Presentatie Gregory Maes

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