Giải quyết sự sinh địa lý của một loài xâm lấn thông qua các mẫu gen hiện tại và lịch sử: trường hợp của loài cá chép đầu nhọn Pseudorasbora parva

Biological Invasions - Tập 20 - Trang 2157-2171 - 2018
Emilie A. Hardouin1, Demetra Andreou1, Yahui Zhao2, Pascale Chevret3, David H. Fletcher1, J. Robert Britton1, Rodolphe E. Gozlan1,4
1Department of Life and Environmental Sciences, Faculty of Sciences and Technology, Bournemouth University, Dorset, UK
2Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Chaoyang District, Beijing, China
3Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive (UMR CNRS 5558), Université Claude Bernard Lyon, Villeurbanne Cedex, France
4UMR BOREA IRD-MNHN-Université Pierre et Marie Curie, Muséum National d’Histoire Naturelle, Paris Cedex 5, France

Tóm tắt

Sự biến đổi gen và cấu trúc quần thể của các loài được giới thiệu trong khu vực bản địa của chúng có thể là yếu tố xác định quan trọng cho thành công xâm lấn của chúng, tuy nhiên, dữ liệu về các quần thể bản địa thường bị đại diện kém trong các nghiên cứu có liên quan. Do đó, để xác định sự đóng góp của việc cấu trúc gen trong khu vực bản địa của loài cá chép đầu nhọn Pseudorasbora parva đến thành công xâm lấn cao của chúng tại châu Âu, chúng tôi đã sử dụng một tập dữ liệu bao gồm 19 quần thể bản địa và 11 quần thể không bản địa. Tổng cộng 666 mẫu đã được phân tích tại 9 vị trí microsatellite đa hình và giải mã cho 597 bp DNA ty thể. Phân tích cho thấy ba dòng tộc riêng biệt trong khu vực bản địa, trong đó hai haplogroup chiếm ưu thế tại Trung Quốc (100%), với một sự tách biệt chung xung quanh dãy núi Qinling. Thời gian của cả hai haplogroup tương đối phù hợp với các sự kiện địa chất trong quá khứ. Gần đây hơn, sự phân bố của chúng đã bị ảnh hưởng bởi sự di chuyển của cá trong nuôi trồng thủy sản, dẫn đến việc trao đổi gen giữa các quần thể vốn trước đây đã tách biệt ở Bắc và Nam Trung Quốc. Địa lý phát sinh của chúng tại châu Âu chỉ ra có thể chỉ có hai sự kiện giới thiệu và hai lộ trình phân tán. Dữ liệu microsatellite cho thấy các quần thể bản địa có tính đa dạng gen cao hơn so với những quần thể trong vùng xâm lấn, là một sự trái ngược với các nghiên cứu trước đó về P. parva. Nghiên cứu này khẳng định tầm quan trọng của việc lấy mẫu rộng rãi cả trong khu vực bản địa và không bản địa của các loài xâm lấn trong việc đánh giá ảnh hưởng của sự biến đổi gen đến thành công xâm lấn.

