Het gebruik van genetica als beleidsinstrument voor de instandhouding van vissoorten en – populaties
Gregory Maes Laboratory of Animal Diversity and Systematics Katholieke Universiteit Leuven, Leuven 04/01/2010
1
Inhoud • Toestand biodiversiteit : Globale en Vlaamse context • Hoe biodiversiteit te beheren ?
• Genetisch natuurbehoud: belang en toepassingen
• Case studies uit de mariene en zoetwater wereld: Van soortidentificatie tot broedstockbeheer 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
2
Toestand biodiversiteit Globale context • Biodiversiteit alarmerend gedaald (40-50 %) • Oorzaak: pollutie, overexploitatie, fragmentatie, habitatinkrimping, exoten, ... • Herstel van habitat in een perspectief van natuurbehoud (Rio de Janeiro 1992, Natura 2000: Max. behoud van biodiversiteit op aarde ) Vlaamse context • 28 % van soorten op Rode lijst, 6 % verdwenen de laatste 100 jaar • Soorten met hoge eisen verdwijnen het eerst (specialisten), densiteit generalisten verhoogt (door adaptatie) homogenisatie van natuur ! • Hoofdprobleem: urbanisatie, wegeninfrastructuur, habitatversnippering, gebrek aan connectiviteit tussen populaties (isolatie fitness daling !), overbevissing • Nood aan natuurgebieden en MPA’s, maar effect slechts gering door versnipperde ligging • Instandhouding van soorten (IHD’s) moeilijk, vooral aquatisch milieu ! 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
3
Beheer van biodiversiteit • Biodiversiteit: Ecosysteem diversiteit Soorten diversiteit Genetische diversiteit • Over welke gereedschappen beschikken we ? Lange termijn monitoring habittaten en soorten (historische basis opbouw) Fauna en florabeheer (demografie, kwaliteit, ...) Controle exploitatie en bewustmaking gevaren (MSY, LGK evolutie) Identificatie uitheemse soorten en controle (25 soorten jaarlijks) Migratiepotentieel en connectiviteit (+ én – invloed) Effect van klimaatsverandering op soorten (distributie shifts) • Genetisch natuurbehoud is een overkoepelende onderzoeksveld met zowel een ondersteunend karakter als een eigen finaliteit ! 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
4
Genetisch natuurbehoud ? Belang genetische diversiteit: Korte termijn: vermijden van inteelt (overleven van populatie) Lange termijn: aanpassen aan veranderende condities (overleven van soort) Factoren die genetische diversiteit bedreigen: Habitat pollutie en degradatie (habitatvariatie nodig) Lage populatiegrootte (fitness, reproduct. Potentieel, extinctie, adaptatie daalt) Uitzettingen (negatieve selectie kwekerijen, domesticatie, Ne) Fragmentatie (verspreiding, reproductie, voedsel, overwintering) Habitatherstel (stichterseffecten, negatieve groei,...) Synergetische effecten tussen milde stressoren = grote impact ! •Genetica helpt bij studie van hybridisatie, populatie structuur (BEs), monitoring genetische respons op milieu stressoren (Biomerkers), ondersteunende kweek 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
5
Genetisch natuurbehoud : vraagstellingen • • • • • • • •
Soortidentificatie en hybridisatie (Taxonomie Fylogenie) Historische ruimtelijke verspreiding van Evolutionaire Significante Eenheden (ESE’s) (Biogeografie Fylogeografie) Recentere populatiedifferentiatie (BE’s) oiv barrières of selectie (Morfometrie Populatiegenetica, lokale adaptatie) Connectiviteitsanalyses en traceerbaarheid van produkten (Tagging, Microchemie Landschapsgenetica en genetische toewijzing) Visserij/klimaat geïnduceerde evolutie sinds visserijdruk stijging (Fenotypische verschuivingen zoals Lengte@leeftijd Genetische oorspong ? Archeologische analyse van verspreiding/abundantie/fitness sinds middeleeuwen (Paleontologische analyses omtrent shifting baselines Paleogenomica) Stressniveau en evolutionaire respons tegenover polluenten (Ecotoxicologie Ecotoxicogenomica of Evolutionaire Ecotox) Ondersteunende kweek en aquacultuur en genetische gezondheid (gecontroleerde kruisingen broedstock analyses en in/uitteelt vermijden) 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
6
ESE’s en de invloed van Ijstijden
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
7
ESE’s en de invloed van Ijstijden
IJSKAP
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
8
ESE’s en de invloed van Ijstijden
IJSKAP
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
9
ESE’s en de invloed van Ijstijden
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
10
Freshwater Populatiestructuur bij zoetwater vissen Freshwater
No exchange of genetic material
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
11
Populatiestructuur bij anadrome vissen
Anadromous
Little exchange of genetic material Spawning site fidelity 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
12
Populatiestructuur bij katadrome vissen
Exchange of genetic material through spawners migration and larval dispersal 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
13
Populatiestructuur bij extreem katadrome vissen Catadromous eel
High probability of exchange of genetic material 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
