Dolgoročne spremembe v populacijski strukturi drobnih populacij coho lososov (oncorhynchus kisutch), ki so podvržene obsežni podporni vzreji | dednost

Dolgoročne spremembe v populacijski strukturi drobnih populacij coho lososov (oncorhynchus kisutch), ki so podvržene obsežni podporni vzreji | dednost

Anonim

Izvleček

Dolgoročna sposobnost preživetja metapopulacije je deloma odvisna od pretoka genov med podpulacijami. Načini upravljanja, kot so premestitev in podporna reja med tesno povezanimi populacijami, lahko vplivajo na pretok genov in celotno strukturo in s tem na sposobnost preživetja. Tu smo pregledali časovne spremembe v fino obsežni populacijski strukturi lososa ( Oncorhynchus kisush ) s primerjavo arhiviranih (1938) in sodobnih (2001–2005) populacij v šestih rekah znotraj ene ohranjevalne enote (Puget Sound, Washington), vzorčene pred in po daljšem obdobju med rečnimi prenosi in izpusti milijonov gojenih lososov. Frekvencije genotipov na osmih mikrosatelitskih lokusih so pokazale, da se trenutne populacije izvirajo iz zgodovinskih populacij Puget Sounda, vendar pa populacije v različnih rekah, ki so zamenjale ribe za razmnoževanje valilnic, v zadnjem času delijo več svojega prednika kot doslej. V preteklosti so bile populacije v različnih rekah ločene od geografske razdalje, vendar ta odnos ni več pomemben. Bogatstvo alelov med vsemi populacijami se je znatno zmanjšalo, kar kaže na povečanje genetskega nanosa zaradi ozkega grla prebivalstva. Populacije v različnih rekah in znotraj iste reke so se bolj razhajale, kar je nadaljnje dokaze za široko ozko grlo. Prej smo opazili, da se je genetska oddaljenost znatno zmanjšala s številom izmenjanih rib; vendar se je nekatera populacija očitno uprla introgresiji. Spremenjen pretok genov in izgubljena raznolikost lahko vplivata na kompleksnost in s tem odpornost podpopulacij znotraj ohranjevalne enote. Načrti za umetno kulturo morajo ohraniti obstoječo gensko raznolikost in se izogibati motenju strukture z uporabo lokalne populacije za starše, kadar je to mogoče.

Uvod

Populacijska struktura ima pomembne posledice za razvoj vrste in posledice za ohranjanje, ker odnašanje, selekcija, selitev in mutacija razlikujejo alelno raznolikost med pol izoliranimi populacijami (Whitlock, 2004). Fenotipska raznolikost se lahko razvije na kratkih genetskih in geografskih razdaljah (McKay in Latta, 2002), napol izolirane populacije pa se lahko razvejajo in postanejo lokalno prilagojene (Taylor, 1991). Poleg tega je kopičenje škodljivih mutacij odvisno od globalne učinkovite populacije in ravni genskega pretoka med populacijami (Waples, 2002; Whitlock, 2004). Napol izolirane populacije predstavljajo raznolikost znotraj vrste ali ohranjevalne enote v različnih okoljskih razmerah in omogočajo odpornost na motnje (Allendorf in Luikart, 2007). Za najučinkovitejše ukrepe za ohranjanje je treba upoštevati obstoječo strukturo prebivalstva in procese, ki vodijo do strukturiranja med prebivalstvom.

Obnova vrste lahko zahteva posredovanje ljudi, vendar je potrebna skrb za ohranitev strukture populacije. Dejavnosti, kot so podporna reja in premestitev, se pogosto uporabljajo za povečanje številčnosti populacije, zagotavljanje presežka rib za spravilo in razširitev vrste vrst. Vendar pa te dejavnosti predstavljajo tveganja po izhodu ali izpuščanju udomačenih ali tujerodnih rib (Ellstrand in sod., 1999; Barilani in sod., 2005; Halbert in sod., 2005; Naish in sod., 2007), ki se lahko končajo s samorodnostjo ali delna ali popolna razselitev avtohtonih populacij (Hansen, 2002; Haygood in sod., 2003; Vasemagi in sod., 2005). Nadaljnja podporna reja bi lahko povzročila izgubo genske raznolikosti in zmanjšanje učinkovite velikosti populacije (Ryman in Laikre, 1991; Gaffney et al., 1996) in lahko spremenila strukturo podpopulacije (Utter, 2001; Birnbaum in sod., 2003 ). Kljub tem tveganjem lahko podporna vzreja in premestitev zagotavljata učinkovito pot za povrnitev sposobnosti prebivalstva ali preprečevanje izgube genske raznolikosti (Tallmon et al., 2004; Edmands, 2007). Zato je pomembno, da se vzpostavi povezava med evolucijskimi razhajanji in vplivi na strukturo prebivalstva, ki jih je mogoče pričakovati po hibridizaciji, ki jo posreduje človek (McClelland in Naish, 2007).

Kadar se populacija darovalcev in prejemnikov bistveno razlikuje pri nevtralnih genetskih lokusih, lahko s preskusi dodeljevanja prepoznamo potomce vnesenih rib (Cornuet in sod., 1999); vendar je ta naloga težja med tesno sorodnimi populacijami, ki doživljajo visok nivo pretoka genov, kjer so preskusi dodeljevanja manj zanesljivi (Cornuet in sod., 1999) in kadar osnovni podatki niso na voljo za vse populacije virov. Ker ni popolnih izhodiščnih podatkov, so bili za identifikacijo rib z avtohtonim, uvedenim ali introgresiranim prednikom uporabljeni Bayesovi pristopi za dodeljevanje (Hansen et al., 2001). Alternativno lahko transferji spremenijo strukturo prebivalstva v majhnem obsegu. Arhivirana tkiva lahko nudijo neprecenljivo zgodovinsko izhodišče za raziskovanje sprememb alelne raznolikosti znotraj in med populacijami, ki so posledica obsežnega človeškega posredovanja (Nielsen et al., 1999).

