BIO Tesis doctorado

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Caracterización de la regulación transcripcional y función del gen SDH2-3 de Arabidopsis thaliana.
(2013) Restovic Carvajal, Franko; Jordana, Xavier; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas
Our group has undertaken the study of mitochondrial function in plants focusing on complex II (succinate dehydrogenase, SDH) of Arabidopsis thaliana. This complex plays a pivotal role in the tricarboxylic acid (TCA) cycle and the electron transport chain, two fundamental processes in the energetic plant metabolism. We have described the existence of three nuclear genes coding for iron-sulfur proteins (SDH2), named SDH2-1, SDH2-2 and SDH2-3. Two of them, SDH2-1 and SDH2-2, are almost identical (96%) and share the same exon-intron structure. SDH2-3 on the other hand, has a different exonintron structure and has approximately 70% identity to the other two. Additionally, unlike SDH2-1 and SDH2-2 that are expressed in adult plants, SDH2-3 expression is confined to seed maturation and it decreases during germination, while SDH2-1 and SDH2-2 transcripts are low in seeds and they begin to accumulate after germination and during vegetative growth. We have described seed-specific cis-elements necessary for promoter activity (three ABA-responsive elements or ABRE and one RY element) and determined in vitro binding of seed-specific transcription factors to them (bZIP10, bZIP25 and bZIP53 binding to ABREs; ABI3 and FUS3 binding to RY). Moreover, we have determined that ABI3 and FUS3 are necessary for promoter activity in planta, as mutant lines of these factors showed decreased SDH2-3 levels in seeds. On the other hand, we have determined that SDH2-3 is important for seed germination, indicating a specific role during this developmental stage. The main focus of this thesis work is to study the seed-specific expression and the function of SDH2-3. It is worth noting that no reports of mitochondrial proteins bearing this singular expression pattern have been published. Therefore, we will determine essential regions of the SDH2-3 promoter and additional putative cis-elements controlling transcriptional regulation, transcription factors involved, and the function of this protein during seed maturation and postgerminative growth. Regarding the SDH2-3 promoter, during this thesis we were able to determine a minimal region necessary and sufficient for promoter activity, between -114 and +49 from the transcription start site. Moreover, the 5´UTR region (+1 to +49) is essential for SDH2-3 promoter activity, as determined by loss-of-function experiments. In addition, transient expression assays showed that ABI3 is able to activate SDH2- 3 transcription in vivo alone or in combination with bZIP factors bZIP10, bZIP25 or bZIP53. However, single bZIP factors were unable to activate the promoter, and only transfection with bZIP10 and bZIP53 was able to induce expression. Moreover, SDH2-3 transcript levels are significantly reduced in bzip53 mutant dry seeds. These results indicate the SDH2-3 promoter is activated by bZIP transcription factors and corroborate the importance of ABI3. On the other hand, we determined that SDH2-3 influences seed development and maturation, as lack of this protein resulted in decreased seed weight. Interestingly, protein content also showed a reduction in sdh2-3 mutants while lipid content did not show any biologically significant variation. This is an interesting feature since seed metabolism is directed during maturation towards the formation of seed proteins and lipids. Thus, the decrease in protein content would explain the lower total weight. Although it has been suggested that mitochondria plays a minor role during seed maturation, these results suggest that its role should be reconsidered, as it may carry out important metabolic tasks during this stage. Mitochondrial role during postgerminative growth is well characterized. Here we show that sdh2-3 mutants have impaired hypocotyl growth in the dark. Moreover, TTFA treatment (complex II inhibitor) abolishes hypocotyl growth and seedling establishment. All these results suggest an essential role for complex II during postgerminative growth and establishment. Wild seeds in nature generally germinate underground, in conditions where they lack direct sunlight. A seed with a non-functional SDH2-3 would be in disadvantage over wild-type seeds, which would elongate their hypocotyls further until they reach light in order to promote photoautotrophic growth. SDH2-3 gives an important advantage to the plant in energy-consuming processes such as germination and early stages towards seedling establishment. This work shows the importance that this nonessential gene can have in critical stages of plant development. The existence of a SDH2-3-like gene in the moss Physcomitrella patens has drawn our attention because SDH2-3 has been described as a seed-specific expressed gene in angiosperms, and mosses do not have seeds. We confirmed the SDH2-3-like gene is expressed and increases under osmotic stress, in contrast to saline stress, desiccation and high ABA content. Moreover, we determined that Physcomitrella SDH2-3 promoter lacks significant activity in Arabidopsis, either in seeds or vegetative tissue. These results indicate that the transcriptional regulation of this gene in Physcomitrella evolved in an independent way as compared to Arabidopsis.
Complejidad de los efectos no letales de depredadores y su transmisión en tramas tróficas : experimentos en terreno y laboratorio con organismos intermareales.