Từ khóa

#Pseudorasbora parva #cấu trúc quần thể #biến đổi gen #xâm lấn #địa lý phát sinh

Tài liệu tham khảo

Akaike H (1973) Maximum likelyhood identification of gaussian autoregressive moving average models. Biometrika 60:255–265 Belkhir K, Borsa P, Chikhi L, Raufaste N, Bonhomme F (1996-2004) GENETIX 4.05, logiciel sous Windows TM pour la génétique des populations. Laboratoire Génome, Populations, Interactions, CNRS UMR 5000, Université de Montpellier II, Montpellier Bell G, Gonzalez A (2011) Adaptation and evolutionary rescue in metapopulations experiencing environmental deterioration. Science 332:1327–1330 Bermond G, Ciosi M, Lombaert E et al (2012) Secondary contact and admixture between independently invading populations of the western corn rootworm, Diabrotica virgifera virgifera in Europe. Plos ONE 7:e50129 Besnard G, Dupuy J, Larter M et al (2014) History of the invasive African olive tree in Australia and Hawaii: evidence for sequential bottlenecks and hybridization with the Mediterranean olive. Evol Appl 7:195–211 Biebach I, Keller LF (2012) Genetic variation depends more on admixture than number of founders in reintroduced Alpine ibex populations. Biol Conserv 147:197–203 Blanchet S (2012) The use of molecular tools in invasion biology: an emphasis on freshwater ecosystems. Fish Manag Ecol 19:120–132 Bouckaert R, Heled J, Kühnert D, Vaughan T, Wu C-H, Xie D, Suchard MA, Rambaut A, Drummond AJ (2014) BEAST 2: a software platform for bayesian evolutionary analysis. PLoS Comput Biol 10(4):e1003537. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1003537 Briolay J, Galtier N, Brito RM, Bouvet Y (1998) Molecular phylogeny of cyprinidae inferred from cytochrome bDNA sequences. Mol Phylogenet Evol 9:100–108 Britton JR, Gozlan RE (2013) Geo-politics and freshwater fish introductions: How the cold war shaped Europe’s fish allodiversity. Glob Environ Change Hum Policy Dimens 23:1566–1574 Broennimann O, Guisan A (2008) Predicting current and future biological invasions: both native and invaded ranges matter. Biol Lett 4:585–589 Chapple DG, Miller KA, Kraus F, Thompson MB (2013) Divergent introduction histories among invasive populations of the delicate skink (Lampropholis delicata): Has the importance of genetic admixture in the success of biological invasions been overemphasized? Divers Distrib 19:134–146 Copp GH, Vilizzi L, Gozlan RE (2010) Fish movements: the introduction pathway for topmouth gudgeon Pseudorasbora parva and other non-native fishes in the UK. Aquat Conserv Mar Freshw Ecosyst 20:269–273 Darriba D, Taboada GL, Doallo R, Posada D (2012) jModelTest 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nat Methods 9:772 Davies GD, Gozlan RE, Britton JR (2013) Can accidental introductions of non-native species be prevented by fish stocking audits? Aquat Conserv Mar Freshw Ecosyst 23:366–373 DeFaveri J, Shikano T, Merilä J (2014) Geographic variation in age structure and longevity in the nine-spined stickleback (Pungitius pungitius). PLoS ONE 9(7):e102660. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0102660 Diez-del-Molino D, Carmona-Catot G, Araguas R-M et al (2013) Gene flow and maintenance of genetic diversity in invasive mosquitofish (Gambusia holbrooki). PLoS ONE 8:e82501. Ding Y, Wang S, Zheng J, Wang H, Yang X (2013) China climate. Science Press, Beijing, pp 392–418 Earl DA, vonHoldt BM (2012) STRUCTURE HARVESTER: a website and program for visualizing STRUCTURE output and implementing the Evanno method. Conserv Genet Resour 4:359–361 Evanno G, Regnaut S, Goudet J (2005) Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: a simulation study. Mol Ecol 14:2611–2620 Excoffier L, Lischer HEL (2010) Arlequin suite ver 3.5: a new series of programs to perform population genetics analyses under Linux and Windows. Mol Ecol Resour 10:564–567 Facon B, Hufbauer RA, Tayeh A et al (2011) Inbreeding depression