Populacije coho lososa ( Oncorhynchus kisutch ) na zahodni obali Severne Amerike zagotavljajo okvir za preučevanje učinkov introgresije zaradi podporne vzreje in premestitev. Te populacije so bile razvrščene v ohranjevalne enote (tukaj evolucijsko pomembne enote, ESU; Waples, 1991), ki predstavljajo različne evolucijske sestavine raznolikosti vrst. Številne študije so pokazale, da so ovire za introgresijo večje pri anadromnih salmonidih kot pri sladkovodnih ali morskih vrstah rib, vendar je introgressija pogosta po prenosu med tesno sorodnimi populacijami (pregledan v Utter, 2001). Izkazalo se je, da je premestitev lososa med dvema enotami za varstvo živali v veliki meri neuspešna (Withler, 1982; Ford in sod., 2004), vendar o učinkih kulture na strukturo prebivalstva v ESU je malo znanega. Coho losos v Puget Sound ESU zvezne države Washington se že več kot 100 let razmnožuje in sprošča v naravo, da se izboljšajo možnosti žetve (Stickney, 1996), sestavljene populacije v tej ESU pa so zaradi možnih sprememb označene za zaskrbljujoče vrste. do genetske raznolikosti, ki jo povzročajo kulturne prakse (NMFS, 2004). V prejšnji raziskavi smo pokazali, da je bila genska razdalja med sodobnim prebivalstvom najmanjša med rekami, ki so doživele največje število prenosov, in da se je zmanjšalo gensko razhajanje med populacijami v rekah, ki so imele največ izpustil valilnic (Eldridge in Naish, 2007). Strukture prebivalstva ni bilo mogoče razložiti z geografsko razdaljo. Vendar brez zgodovinskega poznavanja genske raznolikosti in pretoka genov pred obsežnimi prenosi in kulturnimi dejavnostmi ni mogoče odpraviti možnosti, da so bili opaženi vzorci posledica naravnih vzrokov.

Tu smo preučili stabilnost strukture populacije in gensko raznolikost coho lososa znotraj ESU, ki se je sproščal v naravo gojenih rib. Mikrosatelitske loke smo uporabili za primerjavo genske raznolikosti ter razsežnosti in vzorcev genskega pretoka med populacijami, ki so leta 1938 in v sedanjosti obiskale šest rek okoli Puget Sounda v Washingtonu in sedanjost, z uporabo arhivskih vzorcev in rezultate smo primerjali z rezultati, objavljenimi prej (Eldridge Naish, 2007).

Materiali in metode

Področje študija

Ta študija je bila izvedena v šestih rekah v zvezni državi Puget Sound coho lososa v zvezni državi Washington (slika 1). V vsakem porečju so valilnice v divjino izpustile milijone coho lososov iz različnih virov in znotraj porečja. Izpusti coho lososa v in okoli Puget Sound med leti 1952 in 2004 so bili že opisani (Eldridge in Naish, 2007). Cilji številnih programov valilnic coho lososa v Puget Soundu so bili do nedavnega nedorečeni (Mobrand in sod., 2005) in so verjetno pomenili mešanico ribolovnih dejavnosti in dejavnosti ohranjanja. Vendar je bilo v vseh primerih odvzeto staleže odraslih med njihovimi mitingi v drstišču v sladki vodi, potomci pa so bili v divjino izpuščeni v divjino, pogosto v isto leto.

Image

Zemljevid lokacij za vzorčenje coho lososa v okolici Puget Sounda, Washington. Številke ustrezajo vzorčnim nalepkam v tabeli 1.

Slika v polni velikosti

Vzorci tkiv in mikrosatelitske analize

Coho lososova tkiva iz šestih rek Puget Sound so bila na voljo v dveh časovnih obdobjih (tabela 1). Zgodovinske luske ali kožne zaplate so bili zbrani iz odraslega coho lososa, odvzetega iz drstišč in iz valilnic v teh rekah med drstitvenim ciklom, ki se je začel jeseni 1938 ( N = 367). V zadnjem času so med letoma 2001 in 2005 iz odraslih in mladoletnih lososov lovorov iz valilnic in iz narave med letoma 2001 in 2005 ( N = 643) zbirali luske, plavuti, ostrižne luknje ali ščipalke iz prsnega pasu. tehtnice so bile shranjene na kartah pri sobni temperaturi, druga tkiva pa so bila shranjena v etanolu. Za vmesno obdobje (1968) so bili na voljo dodatne lestvice odraslega coho lososa, ki se je vračal v valilnico Voights Creek na reki Puyallup ( N = 73). Vzorec je bil sestavljen iz rib iz enega potoka iz istega leta, kjer je bilo to mogoče, razen vzorcev, ki so v tabeli 1 označeni kot Severni vil, Srednji vil ali Južni vil, ki se nanašajo na majhne zbirke, združene z bližnjih potokov, ali vzorce z oznako Trap, ki so bili zbrani iz glavnega reka.

Tabela polne velikosti

DNK smo ekstrahirali z uporabo DNeasy kompleta (Qiagen, Valencia, Kalifornija, ZDA) po navodilih proizvajalca, vendar so zgodovinski vzorci, zbrani leta 1938, eluirani v dveh centrifugacijskih vrtljajih po 50 μl. Predhodno je bilo pregledanih 12 sodobnih vzorcev (Eldridge in Naish, 2007). Vsi zgodovinski, vmesni in štirje sodobni vzorci (NOnf05, NOmf01, NOsf01 in SGjk05) so bili v tej študiji edinstveni. Za vse ribe smo določili genotipe na osmih mikrosatelitskih lokusih ( Olc8, Ogo1a, Ogo2aI, Ogo2aII, Omy1011, One13, Ots3 in P53 ). Prvotno je bilo pregledanih 11 lokusov (Eldridge in Naish, 2007), vendar je bilo mogoče genotipe v zgodovinskih vzorcih zanesljivo določiti pri samo osmih lokusih. Alelov na mestu z najkrajšimi izdelki ( Ots503 , 73–95 baznih parov) in pri dveh lokusih z velikimi izdelki ( Ots505 in Oki23 , > 230 baznih parov) ni bilo mogoče razlikovati od artefaktov PCR in ti lokusi so bili odvrženi analize.

