Het gebruik van genetica als beleidsinstrument voor de instandhouding van vissoorten en populaties

Transcriptie

1 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

2 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 2

3 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! 3

4 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! 4

5 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 5

6 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) 6

7 ESE s en de invloed van Ijstijden 7

8 ESE s en de invloed van Ijstijden IJSKAP 8

9 ESE s en de invloed van Ijstijden IJSKAP 9

10 ESE s en de invloed van Ijstijden 10

11 Populatiestructuur Freshwater bij zoetwater vissen Freshwater No exchange of genetic material 11

12 Populatiestructuur bij anadrome vissen Anadromous Little exchange of genetic material Spawning site fidelity 12

13 Populatiestructuur bij katadrome vissen Exchange of genetic material through spawners migration and larval dispersal 13

14 Populatiestructuur bij extreem katadrome vissen Catadromous eel High probability of exchange of genetic material 14

15 Genetische consequenties van fragmentatie Habitatfragmentatie Grootte en isolatie van populaties Genmigratie Genetische drift Inteelt Genetische diversiteit (heterozygositeit, differentiatie, gene diversity, ) Rechtstreeks effect op fitness/dispersiecapaciteit Noodzakelijke voorwaarde voor evolutie 15

16 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. 16

17 Genetica als evolutieve bandopnemer Shifting baselines 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 17

18 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 Heino et al. (2002) 18

19 Genetische consequenties van uitzettingen Belang van achtergrondkennis Verwantschap tussen lokale en uitgezette dieren optimaal? Anders gevaar voor uitblijven succes 19

20 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) 20

21 Genetisch natuurbehoud : Methodes STAPPEN: Bemonstering DNA purificatie DNA amplificatie Aflezing DNA fingerprint mtdna ndna Gegevensverwerking Rapportering en implementatie 21

22 Genetisch natuurbehoud : Methodes List - growth hormone - aromatase - myostatin - SNPs, SSRs, Indels 04/01/2010 Vissennetwerk, Zoo Antwerpen 22

23 Case 1a: Soort- en hybriden identificatie Giebel (Carassius auratus gibelio) Goudvis (Carassius auratus auratus) Hybrieden? Kroeskarper (Carassius carassius) 23

24 Case 1a : Morfologische analyses vinbasis dorsale vin lengte van snuit tot rugvin oogdiameter standaard lichaamshoogte aantal schubben op laterale lijn Aantal schubben rond staartsteel lengte staartsteel hoogte staartsteel snuitlengte lengte van snuit tot borstvin standaardlengte vinbasis anale vin 24

25 Case 1a : Morfologische analyses ??? Factor2 0-1??? ??? SOORT: giebel SOORT: kroeskarper SOORT: Goudvis Factor1 25

26 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 26

27 Case 1b : Soort- en hybriden identificatie leptocephalus zilverpaling glasaal Gele aal

28 Case 1b : Soort- en hybriden identificatie 26 March-12 April

29 Case 1b : Genetische analyses 29

30 Case 1b : Genetische analyses 30

31 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) 31

32 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 Hedendaags patroon (ndna) BE s 32

33 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 Mg Ca Mn Co Cu Zn Rb Sr Cd Ba Pb 33

34 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 34

35 Case 4 : Connectiviteit en migratiebarrières 35

36 Case 4 : Connectiviteit en migratiebarrières mills weirs tunnels other 36

37 Case 4 : Connectiviteit en migratiebarrières MNA: He: Genetische variabiliteit 37

38 Case 5 : Lokale adaptatie en speciatie 38

39 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

40 Case 6 : Visserij-geïnduceerde evolutie en adaptatie aan een veranderend milieu Overbevissing Pollutie Parasieten Klimaatverandering 40

41 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 41

42 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 42

43 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 43

44 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/