14
Genetische consequenties van fragmentatie
Habitatfragmentatie
• Genmigratie • Genetische drift • Inteelt
Genetische diversiteit (heterozygositeit, differentiatie, gene diversity, …)
Rechtstreeks effect op fitness/dispersiecapaciteit 04/01/2010
Grootte en isolatie van populaties
Noodzakelijke voorwaarde voor evolutie
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
15
Connectiviteit in het aquatisch milieu Definitie van connectiviteitschaal: • Welke factoren drijven de huidige uitwisseling tussen populaties ? kennis vereist omtrent populatie dynamiek, genetica en biogeografie • Connectiviteit heeft belangrijke implicaties voor duurzaam beheer: onderhoud van natuurlijke populaties/stocks is afhankelijk van beschikbare paaibiomassa en ei/larvale dispersie andere ecologische processen in foerageer habitats van (sub)adulten. 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
16
Genetica als evolutieve bandopnemer Shifting baselines
1900
2000
Tonnes per square km
Geschatte biomassa hoog-trofische vissen in de Noord Atlantische Oceaan Achteruitgang met factor 9 tijdens laatste eeuw !!! ► Doorheen generaties, verliezen we de kennis over de natuurlijke toestand van toen… 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
17
Genetica als evolutieve bandopnemer Visserij-geïnduceerde adaptatie • Geëxploiteerde visstocks vertonen tekenen van fenotypische én genetische verschuivingen in LGKen • Ne > 500 om voldoende variatie te behouden om zich aan te kunnen passen aan veranderende milieuomstandigheden • De Europese unie vraagt om een dringende beoordeling van visserij- en klimaatgeïnduceerde veranderingen in geëxploiteerde stocks/populaties
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
Heino et al. (2002)
18
Genetische consequenties van uitzettingen Belang van achtergrondkennis Verwantschap tussen lokale en uitgezette dieren optimaal ? Anders gevaar voor uitblijven succes …
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
19
Genetisch natuurbehoud : praktisch ? • • • • • • • •
Soortidentificatie en hybridisatie (Taxonomie Fylogenie) Historische ruimtelijke verspreiding van Evolutionaire Significante Eenheden (ESE’s) (Biogeografie Fylogeografie) Recentere populatiedifferentiatie (BE’s) oiv barrières of selectie (Morfometrie Populatiegenetica, lokale adaptatie) Connectiviteitsanalyses en traceerbaarheid van produkten (Tagging, Microchemie Landschapsgenetica en genetische toewijzing) Visserij/klimaat geïnduceerde evolutie sinds visserijdruk stijging (Fenotypische verschuivingen zoals Lengte@leeftijd Genetische oorspong ? Archeologische analyse van verspreiding/abundantie/fitness sinds middeleeuwen (Paleontologische analyses omtrent shifting baselines Paleogenomica) Stressniveau en evolutionaire respons tegenover polluenten (Ecotoxicologie Ecotoxicogenomica of Evolutionaire Ecotox) Ondersteunende kweek en aquacultuur en genetische gezondheid (gecontroleerde kruisingen broedstock analyses en in/uitteelt vermijden) 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
20
Genetisch natuurbehoud : Methodes STAPPEN: • • • •
Bemonstering DNA purificatie DNA amplificatie Aflezing DNA fingerprint • mtDNA • nDNA • Gegevensverwerking • Rapportering en implementatie
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
21
Genetisch natuurbehoud : Methodes List - growth hormone - aromatase - myostatin -…
SNPs, SSRs, Indels
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
22
Case 1a: Soort- en hybriden identificatie
Goudvis (Carassius auratus auratus)
Giebel (Carassius auratus gibelio)
Hybrieden ?
Kroeskarper (Carassius carassius) 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
23
Case 1a : Morfologische analyses vinbasis dorsale vin
lengte van snuit tot rugvin
oogdiameter
standaard lichaamshoogte Aantal schubben rond staartsteel lengte staartsteel aantal schubben op laterale lijn hoogte staartsteel
snuitlengte
vinbasis anale vin
lengte van snuit tot borstvin standaardlengte
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
24
Case 1a : Morfologische analyses 5 4 3 2
???
Factor2
1 0
???
-1 -2
???
-3 -4 -5 -5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
SOORT: giebel SOORT: kroeskarper SOORT: Goudvis
Factor1
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
25
Case 1a : Genetische analyses • 1 hoofd giebel groep (I) • 1 goudvis groep • 1 beperkte giebel groep (II, O-Azië) • Nieuwe ondersoort (Giebel III) • Multipele introducties giebels
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
26
Case 1b : Soort- en hybriden identificatie
leptocephalus
zilverpaling
glasaal
Gele aal
Case 1b : Soort- en hybriden identificatie
26 March-12 April 2007
www.galathea3.dk
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
28
Case 1b : Genetische analyses
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
29
Case 1b : Genetische analyses
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
30
Case 2 : Fylogeografie en genetisch natuurbehoud van snoek (Esox lucius L.)