Amplifikacija mikrosatelitskih lokusov v sodobnih vzorcih je sledila postopkom, opisanim v Eldridge in Naish (2007). Reaktivni reaktorji PCR za pretekle vzorce so opisani v dodatni tabeli 1 in pogoji za PCR termocikliranje v dodatni tabeli 2. PCR izdelke smo vizualizirali na avtomatiziranem sekvencerju MegaBACE (Amersham Biosciences, Piscataway, NJ, ZDA) z uporabo ROX z oznako ET 550. notranji standard velikosti. Velikost mikrosatelitskih alelov je bila določena s programskim paketom Genetic Profiler v.2 (Amersham Biosciences). Za 118 genotipov iz leta 1938 so za 11 genotipov ponovili PCR termocikliranje in alelno ocenjevanje, da bi določili hitrost, s katero so aleli dosledno vštevali med zgodovinske vzorce. Približno 94% alelov (221 od 236) je bilo dosledno doseženih na vseh osmih lokusih. Pri večini razhajanj je šlo za to, da so bile ribe enkrat ocenjene kot heterozigota in drugič kot homozigote, tako da je bil med ponovljenimi ojačitvami dosleden le en alel.

Statistične analize

Vsak lokus znotraj vsakega vzorca je bil testiran na prisotnost ničelnih alelov in na oceno napak zaradi mucanja ali alelnega osipa (Micro-Checker v.2.2.1, Van Oosterhout et al., 2004). Genska raznolikost znotraj vsakega vzorca je bila opisana z določitvijo števila edinstvenih alelnih razredov na vsakem lokusu, opaženih in pričakovanih heterozigosti in koeficienta inbreeding vzorca (F IS ) (GenAlEx v.6.1, Peakall in Smouse, 2006). Za testiranje panmiksije v vzorcih smo s pomočjo Hardy-Weinbergovega verjetnega natančnega testa (Genepop v.3.4, Raymond in Rousset, 1995) in testom genotipskega ravnovesja med vsemi pari opravili pomen F IS za vse lokuse v vsakem vzorcu. lokusov (FSTAT v2.9.3.2, Goudet, 1995). "Zunaj" lokusi ali vzorci so bili opredeljeni kot tisti, ki so stalno prispevali k pomembnim preskusom na ravni P <0, 05. Zunanji lokusi se lahko pojavijo zaradi ničelnih alelov, neskladnosti pri ojačanju ali povezavi med lokusi in zunanjimi vzorci lahko kažejo na odstopanja od naključnega parjenja. Da bi ugotovili, ali je kateri lokus, lokus par ali vzorec sodeloval v nesorazmerno velikem številu pomembnih odstopanj od Hardy-Weinberga ali genotipskega ravnovesja, so izvedli χ 2- teste, ki so primerjali opazovano število pomembnih testov s pričakovanim številom, če so bili pomembni rezultati porazdeljeni naključno po lokusih, lokusskih parih ali vzorcih.

Spremembe genske raznolikosti med rekama in znotraj njih so bile ocenjene s testiranjem, ali se je število edinstvenih alelomorfov sčasoma spremenilo. Primerjali smo alelno bogastvo med vzorci ( N a , število alelomorfov v vzorcih skupne velikosti), da smo testirali spremembo števila alelomorfov. Za vsako reko in obdobje je bilo določeno alelno bogastvo lokusa s štetjem števila alomorfov v risbi 2N alelov (v nasprotju z genotipi), odvzetih brez nadomestitve, iz baze vseh vzorcev iz ene reke med zgodovino. (1938), vmesno (reka Puyallup leta 1968) ali moderno (2001–2005) obdobje. Žrebiji so se ponovili 1000 krat in zabeležili so povprečje. Postopek se je ponovil po združitvi vseh vzorcev iz določenega časovnega obdobja za primerjavo celotnega zgodovinskega in sodobnega obdobja. Wilcoxonovi vzorčni preskusni vzorci (Zar, 1999) so bili ugotovljeni, ali se je alelno bogastvo med vsemi osmimi lokusi bistveno razlikovalo med zgodovinskimi vzorci (1938) in sodobnimi vzorci (2001–2005) iz iste reke in med vsemi rekama skupaj. Reka Samiš je bila zaradi majhne velikosti zgodovinskega vzorca izključena iz testov alelnega bogastva.

Časovna in prostorska lestvica, na kateri je bila alelna raznolikost porazdeljena znotraj zgodovinskih (1938) in sodobnih vzorcev (2001–2005), smo ovrednotili z raziskovanjem raznolikosti genotipov znotraj in med vzorci, razvrščenimi po obdobju ali po reki, z uporabo vrste hierarhične analize testov molekularne variance (AMOVA), ki interpolirajo manjkajoče podatke z 999 naključnimi permutacijami, da se preskusijo za pomen (GenAlEx v.6.1, Peakall in Smouse, 2006). Zaradi odstopanj od ravnotežja Hardy-Weinberg v nekaterih vzorcih smo uporabili raznolikost genotipov (Φ -statistika ) in ne alelne raznolikosti (F -statistika ) (Dodatna tabela 3).

Zgodovinsko (1938) in pred kratkim (2001–2005) je bila izolacija na daljavo med rekami ocenjena z Mantelovimi testi (Mantel in Valand, 1970) z 999 naključnimi permutacijami za določitev pomembnosti (GenAlEx v.6.1). Primerjali smo reke in ne posamezne vzorce, ker so nas zanimali učinki prenosov na pretok genov med rekama. V tej analizi smo genetsko razdaljo med vsakim parom rek (tukaj, Φ RT ) določili s pomočjo AMOVA, ki je interpoliral za manjkajoče podatke (GenAlEx v.6.1). Ko smo v vsaki reki vzorčili samo eno mesto, je bila vrednost the ST, ki jo je ocenila AMOVA, uporabljena kot Φ RT vrednost. Geografske razdalje med rekama so bile določene kot najkrajša pot v sladki ali slani vodi med ustreznimi ustji z uporabo kalkulatorja razdalje v Nacionalnem pregledovalniku zemljevidov ZDA Geological Survey (//nmviewogc.cr.usgs.gov/viewer.htm).