(2013) Manzur Castillo, Tatiana; Navarrete C., Sergio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas
Las interacciones depredador-presa han sido ampliamente reconocidas como un factor crítico en la dinámica de sistemas ecológicos, reconocimiento que se ha basado primordialmente en el aspecto letal de la depredación (i.e. cuantas presas son consumidas por el depredador). Sin embargo, en todos los sistemas naturales los depredadores también pueden afectar la demografía, distribución y evolución de las especies presa a través de los costos de las respuestas antidepredatorias desplegadas para reducir su susceptibilidad a la depredación, respuestas que se entienden como \201Cefectos no letales\201D de los depredadores (ENL). Además de influir fuertemente sobre la dinámica de las poblaciones presa, los ENL de los depredadores pueden también propagarse a través de la trama trófica como efectos indirectos mediados por rasgo (EIMR), afectando la estructura, diversidad y las dinámicas de comunidades completas. El escape activo es una de las respuestas antidepredatorias ampliamente reportadas en diversos taxa marinos. Para que un escape sea exitoso, las presas deben ser capaces de detectar y evaluar el riesgo de depredación idealmente antes de un contacto físico, utilizando señales o información provenientes del depredador o del medio ambiente. La distancia a la que una presa reacciona a la presencia de su depredador (distancia de detección), la extensión espacial y la duración de la respuesta de escape, junto con las tasas de encuentro entre depredador y presa son determinantes de la escala espacio-temporal del ENL del depredador en un sistema y de la importancia ecológica que dicho efecto tendrá a escalas o niveles de organización mayores (e.g. poblacional). No obstante, la aproximación metodológica que han empleado la mayoría de los trabajos que estudian ENL y su transmisión a otros niveles tróficos raramente ha considerado en forma explícita o implícita la escala \2018natural\2019 de las interacciones, lo que podría redundar en la problemática de extrapolar los resultados de manipulaciones experimentales a lo que ocurre efectivamente en la naturaleza. Por otro lado, la expresión de respuestas antidepredatorias supone un costo para las presas que puede manifestarse como una reducción en sobrevivencia, crecimiento o reproducción y, por lo tanto, es esperable que estas respuestas sean rápidas, flexibles (reversibles), especificas y conmensurables con el nivel de riesgo real, minimizando dichos costos. Sin embargo, pocos son los estudios que han cuantificado directamente los costos de estas respuestas y cómo estos pueden influenciar la magnitud y dirección de los efectos indirectos de los carnívoros sobre el nivel trófico basal transmitidos mediante cambios conductuales de los herbívoros. En esta tesis estudiamos los ENL de un depredador y su transmisión en tramas tróficas utilizando como sistema de estudio una trama trófica de tres niveles en el intermareal rocoso. Mediante combinación de manipulaciones experimentales en terreno y laboratorio se investigaron los ENL del depredador asteroideo Heliaster helianthus sobre rasgos de dos consumidores intermedios, el equinoideo Tetrapygus niger y el gastrópodo Fissurella limbata, así como la potencial transmisión de dichos efectos a algas (Ulva sp.) en el nivel trófico basal. El estudio evaluó la escala espacial y temporal en que ocurren estas interacciones, el efecto de estas escalas sobre la interpretación de manipulaciones experimentales, y los costos energéticos que conllevan estas respuestas para las presas. Se demostró que T. niger detecta a Heliaster a través de señales químicas difundidas en el agua hasta distancias de 50 cm y que la distancia recorrida en un escape es de alrededor de 40 cm. Es esperable entonces que el efecto del riesgo de depredación sea variable espacialmente. Manipulaciones experimentales de laboratorio demostraron que las respuestas dependen fuertemente del tiempo de exposición al riesgo y del tamaño del acuario en que se realizan las manipulaciones. Aunque se observaron algunos cambios de corto plazo en el forrajeo de los erizos en presencia de Heliaster, no se evidenció transmisión del ENL sobre Ulva sp. Finalmente, se demostró que en presencia del depredador, F. limbata aumentó rápidamente el consumo de oxígeno, las tasas de movimiento y las distancias recorridas, pero al contrario de muchos estudios anteriores en otros sistemas, F. limbata tendió a aumentar su actividad de forrajeo. En conjunto, los resultados sugieren que la respuesta antidepredatoria de esta presa es energéticamente costosa y que podría compensarse con un mayor consumo de algas. En general, mi estudio ilustra la importancia de cuantificar las escalas espacio-temporales de los ENL y la complejidad de cuantificar su transmisión a otros niveles tróficos en manipulaciones experimentales.