is purged in the invasive insect harmonia axyridis. Curr Biol 21:424–427 Gallien L, Douzet R, Pratte S, Zimmermann NE, Thuiller W (2012) Invasive species distribution models—How violating the equilibrium assumption can create new insights. Glob Ecol Biogeogr 21:1126–1136 Ghalambor CK, McKay JK, Carroll SP, Reznick DN (2007) Adaptive versus non-adaptive phenotypic plasticity and the potential for contemporary adaptation in new environments. Funct Ecol 21:394–407 Gong M, Tu F (1991) Fishery in contemporary China. Contemporary China Press, Beijing Goudet J (1995) Fstat version 1.2: a computer program to calculate F-statistics. J Hered 86(6):485–486 Gozlan RE (2011) Pseudorasbora parva Temminck & Schelegel (topmouth gudgeon). In: Francis R (ed) A handbook of global freshwater invasive species. Earthscan, London, pp 275–285 Gozlan RE, Andreou D, Asaeda T et al (2010a) Pan-continental invasion of Pseudorasbora parva: towards a better understanding of freshwater fish invasions. Fish Fish 11:315–340 Gozlan RE, Britton JR, Cowx I, Copp GH (2010b) Current knowledge on non-native freshwater fish introductions. J Fish Biol 76:751–786 Hanfling B (2007) Understanding the establishment success of non-indigenous fishes: lessons from population genetics. J Fish Biol 71:115–135 Hardouin EA, Chapuis J-L, Stevens MI et al (2010) House mouse colonization patterns on the sub-Antarctic Kerguelen Archipelago suggest singular primary invasions and resilience against re-invasion. BMC Evol Biol 10:325 Hardouin EA, Orth A, Teschke M, Tautz D, Bonhomme F (2015) Worldwide mouse differentiation at microsatellite loci identifies the Iranian plateau as a phylogeographic hotspot. BMC Evol Biol 15:26 Hedge LH, Leung B, O’Connor WA, Johnston EL (2014) The interacting effects of diversity and propagule pressure on early colonization and population size. J Anim Ecol 83:168–175 Hufbauer RA, Rutschmann A, Serrate B, de Conchard HV, Facon B (2013) Role of propagule pressure in colonization success: disentangling the relative importance of demographic, genetic and habitat effects. J Evol Biol 26:1691–1699 Jakobsson M, Rosenberg NA (2007) CLUMPP: a cluster matching and permutation program for dealing with label switching and multimodality in analysis of population structure. Bioinformatics 23(14):1801–1806. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btm233 Jombart T (2008) adegenet: a R package for the multivariate analysis of genetic markers. Bioinformatics 24:1403–1405 Jombart T, Devillard S, Balloux F (2010) Discriminant analysis of principal components: a new method for the analysis of genetically structured populations. BMC Genet 11:94 (PubMed: 20950446 Bioinformatics 23:1801–1806) Keller SR, Fields PD, Berardi AE, Taylor DR (2014) Recent admixture generates heterozygosity-fitness correlations during the range expansion of an invading species. J Evol Biol 27:616–627 Konishi M, Takata K (2004) Isolation and characterization of polymorphic microsatellite DNA markers in topmouth gudgeon, Pseudorasbora (Teleostei: Cyprinidae). Mol Ecol Notes 4:64–66 Kumschick S, Gaertner M, Vila M et al (2015) Ecological impacts of alien species: quantification, scope, caveats, and recommendations. Bioscience 65:55–63 Li SZ (1981) Studies on zoogeographical divisions for fresh water fishes of China. Science Press, Beijing Librado P, Rozas J (2009) DnaSP v5: a software for comprehensive analysis of DNA polymorphism data. Bioinformatics 25:1451–1452 Liu HZ, Yang JQ, Tang QY (2010) Estimated evolutionary tempo of East Asian gobionid fishes (Teleostei Cyprinidae) from mitochondrial DNA sequence data. Chin Sci Bull 55:1501–1510 Pritchard JK, Stephens M, Donnelly P (2000) Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics 155:945–959 Rambaut A, Suchard M, Drummond A (2014) Tracer v1.6. http://tree.bio.ed.ac.uk/software/tracer/ Roman J, Darling JA (2007) Paradox lost: genetic diversity