Za oceno reproduktivne izolacije med pari vzorcev znotraj in med rekama ter med različnimi leti so bili izvedeni parni testi diferenciacije prebivalstva, ki temeljijo na randomizaciji genotipov več loksov med vzorci (FSTAT v2.9.3.2, Goudet, 1995), in Φ ST je bil izračunano za vsak par vzorca (GenAlEx v.6.1). Populacijsko strukturo smo vizualizirali z večdimenzionalno lestvico lestvice Φ ST (SPSS, različica 10.0.5, SPSS, Chicago, IL, ZDA). Za oceno sprememb genetskih razdalj skozi čas smo primerjali matrico zgodovinskih vrednosti Φ ST z matrico sodobnih vrednosti med istimi pari lokacij vzorčenja z Mantelovim testom, z 999 naključnimi permutacijami za določitev pomembnosti (GenAlEx v. 6.1). Sodobni vzorci, zbrani več kot 2 leti, so bili na voljo za nekatere lokacije, v tem primeru je bil uporabljen le prejšnji vzorec.

Ribe smo dodelili tudi teoretičnim populacijam z uporabo Bayesovega algoritma, ki lahko predstavlja primesi rib in delnih izhodišč. Obračunavanje delnih izhodišč je bilo potrebno, ker naši zgodovinski vzorci niso vključevali vseh virov Puget Sounda prenesenih rib (Eldridge in Naish, 2007). Računalniški program Bayesove analize strukture prebivalstva (BAPS v.4.14) uporablja dva koraka za določitev deleža mešanice v neznanih vzorcih (Corander in Marttinen, 2006). Algoritem najprej določi optimalno število teoretičnih populacij (do uporabniško definiranega K MAX, ki smo ga postavili na 20 za 20 tekov), ki se uporablja za določitev deleža primesi v vseh vzorcih. Zgodovinske izhodiščne točke so bile uporabljene za "treniranje" algoritma, med potekom mešanice pa je bila najmanjša velikost vzorca 5, število ponovitev 100, število referenčnih rib iz vsake populacije 200 in število iteracij za referenčne ribe 20. Rezultat je delež ribjega genoma, pridobljenega iz različnih virov, ki smo ga v povprečju uporabili za ribe znotraj istega vzorca, da smo določili odstotek dodeljevanja. Ta pristop smo uporabili, ne da bi razmišljali o mešanicah primesi (Hansen in sod., 2001), saj je bila večina rib mešana.

Rezultati

Kakovost vzorcev in testi naključnega parjenja

Uspeh PCR se je med markerji in vzorci razlikoval. Določenih je bilo več kot 72% genotipov v preteklih in 92% sodobnih vzorcev (ocene na podlagi povprečnega števila genotipov, določenih na ribe v tabeli 1). V nobenem vzorcu ali lokusu ni bilo večjih odstopanj od ravnotežja Hardy-Weinberga od pričakovanega (zgodovinski vzorci: χ 2 = 9, 3, df = 12, P = 0, 67; sodobni vzorci: χ 2 = 17, 68, df = 16, P = 0, 34; vsi loci: χ 2 = 12, 00, df = 7, P = 0, 10). Zgodovinski vzorci niso odstopali od genotipskega ravnovesja več, kot je bilo pričakovano ( χ 2 = 4, 36, df = 12, P = 0, 98), prav tako ne noben par od osmih lokusov ( χ 2 = 14, 44, df = 27, P = 0, 98). Odstopanja od genotipskega ravnotežja so bila naključno porazdeljena med sodobne vzorce ( χ 2 = 50, 71, df = 16, P < 0, 001). V vsakem vzorcu Child Creek (SGcc05), reki Sauk (SGsa05) in reki Samish (SMen05) so opazili pet ali več pomembnih testov. Motnje ravnovesja v obeh vzorcih reke Skagit so lahko nastale zaradi nenaključnega parjenja v teh vzorcih (kot nakazujejo pomembne tabele 1, dodatna tabela 3).

Rezultati, dobljeni z uporabo Micro-Checkerja, so pokazali pomemben presežek homozigote v nekaterih zgodovinskih vzorcih na istih lokusih, kjer so opazili odstopanja od ravnotežja Hardy-Weinberga. Če med podvajanjem PCR (tj. Mucanje) verjetno ne bo večjih alelov ali preskakovanja baznih parov, najverjetneje ne bi bil vir presežka homozigote, ker je bil presežek porazdeljen po alelovskih razredih. Poleg tega ničelni aleli verjetno niso odgovorni, saj noben lokus ni bil sistematično prizadet med populacijo. Da bi potrdili, da težave ni povzročila nagnjenost k napačnemu ocenjevanju heteroroznih rib kot homozigota, smo primerjali zgodovinske in sodobne vzorce za število lokusov, pri katerih so bile ribe homozigotne, in nismo ugotovili pomembne razlike ( χ 2 = 4, 2, df = 6, P = 0, 65). Nadomestitev presežka homozigote bi lahko pojasnili z Wahlundovim učinkom. Med zgodovinskimi vzorci so se združile ribe iz bližnjih potokov ali iz pasti in so lahko predstavljale mešane populacije; zato smo v starejših vzorcih ribe ločili od različnih potokov in ponovili Micro-Checker analize. Le en potok v reki NF Nooksack iz leta 1938 je po analizi potokov ločeno pokazal presežek homozigote, čeprav se je zaradi majhnosti vzorcev (2–17 rib) moč zaznavanja odstopanj med posameznimi potoki zmanjšala. Večje skupine so bile ohranjene za nadaljnje analize, ker so omogočile večjo reprezentativno vzorčnost, kljub možnosti Wahlundovega učinka. Vključitev ali izključitev starejšega vzorca reke NF Nooksack River (NOnf38) ni vplivala na rezultate; zato so predstavljeni samo rezultati, vključno s tem vzorcem.