Descifrando la historia evolutiva de Gracilaria Chilensis a través del Océano Pacífico Sur
(2022) Huanel Oyarzún, Oscar Roberto; Faugeron, Sylvain Wielfrid; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas
Gracilaria chilensis es la principal alga cultivada en Chile, distribuyéndose desde Caldera (27°S) hasta Raúl Marín Balmaceda (43°S). Estudios de genética poblacional y filogeografía previos indican que las poblaciones chilenas de G. chilensis son caracterizadas por una reducida diversidad genética asociada a la sobreexplotación de las praderas naturales ocurrida hace unos 50 años y/o el efecto fundador durante la colonización de Chile a fines del Último Máximo Glacial. Gracilaria chilensis es originaria de Nueva Zelanda, donde coexiste con G. transtasmanica para la cual se ha propuesto una reciente introducción debido que es hallada principalmente cerca de puertos en la Isla Norte, sin embargo, la distribución de ambas especies a lo largo del archipiélago aún no está clara. Para entender mejor el estado actual del recurso genético de G. chilensis en Chile es necesario entender como estos dos procesos han determinado la historia evolutiva de este importante recurso algal. En la presente tesis, se evaluó la distribución e historia evolutiva de Gracilaria en Nueva Zelanda utilizando el marcador nuclear Internal Transcribed Spacer 2 (ITS2) (Capítulo 1), y cómo los procesos antes mencionados han influenciado la arquitectura genética de G. chilensis en Chile utilizando 2.232 SNP (Capítulo 2). Nuestros resultados confirman que G. chilensis tiene una amplia distribución a través de archipiélago de Nueva Zelanda, con una fuerte estructuración geográfica concordante con el efecto de los ciclos glaciales-interglaciares, y los principales limites biogeográficos descritos para esta región. Por otro lado, G. transtasmanica presentó una distribución parchosa, sin un patrón de estructuración de su diversidad genética, pero con señales de un crecimiento poblacional post glacial soportando una antigua presencia en Nueva Zelanda. Los análisis de ABC mostraron que la actual distribución de G. chilensis a través del océano Pacífico Sur resultó de dos eventos de colonización independientes hace unos 20,000 años atrás. Para Chile, los análisis de ABC además infirieron un cuello botella mucho más reciente asociado a la sobreexplotación de las praderas naturales G. chilensis en la década de los 70s, seguido por un rápido crecimiento poblacional posiblemente asociada a la expansión de los cultivos propagados clonalmente post sobreexplotación. Nuestro estudio reveló que la historia evolutiva de G. chilensis, ha sido marcada por recurrentes cuellos de botellas demográficos asociados a los ciclos Glaciales-Interglaciares del Pleistoceno, colonizaciones a largas distancias y perturbaciones antrópica (i.e., sobrecosecha), planteando importantes desafíos en el manejo del recurso genético erosionado de un alga intensivamente cultivada, y que se encuentra en etapas tempranas de domesticación.
Dispersión y conectividad metapoblacional en un sistema de surgencia altamente advectivo: consecuencias de la circulación costera en modelos de alta resolución y recomendaciones para la protección y el manejo
(2022) Faúndez Alvarado, Juan Leonardo; Navarrete C., Sergio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas. Departamento de Ecología
La dispersión larval es un proceso difícil de cuantificar en el océano y responsable transportar reclutas por largas distancias e intercambiarlos entre subpoblaciones y, por lo tanto, es fundamental en la conceptualización teórica de las metapoblaciones marinas. En especies sésiles, la dispersión es aún más relevante ya que mantiene la conectividad espacial, incidiendo en las tasas demográficas. La estructura de la conectividad tiene consecuencias sobre la persistencia y puede ser aplicadas en la planificación espacial del manejo pesquero. No obstante, la circulación del océano y los atributos biológicos de las larvas son fuente de incertidumbre empírica que impiden conocer la conectividad. El uso de simulaciones hidrodinámicas ha permitido aproximarnos a una conectividad teórica, con algunas limitaciones asociadas a la mesoescala, la cual impiden capturar la circulación que perciben principalmente las especies costeras. El presente estudio cuantifica las ventajas del uso de modelos hidrodinámicos de alta resolución (< 1 km) para determinar la conectividad de especies teóricas pero que cubren un espectro de atributos biológicos semejantes a los encontrados en Chile central (32-34° S). La alta resolución permitió resolver la Coastal Boundary Layer (CBL), una franja de la plataforma interior donde la velocidad de la corriente disminuye hacia costa. El aumento en resolución también permite la aparición de procesos de sub-mesoescala que provocan un aumento de la retención y auto-reclutamiento en larvas de corto período planctónico. Asimismo, se determinaron los sitios que propagan mayores beneficios a la metapoblación en caso de ser protegidos o se aplique algún grado de manejo. La escala espacial permitiría generar recomendaciones de conservación con una mejora sustancial en la resolución espacial de sitios prioritarios para el éxito del reclutamiento y persistencia de poblaciones marinas explotadas.