and the success of aquatic invasions. Trends Ecol Evol 22:454–464 Ronquist F, Teslenko M, Mark PVD, Ayres D, Darling A, Höhna S, Larget B, Liu L, Suchard MA, Huelsenbeck JP (2012) MrBayes 3.2: efficient Bayesian phylogenetic inference and model choice across a large model space. Syst Biol 61:539–542 Rosenberg NA (2004) DISTRUCT: a program for the graphical display of population structure. Mol Ecol Notes 4:137–138 Rosenthal DM, Ramakrishnan AP, Cruzan MB (2008) Evidence for multiple sources of invasion and intraspecific hybridization in Brachypodium sylvaticum (Hudson) Beauv. in North America. Mol Ecol 17:4657–4669 Saitoh K, Sado T, Doosey MH, Bart HL Jr, Inoue JG, Nishida M, Mayden RL, Miya MM (2011) Evidence from mitochondrial genomics supports the lower Mesozoic of South Asia as the time and place of basal divergence of cypriniform fishes (Actinopterygii: Ostariophysi). Zool J Linn Soc 161:633–662 Sanz N, Araguas RM, Vidal O et al (2013) Genetic characterization of the invasive mosquitofish (Gambusia spp.) introduced to Europe: population structure and colonization routes. Biol Invasions 15:2333–2346 Schimd-Haempel P, Schimd-Haempel R, Brunner PC, Seeman OD, Allen GR (2007) Invasion success of the bumbleble, Bombus terrestris, despite a drastic genetic bottleneck. Heredity 99:414–422 Schulte U, Veith M, Mingo V, Modica C, Hochkirch A (2013) Strong genetic differentiation due to multiple founder events during a recent range expansion of an introduced wall lizard population. Biol Invasions 15:2639–2649 Searle JB (2008) The genetics of mammalian invasions: a review. Wildl Res 35:185–192 Shi D (1999) A glorious history of Chinese fishery. J Beijing Fish. 9:39–40 Simon A, Britton R, Gozlan R et al (2011) Invasive cyprinid fish in europe originate from the single introduction of an admixed source population followed by a complex pattern of spread. PLoS ONE 6(6):e18560. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0018560 Simon A, Gozlan RE, Britton JR, van Oosterhout C, Haenfling B (2015) Human induced stepping-stone colonisation of an admixed founder population: the spread of topmouth gudgeon (Pseudorasbora parva) in Europe. Aquat Sci 77:17–25 Smith JM, Wells SP, Mather ME, Muth RM (2014) Fish biodiversity sampling in stream ecosystems: a process for evaluating the appropriate types and amount of gear. Aquat Conserv Mar Freshw Ecosyst 24:338–350 Teng Z, Wang X (1996) Studies of the tectonic uplift at the Cenozoic era and the regionally environmental effects in the Qinling orogenic belt. Geol Shaanxi 14:33–42 Vandepitte K, De Meyer T, Helsen K et al (2014) Rapid genetic adaptation precedes the spread of an exotic plant species. Mol Ecol 23:2157–2164 Wiens KE, Crispo E, Chapman LJ (2014) Phenotypic plasticity is maintained despite geographical isolation in an African cichlid fish, Pseudocrenilabrus multicolor. Integr Zool 9:85–96 Yue P, Liang Z (1995) A sketch on the fishery history and its development in ancient China. Chin J Zool 30:54–58 Zeng C, Gul Y, Yang K, Cui L, Wang WM, Gao ZX (2011) Isolation and characterization of 19 polymorphic microsatellite loci from the topmouth gudgeon Pseudorasbora parva. Genet Mol Res 10:1696–1700 Zenni RD, Bailey JK, Simberloff D (2014) Rapid evolution and range expansion of an invasive plant are driven by provenance-environment interactions. Ecol Lett 17:727–735 Zhang R (1999) Zoogeography of China. Science Press, Beijing Zhang L, Fang X (2012) Palaeogeography of China: formation of China’s natural environment. Science Press, Beijing, pp 237–247 Zhao Y, Gozlan RE, Zhang C (2015) Current state of freshwater fisheries in China. In: Craig J (ed) Freshwater fisheries ecology. John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, UK. https://doi.org/10.1002/9781118394380.ch19 Zhong F (1990) Preliminary study of geological geomorphological conditions of Ling Canal. Carsologica Sin 9:88–93