Spremembe genske raznolikosti in strukture populacije

Alelna raznolikost se je med zgodovinskimi in sodobnimi vzorci zmanjšala. Od 120 edinstvenih alelomorfov, ki so jih opazili na osmih lokusih, se je 16 alelomorf pojavilo le v zgodovinskih vzorcih, medtem ko so se štirje pojavljali le v sodobnih vzorcih, drugi pa v vmesnem vzorcu. Ti alomorfi so bili redki, pojavljali so se pri frekvencah pod 0, 10. Podobno se je alelno bogastvo sčasoma zmanjšalo za sedem lokusov in se nespremenjeno za osmi, ko so bile vse reke združene, statistično značilna sprememba (tabela 2). Vendar pa je bilo v primerjavi s posameznimi reki bogastvo alel bistveno manjše le v reki Skagit, kar je verjetno odražalo manjše velikosti vzorcev, če so bile reke obravnavane same.

Tabela polne velikosti

Razdalja genotipov med zgodovinskimi in sodobnimi vzorci je bila navadno majhna (Φ ST <0, 04 v preteklosti in <0, 10 trenutno, slika 4 in dodatna tabela 4), pomembno razlikovanje genotipov pa je prišlo predvsem med pari sodobnih vzorcev ( P <0, 05; dopolnilna tabela 4). Zgodovinski vzorci so pogosto sestavljali malo rib, kar je omejevalo moč zaznavanja pomembne diferenciacije genotipov med vzorci. Samo sodobni vzorec iz reke NF Nooksack iz leta 2001 (NOnf01) se je močno oddaljil od večine drugih vzorcev (Φ ST > 0, 06), rezultat, ki smo ga prej opazili za isto lokacijo vzorca in leto (Small et al., 2004; Eldridge in Naish, 2007). Vendar je bil drugi vzorec z iste lokacije, zbran leta 2005 (NOnf05), manj odstopan od drugih sodobnih vzorcev reke Nooksack in Skagit (Φ ST <0, 06), čeprav je bil ta vzorec manjši ( N = 17). Predsodke pri analizah sodobnih vzorcev je morda povzročil bolj sodoben vzorec reke NF Nooksack River (NOnf01); zato so bile vse nadaljnje statistične analize izvedene z in brez tega vzorca.

Mantelovi testi so pokazali, da je med genetskimi razdaljami in geografsko razdaljo med rekama v preteklosti značilno pozitivno razmerje (slika 2, napolnjeni diamanti in trdna črta; r = 0, 595, Mantelov test P = 0, 007). V zadnjem času je bilo za vzorec izolacije po razdalji še vedno pozitivno, vendar razmerje ni bilo več pomembno (slika 2, prazni krogi in črtkana črta; r = 0, 322, Mantelov test P = 0, 127) in v povprečju so bile razdalje večje, kot so bile v preteklosti. Odstranjevanje sodobnega vzorca reke Noks Nooksack River (NOnf01) ni tehnično vplivalo na te rezultate.

Image

Geografska razdalja in genska razhajanja med pari rek (Φ RT ) v preteklosti (1938, napolnjeni diamanti) ali nedavno (2001–2005, prazni krogi) za coho lososa v šestih rekah okoli Puget Sounda, Washington. Črte so zgodovinsko nazadovane (trdna črta) ali nedavno (črtkana črta).

Slika v polni velikosti

V hierarhični AMOVA je bilo več kot 95% variacij genotipov med ribami v vzorcih, vendar se je variacija frekvenc genotipov v rekah in med njimi povečala (Tabela 3). Struktura med zgodovinskimi in sodobnimi skupinami ni bila pomembna (Φ RT = 0, 001), vendar je bila struga med rekama pomembna tako v zgodovini (Φ RT = 0, 008) kot v sodobnih obdobjih (Φ RT = 0, 014). Podobno je bilo razlikovanje med vzorci znotraj rek pomembno v zgodovinskih (Φ SR = 0, 015) in sodobnih vzorcih (Φ SR = 0, 039). V zadnjem času povečana razhajanja znotraj in med rekama je bila v veliki meri posledica ene same populacije, ki se je s časom močno razšla. Vzorec reke NF Nooksack iz leta 2001 je bil prej opredeljen kot zunanji del, tu pa je predstavljal velik delež variacij znotraj reke med sodobnimi vzorci; odstranitev tega enega vzorca iz kombiniranih vzorcev v obeh časovnih obdobjih je zmanjšala nihanje med območji znotraj rek (Φ SR = 0, 040 proti Φ SR = 0, 031), kar je bilo opaziti tudi med sodobnimi vzorci (Φ SR = 0, 039 v primerjavi z Φ SR = 0, 028) .

Tabela polne velikosti

Večdimenzionalni načrt za skaliranje razdalj genotipa je razkril, da so se zgodovinski in sodobni vzorci v njihovi distribuciji prekrivali, razen prej omenjene reke NF Nooksack iz leta 2001 (slika 3). Popačene razdalje genotipov med lokacijami so se skozi čas spreminjale tako, da ni bilo nobene povezave med zgodovinskimi in sodobnimi primerjavami med istimi lokacijami (Slika 4; r = - 0, 09, Mantelov test P = 0, 331). Pomembna sprememba je bila, da se je vzorec reke NF Nooksack v zadnjem času dosledno bolj razhajal od drugih lokacij, kot je bilo to v preteklosti (beli diamanti, slika 4).

Image

Prvi dve dimenziji večdimenzionalne lestvice, ki temelji na paru Φ ST, analogni F ST, ki temelji na raznolikosti genotipov, coho lososa okoli Puget Sounda, Washington vzorčen leta 1938 (sivi trikotniki) ali v letih 1968–2005 (črne pike) in izračunano iz alelnih frekvenc na osmih mikrosatelitskih lokusih. Vključeni niso vzorci GRdm38, NOmf38 in NOmf01, ki so bili majhne (manj kot 15 rib).

Slika v polni velikosti

Image

Zgodovinska (1938) v primerjavi z moderno (2001–2005) genotip razhajanja med pari lokacij (Φ ST, analog F F, ki temelji na raznovrstnosti genotipov) za coho losos iz šestih rek okoli Puget Sounda, Washington (napolnjeni simboli). Prazni simboli označujejo dvojne razlike v primerjavi s staro populacijo NF Nooksack. Črta je regresija med vsemi vzorci.

