Analisi comparativa del trascrittoma mediante RNA-seq in due specie di pesci invasivi del Mar Mediterraneo: Pterois miles e Siganus rivulatus

The Mediterranean Sea is strongly affected by biological invasions, including the arrival of Red Sea species through the Suez Canal. Among these, Pterois miles is a relatively recent and still expanding invasive predator, whereas Siganus rivulatus is a herbivore established in the Mediterranean for approximately a century. Through predation and grazing, both species can affect native communities. This thesis compared their contrasting invasion histories using RNA-seq on brain, gonad and liver from individuals sampled in Cyprus (Levantine sector, core-like area) and Cephalonia (Ionian sector, more peripheral position). The aim of this thesis was to investigate whether different invasion histories are associated with differences in the magnitude and tissue-specific patterns of transcriptional divergence between localities. The initial expectation was that P. miles, the more recent invader, would show greater divergence than S. rivulatus, consistent with a possible role of rapid gene-expression modulation during early invasion stages. We analysed 24 P. miles and 20 S. rivulatus RNA-seq libraries, integrating differentially expressed genes (DEG), tissue-enhanced genes (TEG), same-tissue TEG–DEG overlap, species-specific annotation, mapping to Danio rerio, and GO Biological Process and GOslim analyses. The environmental context of sampling was also reconstructed. Both species showed pronounced tissue-specific transcriptional profiles, but different patterns of divergence between localities. P. miles showed 79 unique DEG, including 60 in liver, where all 11 same-tissue TEG–DEG candidates occurred. The main processes involved lipid and energy metabolism, redox homeostasis and immunity, with a lipid-related component more highly expressed in Cephalonia. S. rivulatus showed 1,271 unique DEG, mainly in gonad (1,120), and 130 same-tissue TEG–DEG candidates distributed across the three tissues. Brain highlighted a possible thermal-aerobic axis supported by oxygen- and gas-transport processes, whereas gonad and liver showed reproductive and metabolic components. However, sex and locality were completely confounded in these latter two tissues, limiting interpretation of the results. The interspecific comparison identified only six D. rerio reference identifiers shared between the DEG sets, none in the same tissue. Sharing increased at the functional level: extracellular matrix organization was shared among GO Biological Processes in gonad, while cell adhesion and anatomical structure development were among the shared GOslim categories. This does not establish adaptive convergence. During sampling, Cyprus had higher temperatures, similar surface oxygen concentrations and slightly lower salinity than Cephalonia; these differences do not permit causal attribution. Contrary to the initial expectation, S. rivulatus showed more DEG than P. miles in all three tissues. However, DEG counts do not measure transcriptional plasticity, particularly given the confounding between sex and locality in S. rivulatus. The coherent hepatic signal in P. miles further highlights the importance of functional organization beyond DEG abundance. Because locality and season were inseparable, and field RNA-seq data cannot distinguish physiological state, environmentally induced plasticity and heritable regulatory divergence, the results do not demonstrate a direct relationship between time since introduction and transcriptional plasticity. Instead, they identify tissue-specific transcriptional signatures and candidate physiological axes for testing through synchronized sampling, physiological measurements and controlled experiments.

Il Mar Mediterraneo è fortemente interessato dalle invasioni biologiche, tra cui l'ingresso di specie del Mar Rosso attraverso il Canale di Suez. Tra queste, Pterois miles è un predatore invasivo relativamente recente e ancora in espansione, mentre Siganus rivulatus è un erbivoro stabilito nel Mediterraneo da circa un secolo. Attraverso predazione e pascolo, entrambe le specie possono influenzare le comunità native. La tesi ne ha confrontato le differenti storie invasive mediante RNA-seq su cervello, gonadi e fegato di individui campionati a Cipro (settore levantino, area prossima al nucleo dell'invasione) e Cefalonia (settore ionico, posizione più periferica). L'obiettivo della presente tesi era indagare se storie invasive differenti siano associate a variazioni nell'entità e nell'organizzazione tessuto-specifica della divergenza trascrizionale tra località. L'aspettativa iniziale era che P. miles, invasore più recente, mostrasse una divergenza maggiore di S. rivulatus, coerentemente con un possibile ruolo della rapida modulazione dell'espressione genica nelle prime fasi dell'invasione. Sono state analizzate 24 librerie RNA-seq di P. miles e 20 di S. rivulatus, integrando geni differenzialmente espressi (DEG), geni a espressione arricchita in uno specifico tessuto (TEG), sovrapposizione TEG–DEG nello stesso tessuto, annotazione specie-specifica, mapping verso Danio rerio e analisi GO Biological Process e GOslim. È stato inoltre ricostruito il contesto ambientale dei campionamenti. Entrambe le specie hanno mostrato profili trascrizionali marcatamente tessuto-specifici, ma una diversa distribuzione della divergenza tra località. P. miles presentava 79 DEG unici, di cui 60 nel fegato, sede di tutti gli 11 candidati TEG–DEG. I principali processi riguardavano metabolismo lipidico ed energetico, omeostasi redox e immunità, con una componente lipidica maggiormente espressa a Cefalonia. S. rivulatus presentava 1.271 DEG unici, soprattutto nelle gonadi (1.120), e 130 candidati TEG–DEG distribuiti nei tre tessuti. Nel cervello emergeva un possibile asse termo-aerobico, supportato da processi di trasporto dell'ossigeno e dei gas; gonadi e fegato mostravano componenti riproduttive e metaboliche. In questi ultimi due tessuti, tuttavia, sesso e località erano completamente confusi, limitando l'interpretazione dei risultati. Il confronto interspecifico ha individuato solo sei identificativi di riferimento di D. rerio condivisi tra i DEG, nessuno nello stesso tessuto. La condivisione aumentava a livello funzionale: l'organizzazione della matrice extracellulare era condivisa tra i processi biologici GO nelle gonadi, mentre adesione cellulare e sviluppo delle strutture anatomiche figuravano tra le categorie GOslim condivise. Ciò non dimostra una convergenza adattativa. Durante i campionamenti Cipro presentava temperature più elevate, concentrazioni superficiali di ossigeno simili e salinità leggermente inferiore rispetto a Cefalonia; tali differenze non consentono attribuzioni causali. Contrariamente all'aspettativa iniziale, S. rivulatus mostrava più DEG di P. miles in tutti e tre i tessuti. Il numero di DEG, tuttavia, non misura la plasticità trascrizionale, anche alla luce del confondimento tra sesso e località in S. rivulatus. Il segnale epatico coerente di P. miles evidenzia inoltre l'importanza dell'organizzazione funzionale oltre alla quantità di DEG. Poiché località e stagione non erano separabili e i dati RNA-seq di campo non distinguono stato fisiologico, plasticità indotta dall'ambiente e divergenza regolativa ereditaria, i risultati non dimostrano una relazione diretta tra tempo dall'introduzione e plasticità trascrizionale. Identificano invece segnali tessuto-specifici e possibili assi fisiologici da verificare con campionamenti sincronizzati, misure fisiologiche ed esperimenti controllati.