• Hoog niveau in voedselweb • Kleinere populaties (ijstijden) • Ecologische waterkwaliteit • Sportvisserij • Randvoorwaarden ? migratiemogelijkheden (connectiviteit) afgeschermde oeverzones voor reproductie goede waterkwaliteit Voldoende genetische diversiteit (inteelt) Behoud lokale populaties (uitteelt) 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
31
Case 2 : Fylogeografie en genetisch natuurbehoud van snoek (Esox lucius L.) • Zeer lage diversiteit binnen West-Europa • Donaubekken bron van genetische variabiliteit • België “verdacht” hoge genetische variabiliteit... Daling diversiteit in NW richting
Historisch patroon (mtDNA) ESE’s 04/01/2010
Hedendaags patroon (nDNA) BE’s
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
32
Case 3 : Connectiviteit en traceerbaarheid
KK
kern
rand
LA-ICPMS technique to measure elemental concentrations
Adulten:
3 spots: 60 µm
‘kern’ (C) = early life signaal (paailokatie) ‘kinderkamer’ (N) = juveniel signaal (kinderkamer signaal) ‘edge’ (E) = afvis-lokatie (laatste maand) Juveniel : enkel rand (= staalnamelokatie)
Li
Na
04/01/2010
Mg Ca
Mn Co
Cu
Zn
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
Rb
Sr
Cd
Ba
Pb
33
Case 3 : Connectiviteit en traceerbaarheid Combinatie met genetica ? - genmigratie te hoog geen genetische structuur - verschillende tijdsschalen: Ecologische vs. Evolutionaire - sex-biased dispersal • Aanpak 1: (partial) Mantel test Otolith microchemistry Dissimilarity matrix
Genetic distance matrix • Aanpak 2: Bayesian methods to detect structure in data
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
34
Case 4 : Connectiviteit en migratiebarrières
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
35
Case 4 : Connectiviteit en migratiebarrières
mills 04/01/2010
weirs
tunnels
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
other 36
Case 4 : Connectiviteit en migratiebarrières
MNA: 4.5
12
He:
0.81
0.49
Genetische variabiliteit 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
37
Case 5 : Lokale adaptatie en speciatie
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
38
Case 6 : Lokale adaptatie aan milieu hoe invloed milieu en mens onderscheiden ? Genetische basis voor evolutionaire demografische veranderingen en genetische verschuivingen in LGKen ► leeftijd, groei en maturatie ►effectieve populatiegrootte ► adaptieve variatie in specifieke genen ► correlatie met milieu selectie gradient 1900
04/01/2010
2000
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
39
Case 6 : Visserij-geïnduceerde evolutie en adaptatie aan een veranderend milieu
Overbevissing Pollutie Parasieten Klimaatverandering
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
40
Genetisch natuurbehoud in een ecosysteem perpectief • Genetische diversiteit gaat sneller verloren dan het wordt heropgebouwd
• Consequenties voor fitness en toekomstig adaptief potentieel
• Genetisch natuurbehoud gaat enkel samen met habitatherstel op ecosysteemniveau
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
41
Genetica en beheersmaatregelen ? • Herintroducties geven mogelijkheid habitatherstel maatregelen en reproductief succes soort te evalueren (opvolgen nakomelingen) • Bronpopulaties dienen evenwel van lokale oorsprong (uitteelt) en voldoende groot (inteelt) te zijn • Nood aan historisch materiaal als referentie om oorspong/diversiteit populaties te achterhalen
04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
42
Conclusie en aanbevelingen De succesvolle instandhouding van marien en zoetwater vissoorten steunt vaak op multidisciplinaire onderzoeksresultaten. Genetica kan daarbij een belangrijke bijdrage leveren, door informatie te verschaffen omtrent: 1.
onopgemerkte introducties van exoten
2.
de historische verwantschap tussen vispopulaties sinds de ijstijden
3.
de huidige connectiviteit tussen populaties en de nefaste invloed van migratiebarrières
4.
de meest geschikte populaties voor (her)uitzettingen en voor ondersteunende kweekprogramma's. Het gebruik van genetische merkers als beleidsinstrument verhoogt gevoelig de kans op een duurzaam behoud en exploitatie van vispopulaties nu en in de toekomst 04/01/2010
Vissennetwerk, Zoo Antwerpen
43
Bedankt voor uw aandacht ! Thanks to: Joost Raeymaekers Els Cuveliers Dirk Schaerlaekens Eveline Diopere Bart Hellemans Jeroen Van Houdt Koen Degelas En alle anderen ...
04/01/2010
44