Slika v polni velikosti

Bayesova analiza posameznih primesi je pokazala, da je med zgodovinskimi in trenutnimi vzorci coho lososa Puget Sound najverjetneje 11 teoretičnih populacij (slika 5). Teoretične populacije niso bile enakovredne nobeni resnični populaciji; zato smo naloge iste teoretične populacije razlagali kot označevanje skupne dedne dediščine, torej alelov, identičnih po rodu. Vsak zgodovinski in sodobni vzorec je bil delno dodeljen vsem 11 teoretičnim populacijam, le redki pa so deleži dodeljenih presegali 50%; zato je za vsak vzorec prikazana samo teoretična populacija, ki ji je dodeljen največji odstotek genoma in odstotek razporeditve (slika 5). Prevladujoča dodelitev zgodovinskih vzorcev je bila za vsak vzorec različna, sodobni vzorci pa so bili večinoma eden od petih različnih izvorov, večina sedanjih populacij pa se je združila na podlagi zgodovine medsebojnih izmenjav. Reka Skagit je bila najpogostejši vir rib, vnesenih v reki Nooksack in Stillaguamish na severu (Eldridge in Naish, 2007), vzorec SF Nooksack pa 2001, oba vzorca Stillaguamish in trije vzorci Skagita so bili pretežno ena od dveh skupin opazili v dveh zgodovinskih vzorcih Skagita (bodisi SGjk38 bodisi SGdi38). Zelena reka je bila najpogostejši vir rib, vnesenih v reko Puyallup na jugu (Eldridge in Naish, 2007), štirje vzorci reke Green in Puyallup pa so bili pretežno iz skupine, ki je v zgodovini prevladovala v reki Green. Oba vzorca NF Nooksack sta lahko iz domačega porekla, ker sta pretežno iz iste skupine, ki je prevladovala v zgodovinskem SF Nooksacku. Združenje, ki ga zgodovina izmenjave ni enostavno razložiti, je vključevalo vzorec MF Nooksack, en vzorec SF Nooksack, samski vzorec in vzorec Skagit Sauk ter zgodovinski vzorec NF Stillaguamish. To nepravilno razvrščanje lahko odraža introgresijo po prestopih iz reke v poleg šestih obravnavanih rek (Eldridge in Naish, 2007).

Image

Teoretična populacija, ki ji je bil dodeljen največji odstotek genoma (označena z vzorcem ali senčenjem palice) in odstotek za zgodovinske in sodobne vzorce Puget Sound coho lososa. Za izdelavo 11 teoretičnih populacij (vsako označeno z edinstvenim vzorcem ali senčenjem palice) in izvedbo nalog je bila uporabljena Bayesova metoda dodeljevanja (BAPS v.4.14), ki je bila "usposobljena" z vzorci iz leta 1938. Oznake vzorcev so kot v preglednici 1. Vsak od vzorcev iz leta 1938 je bil večinoma dodeljen različni teoretični populaciji, vzorci 2001–2005 pa so bili večinoma dodeljeni eni od petih teoretičnih populacij.

Slika v polni velikosti

Diskusija

Naši rezultati so pokazali spremembe v raznovrstnosti genotipov in drobne strukture prebivalstva med coho lososi znotraj in med sosednjimi rekama okoli Puget Sounda, Washington od leta 1938. Heirahična AMOVA, večdimenzionalna lestvica meritev genetskih razdalj (slika 3), preskusi dodeljevanja (Slika 5) kot tudi prejšnja študija (Eldridge in Naish, 2007), vse kaže, da so trenutne populacije coho lososa v ESU Puget Sound izvirale iz zgodovinskih populacij znotraj ESU. Zgodovinsko je obstajal vzorec reproduktivne izolacije glede na geografsko razdaljo, ki ostaja, vendar ni več statistično pomemben (slika 2), v zgodovinskih in sodobnih primerjavah populacij, odvzetih na istih lokacijah, pa nismo našli povezave med genetskimi razdaljami (slika 4) . Trenutno obstaja velika povezava med genetsko distanco in zgodovino prenosov (Eldridge in Naish, 2007). Poleg tega so prebivalstva v različnih rekah v zadnjem času deležne več svojega prednika kot v preteklosti, na splošno pa se grozdijo na podlagi medsebojne izmenjave (sliki 3 in 5). Coho losos je izgubil tudi alelno raznolikost, kar kaže na to, da se je genetski odmik povečal zaradi močnega ozkega grla pri številnih populacijah. Hierarhična AMOVA je tudi navedla, da se prebivalstva v različnih rekah zdaj bolj razlikujejo kot v preteklosti, prav tako pa tudi različne populacije v isti reki, kar bi lahko nastalo zaradi povečanega genskega nanosa znotraj populacij. Obstajata dve valilni praksi, ki sta lahko odgovorni za te spremembe v genski raznolikosti: prenosi med valilnicami, ki bi lahko spremenili vzorce genskega pretoka, in združevanje množine več staršev, kar bi lahko zmanjšalo gensko raznolikost (to je učinek Ryman – Laikre Ryman in Laikre, 1991). Podobne spremembe v strukturi populacije so bile opažene pri anadromnih vrstah rib, ki so se selile iz gensko razpršenih populacij po valilnicah (Nielsen in sod., 1997; Hansen, 2002). Hkrati je ugotovitev, da se zdi, da je to ostanek populacije v reki NF Nooksack, dodaten dokaz, da lahko razdelitev habitatov nekaterim domačim prebivalstvom omogoči, da se upirajo močvirju z velikimi izpuščaji nenativnih rib in težkim izkoriščanjem (Nielsen et al., 2001; Hansen, 2002).

