Universität zu Köln

Evolutionary genetic analysis of an invasive population of sculpins in the Lower Rhine

Nolte, Arne W. (2005) Evolutionary genetic analysis of an invasive population of sculpins in the Lower Rhine. PhD thesis, Universität zu Köln.

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      Abstract

      Fish abundance surveys have shown that the Lower Rhine was invaded by sculpins (Cottus sp.) within two decades. These fish are found in habitats that are untypical for Cottus gobio. In order to find source populations and reasons for this invasion an evolutionary genetic analysis of populations from the Rhine and surrounding rivers was conducted. A combined analysis of nuclear and mitochondrial markers suggests that invasive sculpins are hybrids between lineages from the Rivers Scheldt and Rhine. The hybrids form a distinct genetic group and possess a unique ecological potential, attributed here to the process of hybridization. To explore the genetics of invasive sculpins 177 microsatellite markers were developed and a linkage map for Cottus was constructed from F1 crosses. BLAST searches with microsatellite flanking sequences yield significant hits with the Tetraodon nigroviridis genomic sequence for 45% of the Cottus loci. Comparisons of the map locations between the genomes reveal extensive conserved synteny, suggesting that the Tetraodon genomic sequence will serve as an excellent reference for Cottus. The novel markers and linkage information are applied in population genetic studies and to initiate first QTL approaches. Evidence that invasive sculpins have a unique ecological potential to colonize large rivers is derived from recently formed hybrid zones where secondary contact postdates the appearance of invasive sculpins in the early 1990�s. Hybrid zones are moulded by exogenous selection in the absence of intrinsic reproductive barriers. Hybridization receives attention because of the role that it may play in generating evolutionary novelty, which is tested in recent hybrids. Body shape is analysed with a new distance based assignment method using morphometric data. Shape is highly informative in that populations are sufficiently different to assign �unknowns� to their source. Recent hybrids are intermediate between parental groups but display additional differentiation. This suggests transgressive segregation and genetic divergence in developmental processes underlying body shape. Natural hybrid zones offer an alternative for QTL mapping because far-reaching associations between states of ancestry at physically linked loci are generated in segregating hybrids. Ancestry association is exploited by admixture mapping, which is applied for the first time in wild populations. The Cottus genome was screened for association with morphological characters as well as with habitat as a surrogate of ecological differentiation. Candidate regions often affect more than one trait. This implies linkage of traits affecting divergent morphology and fitness. Selection at hybrid zones likely affects linked morphological traits. Likewise, the differentiation of invasive sculpins despite past hybridization could be explained by linkage of morphological with adaptive traits.

