogeography: origins, definition, and fields of investigation. Study methods for phylogeographical approach. The vicariance and dispersal models. The mitochondrial DNA (mtDNA) as elective marker for phylogeographical ssurveys. General characteristics of mtDNA.
Estimates of within- and among-population genetic diversity. Treatment of dominant and co-dominant data. An outline of coalescence theory. Gene trees and population/species trees. The three categories of phylogenetic relationships: reciprocal monophyly, polyphyly, and paraphyly. Conditions satisfying the three categories of phylogenetic relationships.
Onset of barrier to gene flow in structured populations. Secondary contact hypothesis and lineage sorting. The gene-flow-early and gene-flow-late models. Relation between species' genetic structure and coalescence depth. Coalescence times in metapopulations.
Extension of coalescence concept in uniparental genes to nuclear genes. The 4-fold adjustment in nuclear genes. Coalescence in genes subject to balancing or directional selection. Phylogeographical patterns in natural animal populations. The five Avise's phylogeographical categories.
The four aspects of genealogical concordance. Genealogical concordance between mitochondrial and nuclear gene trees. The three-time (3x) rule.
Comparative marine phylogeography at global level. The tropical oceans. The coral triangle within the large Indo-Pacific province. Biodiversity and endemism hotspots within the Indo-Pacific province. The temperate and polar seas. Taxon-specific phylogeographical patterns. Phylogeography of antitropical taxa. Phylogeographical patterns in cetaceans, marine turtles, large pelagic fishes, and plankton organisms. Philogeography in alien species: reconstruction of introduction routes through the phylogeographical approach: potentiality and difficulties.
Aspects of historical demography. The four scenarios of population temporal dynamics: stability, expansion, contraction, and bottleneck. Harpending et al's (1998) simulations to verify the historical demography models. Assumptions of the models. Trees, frequency spectra of mutations and mismatch distributions. Interpretation of mismatch distribution curves. Ragged mismatch distribution curves and fitting a Gaussian curve.
When possible, theoretical topics addressed in the course will be treated with real examples and study cases.
Avise JC (2000) Phylogeography - The history and formation of species. Harvard University Press, Cambridge, MA, USA.
Bowen BW, Gaither MR, DiBattista JD, Iacchei M, Andrews KR, Grant WS, Toonen RJ, Briggs JC (2016) Comparative phylogeography of the ocean planet. Proceedings of the National Academy of Science USA 113(29): 7962–7969.
Freeland JR (2005) Molecular Ecology. WileyHoboken, NJ, USA.
Gli studenti potranno avere accesso ai file utilizzati dal docente per le lezioni frontali in formato pdf.
Avise JC (2000) Phylogeography - The history and formation of species. Harvard University Press, Cambridge, MA, USA.
Bowen BW, Gaither MR, DiBattista JD, Iacchei M, Andrews KR, Grant WS, Toonen RJ, Briggs JC (2016) Comparative phylogeography of the ocean planet. Proceedings of the National Academy of Science USA 113(29): 7962–7969.
Freeland JR (2005) Molecular Ecology. WileyHoboken, NJ, USA.
The pdf version of slides used by lecturers will be available for students.
Data la natura specialistica e l'elevato livello di "personalizzazione" del corso, si suggerisce fortemente la frequenza delle lezioni.
L'esame finale viene svolto sotto forma di prova orale. È però previsto lo svolgimento di una prova scritta in itinere, sotto forma di questionario a risposta multipla, al fine di verificare l’acquisizione dei concetti trattati durante le lezioni.
After the end of of the course, the students will take an oral exam. Nevertheless, before that, the participation of students to a written trial (multiple choice questionnaire) is highly recommended, in order to assess the acquisition of concepts addressed during the course.