Zgodovinski vzorci so zaskrbljeni zaradi ničelnih alelov ali alelnih osipov zaradi slabe količine in kakovosti DNK (Nielsen in sod., 1999). Poleg tega bi lahko presežek razredov homozigote zaradi združevanja razvejanih populacij (Wahlundov učinek) vplival na razlago rezultatov. Vendar smo uporabili teste, ki se ne opirajo na predpostavko ravnotežja Hardy-Weinberga, in sicer AMOVA, ki temelji na frekvencah genotipov, alelnih testih bogastva in frekvencah genotipov (Φ- statistika ) v nasprotju s frekvencami alelov (F- statistika ). Ponavljanje analiz z in brez slabe kakovosti vzorca NF Nooksack iz leta 1938 ni zaznavno spremenilo rezultatov AMOVA in izolacije s preskusi na daljavo, kar kaže, da presežni razredi homozigote v arhiviranih vzorcih niso bistveno pristranski. Vsekakor ni verjetno, da bi ničelni aleli ali alelni osipi povzročili sistematične napake v frekvencah alelov ali genotipov, kar je privedlo do tu poročanih rezultatov.

Ugotovitev izolacije na daljavo v zgodovinskih, ne pa sodobnih vzorcih najverjetneje ni bil artefakt zunanjih primerjav. Med zgodovinskimi vzorci je bilo sedem Φ RT vrednosti, ki so enake nič (slika 2). Štiri od teh dvojnih primerjav so se nanašale na reko Stillaguamish, ki je v geografski sredini rek, ki obsega ESU, in so zato morda izmenjale številne ribe z rekami na severu in jugu (slika 1). Bila je tudi velika genetska razdalja med naslednjima dvema geografsko blizu sodobnima vzorcema: rekama Stillaguamish in Samish (slika 2). Odstranjevanje vseh parnih primerjav, povezanih s sodobnimi rekama Stillaguamish ali Samish, ni spremenilo rezultatov Mantelovega testa za izolacijo na daljavo (rezultati niso prikazani), kar kaže, da so ti vzorci slabo vplivali na sklepe. Poleg tega je preprosta primerjava dvojnih genetskih razdalj med zgodovinskimi in sodobnimi vzorci (slika 4) pokazala, da se je struktura populacije sčasoma verjetno spremenila.

Prej so poročali, da so si reke, ki so izmenjale veliko število rib, najbolj podobne, in domnevala je, da je izpust milijonov navadnih lososov morda prispeval k homogenizaciji populacij znotraj rek (Eldridge in Naish, 2007). Vendar se v zadnjem času populacije coho lososov v rekah precej razlikujejo (Table SR Tabela 3). Obstajata dve možni razlagi tega izida. Prvič, število sodobnih populacij v prejšnji študiji je bilo večje od tistega v tej študiji in so primerjali populacijo valilnic neposredno z divjimi populacijami. V to študijo so bili vključeni samo vzorci, ki so bili zbrani na istih lokacijah kot v preteklih populacijah, zato je lahko v tej lestvici zmanjšana ločljivost. Drugič, zdi se, da so bile nekatere populacije odporne na prenose in sproščanje gojenih rib. Populacija reke NF Nooksack se vedno bolj ločuje od drugih populacij, kar kaže na to, da gojene ribe, izpuščene v naravo, lahko vplivajo le na nekatere populacije znotraj reke. Prej, Small et al. (2004) je predlagal, da bi vedenjske in okoljske sile lahko pripomogle k reproduktivni izolaciji določenih populacij divjega coho lososa, ki nimajo neposrednih valilnih dejavnosti, kljub velikemu številu kulturnih izpustov v 12 rečnih kilometrih. Mogoče je, da lahko kulturne prakse povečajo pretok genov med populacijo darovalcev in prejemnikov, toda bližnje populacije v isti reki lahko ostanejo izolirane, če jih ne usmerijo namerno gojene kulture.

Temeljno vprašanje ostaja: Ali bi bili zgodovinski in sedanji prebivalci coho lososa z iste lokacije tesneje povezani z valilnicami in ali bi bil trenutni vzorec izolacije na daljavo pomemben? V številnih taksonih, vključno z morskimi, anadromnimi in sladkovodnimi ribami, so opazili časovno stabilnost strukture prebivalstva (Nielsen in sod., 1997; Tessier in sod., 1997; Hansen in sod., 2002; Bernal-Ramirez in sod., 2003) in dvoživke (Hoffman et al., 2004), pogosto kljub resnim ozkim grlom ali migracijam zaradi prenosa gensko ločene populacije. Toda stabilnost lokalne strukture prebivalstva nikakor ni univerzalna (Ruzzante et al., 2001) in je odvisna od upoštevanih prostorskih in časovnih lestvic (Whitlock, 2004). Zdi se smiselno domnevati, da bi morala biti populacija dolgoletne populacije coho lososa stabilna čez 60 let ali 20 generacij, deloma tudi zato, ker je potrebnih veliko generacij reproduktivne izolacije, da se razvijejo populacijske razlike v frekvencah alelov in genotipov (Allendorf in Luikart, 2007). Zato je pomembno določiti naravne dejavnike in človeška dejanja, ki lahko porušijo strukturo prebivalstva. Izumrtje in rekolonizacija znotraj metapopulacije sta en naravni dejavnik (Whitlock, 2004) in med jedrsko in mitohondrijsko DNK lahko opazimo razlike, če obstajajo spolne razlike v filopatriji (Bernal-Ramirez in sod., 2003), vendar ni jasno, ali ozka grla ali visoke ravni naravnega pretoka genov prav tako vodijo v nestabilnost strukture prebivalstva (Ruzzante in sod., 2001; Hoffman in sod., 2004).

Verjamemo, da so prakse umetne kulture, vključno s prenosi in podporna vzreja, najverjetnejši mehanizmi, s katerimi se lahko spremeni vzorce genskega pretoka in ravni genotipske raznolikosti med Puget Sound coho lososom. Jasno je, da lahko človeški ukrepi, kot so dopolnitev in premestitev valilnic, dramatično vplivajo na strukturo divjih populacij (Nielsen in sod., 2001; Hansen, 2002), vendar spet ne vedno (Ford in sod., 2004; Ruzzante idr.)., 2004). Študije, ki so odkrile neželene učinke po prenosu, so ponavadi potekale v sistemih, v katerih je bilo veliko rib prenesenih in sproščenih (stotine tisoč milijonov), v katerih so se prenosov dogajali dlje časa (> 10 let) ali vpletene populacije darovalcev, ki so bile tesno povezane do prejemniške populacije (ta študija, Nielsen in sod., 2001; Hansen, 2002). Sistemi, v katerih so bili negativni učinki po prenosu omejeni na majhno območje ali pa so bili odsotni, so običajno vključevali manj rib (več deset tisoč), so bili krajši (<10 let) ali pa so vključevali izvorne populacije, ki so se močno razlikovale od domačih populacij (Ford et al. al., 2004; Ruzzante in sod., 2004).