      Item Type: Thesis (PhD thesis)
      Translated abstract:
      AbstractLanguage
      Fischbestandserhebungen in Rheingebiet haben gezeigt, dass das Niederrheingebiet in den letzten zwei Jahrzehnten von Groppen (Cottus sp.) neu besiedelt wurde. Diese Fische wurden in für Cottus gobio als untypisch geltenden Lebensräumen gefunden. Um die Quellpopulationen der Besiedlung zu identifizieren und die Gründe zu verstehen, die diesen Prozess ermöglicht haben, wurde eine evolutionsgenetische Analyse von Groppenpopulationen im Rheingebiet und angrenzenden Flüssen durchgeführt. Eine kombinierte Analyse nukleärer und mitochondrialer Marker hat gezeigt, dass die �Invasiven Groppen� Hybride darstellen, die auf Vorfahren aus dem Schelde- und Rheingebiet zurückgehen. Diese Hybride bilden eine distinkte und homogene genetisch Gruppe über ihr gesamtes Verbreitungsgebiet. Sie besitzen offensichtlich ein besonderes ökologisches Potential, welches hier auf Hybridisierung zurückgeführt wird. Um die Genetik der Invasiven Groppe weiter zu untersuchen, ist ein genomweiter Zugang zu deren Genpool nötig. Mit Hilfe eines vereinfachten Anreicherungsverfahrens wurden 177 neue Mikrosatelliten Marker entwickelt. Diese wurden dann für die Erstellung der ersten Kopplungskarte für die Groppe verwendet, wobei F1 Kreuzungen benutzt wurden. BLAST Vergleiche von flankierenden Sequenzen der Mikrosatelliten Loci mit der genomischen Sequenz von Tetraodon nigroviridis ergeben signifikante Treffer für 45% der Marker aus Cottus. Vergleiche der Kartenpositionen zwischen beiden Arten zeigen, dass weitreichend konservierte Syntenie zwischen den Genomen besteht. Damit stellt Tetraodon eine hervorragende genomische Ressource für weitere Untersuchungen an der Groppe dar. Die neuen Marker, zusammen mit den Kopplungsinformationen, wurden für weitere populationsgenetische Analysen und Ansätze von QTL Analysen verwendet. Hinweise, dass die Invasiven Groppen ein besonderes ökologisches Potential für die Besiedlung grösserer Flüsse besitzen, konnten an neu gebildeten Kontaktzonen gefunden werden. Sekundärer Kontakt mit typischen Bachgroppen ist erst nach dem Erscheinen der Invasiven Groppen in den neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts entstanden. Die genetische Struktur dieser jungen Kontaktzonen legt umweltinduzierte natürliche Selektion bei gleichzeitigem Fehlen intrinsischer Fortpflanzungsbarrieren nahe. Eine ökologische Unterlegenheit der jungen Hybride äußert sich darin, dass diese nicht erfolgreich mit ihren Elternpopulationen konkurrieren. Durch transgressiven Segregation kann Hybridisierung eine wichtige Rolle bei der Entstehung evolutiver Neuheiten spielen. Hier wird dieses Phänomen mit einer neuen distanzbasierten Zuordnungsmethode für morphometrische Daten an jungen Hybriden untersucht. Die Körperform stellt einen sehr informativen Merkmalskomplex dar, der es ermöglicht, �Unbekannte� korrekt ihren Quellpopulationen zuzuordnen. Hybride sind intermediär entlang der Achsen, die Gruppen ihrer Elternpopulationen trennen, aber zeichnen sich durch eine zusätzliche, ihnen eigene Formkomponente aus. Diese erklärt sich am besten durch transgressive Segregation, was eine genetische Divergenz von Entwicklungsprozessen der Elternpopulationen nahelegt. Natürliche Hybridzonen bieten eine Alternative zu klassischen QTL Kartierungsmethoden, da in segregierenden Hybriden weitreichende genetische Assoziationen zwischen physikalisch gekoppelten Genorten entstehen. �Ursprungsassoziationen� werden in der �admixture mapping� Methode hier erstmals genuzt, um in Wildpopulationen von Nicht -Modellorganismen genetische Faktoren zu kartieren. Ein großer Teil des Cottus Genoms wurde auf Assoziation mit morphologischen Merkmalen, sowie dem Habitat, als Näherung für ökologische Differenzierung untersucht. Kandidatenregionen sind weit über das Genom verteilt und haben oft einen Effekt auf mehr als ein Merkmal. Dies legt eine physikalische Kopplung von divergenten morphologischen Merkmalen und fitnessrelevanten Merkmalen nahe. Damit würde Selektion an Kontaktzonen einen direkten Effekt auf morphologische Differenzierung haben. Weiterhin könnte die morphologische Differenzierung der Invasiven Groppen, trotz vergangener Hybridisierung, durch Kopplung von adaptiven und morphologischen Merkmalen erklärt werden.German
      Creators:
      CreatorsEmail
      Nolte, Arne W.arne.nolte@uni-koeln.de
      URN: urn:nbn:de:hbz:38-16387
      Subjects: Life sciences
      Uncontrolled Keywords:
      KeywordsLanguage
      Hybridisierung , Rhein , Cottus , Evolution , InvasionGerman
      hybridisation , rhine , cottus , evolution , invasionEnglish
      Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
      Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Genetik
      Language: English
      Date: 2005
      Date Type: Completion
      Date of oral exam: 08 July 2005
      Full Text Status: Public
      Date Deposited: 07 Feb 2006 10:00:48
      Referee
      NameAcademic Title
      Tautz, DiethardProf. Dr.
      URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1638

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