Eficiencia de redes de áreas protegidas para abarcar diversidad y persistencia poblacional de invertebrados marinos: un contraste entre sistemas tropicales y temperados
(2024) Zucconi Ramírez, Mauro Giovanni; Navarrete Campos, Sergio Andrés; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas
Como resultado de la sobreexplotación de recursos, los ecosistemas marinos se encuentran en unestado de deterioro evidente. Ejemplo de esto son reducciones de cobertura de bosques de manglar,disminución o pérdida de los stocks pesqueros, pérdidas de cobertura de arrecifes de coral, entreotros. Con el objetivo de mitigar este impacto, se propone la implementación de sistemas de ÁreasMarinas Protegidas. Estas representan sitios destinados para proteger los recursos naturales. Sinembargo, diversos estudios señalan que la mayoría las áreas asociadas a estos sistemas no seencuentran suficientemente conectadas entre si, lo que disminuye su capacidad para conservar ladiversidad biológica y deja de lado los mecanismos asociados a la persistencia de las poblaciones.Estas fallas son especialmente relevantes las regiones Pacífica Oriental Tropical y Pacífica SurOriental debido principalmente a que (1) muchas de las especies de invertebrados marinos estánestructuradas en subpoblaciones que dependen totalmente de la conectividad para persistir y (2)objetivos de conservación de gran importancia como especies endémicas, presencia de especies rarasy zonas de alta productividad, son pobremente representadas por el actual sistema de reservas.Debido a esta problemática, se propone evaluar la eficiencia de los sistemas de Áreas MarinasProtegidas implementados en las regiones Pacífica Oriental Tropical, Pacífica Sur Oriental, Pacífica Chilena Sur y Pacífica Chilena Magallánica para abarcar objetivos conservación asociados a diversidad y persistencia poblacional y generar distintosescenarios de optimización que incluyan, además de los objetivos anteriormente mencionados,dinámicas de conectividad poblacional entre las áreas marinas protegidas implementadas en las ecoregiones nombradas anteriormente.
Strengthening area-based conservation to support biodiversity and people’s wellbeing : a perspective from tropical regions
(2021) Lessmann Escalona, Janeth del Carmen; Marquet, P. A. (Pablo A.); Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas
Nations in tropical regions are responsible for preserving the most biodiverse places on Earth, managing them to ensure the delivery of Nature’s Contribution to People’s quality of life (NCPs). Area-based conservation measures, such as protected areas (PAs), are among the main instruments these nations have implemented to fulfil this responsibility. However, persisting shortcomings in the management and location diminish the contribution of area-based conservation to sustaining biodiversity and people’s wellbeing. This thesis explores the challenges and alternatives for tropical regions to strengthen three key aspects of area-based conservation: financial sustainability, ecological representativeness, and equitable management. In Chapter 1, I assess the hypothesis that adequate funding for management contributes to more effective forest protection in PAs of Ecuador and PA systems of Latin American countries. Results show that funding deficits reduce the PA’ impact in avoiding deforestation, while countries’ human development dimensions are the most relevant drivers of impact at the PA system level. Chapter 2 explores ways by which an expansion of PAs for the western Amazon can increase biodiversity coverage at the least possible management and agriculture opportunity costs. I find that prioritizations that incorporate spatial data on conservation costs, involve indigenous lands, and assume international collaboration allow maximizing species representation at more affordable budgets. In Chapter 3, I identify critical gaps in ecological representation and NCPs in the current PA system of the Andes. Based on a literature review and prioritization exercises, I find that conservation planning in the region needs three transformative actions to close such gaps: (1) optimizing the coverage of both biodiversity features and NCPs when planning for the expansion of PAs, (2) diversifying administration regimes and management objectives of PAs, and (3) increasing collaboration among Andean countries, engaging with private and international financial support. Finally, Chapter 4 examines the risks that human cultural diversity faces due to deforestation in tropical regions. By reviewing case studies, I detect three pathways by which forest loss can transform forest people cultures. Also, spatial analyses show that this century’s deforestation has rapidly expanded into the territories of ~ 1,400 ethnolinguistic groups, posing a threat to at least 20% of the world’s linguistic diversity. Although research suggests that PAs are an effective instrument to curb deforestation, the lack of social equity in their management also poses a threat to local cultures. This thesis shows that effective protection of tropical biodiversity requires a substantial expansion of areas-based conservation targeted at the right places, and a better allocation of funds for its management. Results also suggest that the establishment and management of successful area-based conservation and the wellbeing of local communities are strongly connected, which calls for a better understanding and consideration of these links when planning the expansion of conservation areas. Considering this requirement, I propose five areas of action to enhance the financial sustainability, ecological representation, and social equity of area-based conservation efforts, which together also seek to harmonize biodiversity protection with the concerns and aspirations of local actors. These and other perspectives from tropical regions on how to strengthen area-based conservation are also critical to inform global agreements on biodiversity protection.

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