Spremembe pridelka in habitatov v obliki urbanizacije in sečnje so bile na območju Puget Sound (Pess et al., 2002) obsežne in ozka grla prebivalstva lahko vplivajo na genetsko raznolikost (Hauser in sod., 2002). Spremembe pridelka in habitatov so morda prispevale k zmanjšanju velikosti populacije in zmanjšanju pretoka genov, zato so zmanjšali genotipsko raznolikost med populacijami in povečali genetsko razdaljo med populacijami. Vendar pa se zdi, da niti letina niti spremembe habitata ne zadostujejo zgolj za razlago spremenjene strukture prebivalstva, opažene med rekama. Pričakujemo, da bi ribe, ki so se zaradi sprememb habitatov oddaljile od svojih natalnih območij, najverjetneje poiskale primeren življenjski prostor v bližini in s tem verjetno zabrisale, ne pa motile izolacije z vzorcem genskega pretoka na daljavo (Leider, 1989). Poleg tega je ločitev učinkov žetve od učinkov valilnic morda težavna, visoke stopnje žetve ne bi bile vzdržne brez ugodnosti valilnice. Na primer, od šestdesetih let prejšnjega stoletja so bili cilji pobega za nekatere reke postavljeni na znesek, ki je potreben za dosego ciljev obrodnih krajev za lokalno valilnico, približno 10% skupnega števila odraslih za nekatere reke Puget Sound (Nehlsen et al., 1991 ).

Razpoložljivi demografski podatki ne kažejo na bistveno zmanjšanje števila rib, ki v času zorenja dozorijo (Weitkamp in sod., 1995); vendar se za velik del proizvodnje odraslega coho lososa zanašamo na valilnicah (več kot 50% vseh odraslih v Puget Soundu je rojenih v valilnicah (Weitkamp in sod., 1995)). Predpostavljamo, da se je prevladujoča populacija drstišča preusmerila iz divjega v valilnico in da je bil ta premik povezan s slabimi valilnimi praksami, kot je združevanje plesov več samcev, kar je lahko privedlo do zmanjšanja alelne raznolikosti zaradi zmanjšanja učinkovite velikosti znotraj rek (Ryman in Laikre, 1991; Eldridge in Killebrew, 2007).

Delo valilnice lososa se je v Puget Soundu začelo v 1890-ih, kar je morda spremenilo strukturo populacije coho lososa pred časom, ko so bili zbrani zgodovinski vzorci leta 1938. Vendar je naša raziskava pokazala spremembe v strukturi populacije in genske raznolikosti med letoma 1938 in danes, ugotovitev, ki ni odvisna od poznavanja prizadete strukture prebivalstva. Poleg tega je bila običajna valilniška praksa, da se pred štiridesetimi leti izpušča coho losos kot presmolt (pomfrit in prst). Izpuščaji na splošno niso bili uspešni in malo verjetno je, da bi ob prisotnosti zdravih populacij divjih coho lososov ribe iz valilnice močno vplivale na gensko variacijo (Kelez, 1937; Flagg in sod., 1995).

Dejanskih prednikov sodobnega prebivalstva ni bilo mogoče določiti z bajezijskimi preskusnimi nalogami, čeprav to ni presenetljivo. Tudi če ni prenosov, je težko dodeliti ribe, kadar so populacije šibko razpršene (Latch in sod., 2006). Poleg tega se je struktura prebivalstva spremenila iz sorazmerno čistega vzorca genskega pretoka v izolaciji na daljavo do tistega, v katerem nanjo vplivajo tako naravne selitve kot gensko posredovani pretok genov, kar lahko oteži reševanje rodovniških vrst. Predstavitve so se dogajale zunaj območja ESU Puget Sound coho lososa, vendar so kljub vsem tem prenosom vse sodobne populacije coget lososov Puget Sound, ki smo jih preučili tukaj, tesno povezane z zgodovinsko populacijo, ki smo jo vzorčili znotraj ESU. Tako ni nobenih trdnih dokazov, da je visoko diferencirana eksogena populacija v bistvu introgresirala ali nadomestila domače populacije, ki podpirajo opažanja v drugih sistemih (Utter, 2001).

Tu smo pokazali, da se je drobna struktura populacije in pretok genov spremenila znotraj coho lososa ESU, ki je v dolgem obdobju doživel izpust stotine milijonov rib. Ta ugotovitev dopolnjuje prejšnjo študijo, v kateri smo pokazali, da število prenesenih in izpuščenih rib vpliva na strukturo populacije coho lososa (Eldridge in Naish, 2007). Razmnoževanje ribištva kot orodje pri obnavljanju lahko postane vse bolj pomembno (Leber in sod., 2004), interakcije z divjimi populacijami pa so morda neizogibne (Naish et al., 2007). Evolucijski pomen metapopulacijske strukture in genskega pretoka je že dolgo prepoznan za omogočanje prilagoditve s poskusom in napakami (Wright, 1932), za zagotavljanje nove genetske raznolikosti za preprečevanje učinkov križanja z genetskim odnašanjem (Mills in Allendorf, 1996) ali za ohranjanje dolgoročna sposobnost preživetja vrste zaradi sprememb v okolju (Hilborn in sod., 2003). Načrti upravljanja varstva bi morali prepoznati potencialne učinke kulture na pretok genov in fino strukturo ciljne vrste, pristopi za obnovitev pa bi morali čim bolj uporabljati ribe iz ciljne populacije.

Dodatne informacije

Word dokumenti

  1. 1.

    Dopolnilne tabele 1–4

    Dokumenti so priloženi dokumentu na spletnem mestu Heredity (//www.nature.com/hdy)