Conservation genetics of pollinators : situationof the Bumblebee Species Bombus terrestris in the Iberian Peninsula

Abstract

El abejorro común Bombus terrestris es una especie de insecto utilizado actualmente en todo el mundo para la polinización de los cultivos como el tomate, el melón o la fresa. Sin embargo, a pesar de tener un efecto positivo en la agricultura, se ha convertido en una amenaza para la biodiversidad en diferentes regiones debido a las interacciones (competencia por recursos florales o sitios de nidificación, transmisión de patógenos, etc) que establece con las poblaciones locales. En la península Ibérica habita la subespecie endémica Bombus terrestris lusitanicus. Su rango de distribución solapa con Bombus terrestris terrestris (una de las principales subespecies usadas comercialmente) en el norte de manera natural y en el sur desde el establecimiento de poblaciones comerciales desde los años 90. Los experimentos desarrollados en esta tesis tienen como objetivo analizar el estado de la diversidad genética de las poblaciones de abejorros en la península Ibérica y, específicamente, los posibles efectos que las poblaciones comerciales tienen sobre las poblaciones ibéricas silvestres de B. terrestris, para lo cual primero fue necesario dilucidar las diferencias moleculares existentes entre las dos subespecies. En el primer capítulo se validó el uso de una serie de marcadores nucleares (microsatélites) comúnmente usados para el estudio de la diversidad genética de poblaciones, en diferentes especies del género Bombus que habitan la península Ibérica, confirmando su utilidad para algunas especies muy poco estudiadas del género. En el segundo capítulo se utilizaron estos microsatélites junto con otros dos marcadores nucleares (ArgK y EF) y uno mitocondrial (16S) en busca de un marcador que permitiera diferenciar las subespecies molecularmente. Los haplotipos detectados en el fragmento 16S permitieron la diferenciación de los individuos ibéricos de los centroeuropeos (Francia, Bélgica), mientras que no se encontraron diferencias claras en los marcadores nucleares. En el tercer capítulo, con el objetivo de explotar las diferencias moleculares encontradas y diseñar una técnica económica y rápida para diferenciar las poblaciones ibéricas, se secuenciaron los genomas mitocondriales de las dos subespecies. A partir de las posiciones variables que se encontraron al comparar la secuencia de los dos mitogenomas se diseñaron cuatro marcadores potencialmente subespecíficos, uno de ellos (Bter_nad2) fue validado para su uso en un ensayo de polimorfismo de longitud de los fragmentos de restricción (RFLP por sus siglas en inglés). Los marcadores fueron testados en poblaciones ibéricas y centro europeas, desvelando no sólo indicios de hibridación e introgresión en el sur de la península Ibérica, sino también la expansión de B. t. lusitancius hacia el norte. En el último capítulo se utilizaron las herramientas validadas a lo largo de esta tesis para estudiar los patrones espaciales y temporales de diversidad genética en las poblaciones ibéricas de B. terrestris. Se compararon los resultados obtenidos del estudio de los haplotipos mitocondriales y las frecuencias alélicas de los microsatélites nucleares en las poblaciones ibéricas con los obtenidos de poblaciones de los Pirineos, Francia y Bélgica, además de una población de referencia temporal, previa a la introducción del abejorro comercial en el territorio. Los resultados muestran la expansión del haplotipo centroeuropeo no solamente en el sur sino en toda la península, evidenciando la hibridación e introgresión de las poblaciones comerciales e ibéricas, aunque sin efectos claros en la diversidad genética nuclear. Esta tesis confirma que la naturalización del B. terrestris comercial en la península Ibérica está afectando a la composición de las poblaciones silvestres, lo cual puede tener consecuencias desconocidas a largo plazo. Es necesario mejorar la legislación actual sobre la gestión y la exportación de abejorros comerciales para así preservar las poblaciones endémicas de abejorros ibéricos.

The common bumblebee Bombus terrestris is an insect species currently used worldwide for the pollination of crops such as tomatoes, melons and strawberries. However, despite having a positive effect on agriculture, it has become a threat to biodiversity in different regions due to the interactions (competition for floral resources or nesting sites, transmission of pathogens, etc.) it establishes with local populations. The endemic subspecies Bombus terrestris lusitanicus inhabits the Iberian Peninsula. Its distribution range overlaps with Bombus terrestris terrestris (one of the main subspecies used commercially) in the north in a natural way and in the south since the establishment of commercial populations since the 90s. The experiments developed in this Thesis aim to analyse the state of genetic diversity of bumblebee populations in the Iberian Peninsula and, specifically, the possible effects that commercial populations have on wild Iberian populations of B. terrestris, for which it was first necessary to elucidate the molecular differences existing between the two subspecies. The first chapter validated the use of a series of nuclear markers (microsatellites) commonly used for the study of the genetic diversity of populations, in different species of the genus Bombus that inhabit the Iberian Peninsula, confirming their usefulness for some very little studied species of the genus. In the second chapter, these microsatellites were used together with two other nuclear markers (ArgK and EF) and a mitochondrial one (16S) in search of a marker that could differentiate the subspecies molecularly. The haplotypes detected in the 16S fragment allowed for the differentiation of Iberian individuals from central Europe (France, Belgium), while no clear differences were found in the nuclear markers. In the third chapter, with the aim of exploiting the molecular differences found and designing an economical and rapid technique to differentiate the Iberian populations, the mitochondrial genomes of the two subspecies were sequenced. From the variable positions found when comparing the sequence of the two mitogenomes, four potentially sub-specific markers were designed, one of which (Bter_nad2) was validated to be used in restriction fragment length polymorphism tests (RFLP). The markers were tested in Iberian and Central European populations, revealing not only signs of hybridization and introgression in the south of the Iberian Peninsula, but also an expansion of B. t. lusitancius towards the north. In the last chapter the tools validated throughout this thesis were used to study the spatial and temporal patterns of genetic diversity in Iberian B. terrestris populations. The results obtained from the study of mitochondrial haplotypes and allelic frequencies of nuclear microsatellites in Iberian populations were compared with those obtained from populations in the Pyrenees, France and Belgium, as well as a temporal reference population, sampled prior to the introduction of the commercial bumblebee in the territory. The results show the expansion of the Central European haplotype not only in the south but also in the whole peninsula, evidencing the hybridization and introgression of the commercial and Iberian populations, although without clear effects on nuclear genetic diversity. This thesis confirms that the naturalization of commercial B. terrestris in the Iberian Peninsula is affecting wild populations, which may have unknown long-term consequences. Current legislation on the management and export of commercial bumblebees needs to be improved in order to preserve endemic Iberian bumblebee populations.