(Digital Academic Repository) Structure at open sea : genetics of

UvA-DARE (Digital Academic Repository)
Structure at open sea : genetics of zooplankton populations
Peijnenburg, K.T.C.A.
Link to publication
Citation for published version (APA):
Peijnenburg, K. T. C. A. (2005). Structure at open sea : genetics of zooplankton populations
General rights
It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s),
other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Disclaimer/Complaints regulations
If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating
your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask
the Library: http://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam,
The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.
UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl)
Download date: 18 Jul 2017
Samenvatting g
Dee centrale vraag van dit proefschrift luidt 'op ivelke schaal zijn zoöplanktonpopulatiespopulaties genetisch gestructureerd9. We willen dit weten omdat de genetische
structuur,, ofwel de mate van verwantschap tussen verschillende individuen en
groepenn organismen binnen een soort, een blauwdruk kunnen zijn van evolutie.. Evolutie is de genetische verandering van soorten die uiteindelijk weer
kann leiden tot het ontstaan van nieuwe soorten. Om beter te begrijpen hoe
evolutiee plaats vindt in de open zee is het karakteriseren van de genetische
structuurr binnen de soorten die er leven, zoals bijvoorbeeld het plankton een
belangrijkee eerste stap. Plankton zijn organismen die zich niet onafhankelijk
vann de zeestromingen kunnen voortbewegen; het plantaardige plankton noemenn we fytoplankton, en het dierlijke plankton zoöplankton. In dit proefschriftt heb ik twee belangrijke groepen van het zoöplankton bestudeerd,
namelijkk copepoden, ook wel roeipootkreeftjes genaamd, 'de g r a z e r s van de
zee'' (Hoofdstuk ,'J), en chaetognaten, ofwel pijlwormen, belangrijke roofdieren
vann copepoden en ander zoöplankton in zee (Hoofdstukken 1, 2, 4, en 5).
Volgenss het meest simpele en algemene evolutiemodel zijn er
geografischee barrières nodig voor het ontstaan van verschillen tussen populaties,, en uiteindelijk van nieuwe soorten. Het is, voor ons mensen althans,
moeilijkk voor te stellen wat voor barrières belangrijk zouden kunnen zijn
voorr zoöplankton. De zee komt op ons toch vooral over als een uitgestrekt
homogeenn geheel. Dit heeft geleid tot het algemene idee dat zoöplankton zich
kann verspreiden met de zeestromingen over enorme geografische afstanden,
waardoorr we dus weinig of geen populatiegenetische structuur verwachten.
Maarr feit is dat dit idee nog nauwelijks is getest en dat we dus nog maar heel
weinigg weten over welke barrières in de open oceaan relevant kunnen zijn
voorr zoöplankton. Mijn proefschrift heeft aan deze vraag een belangrijke bijd r a g ee geleverd, want het laat zien dat zoöplanktonpopulaties veel sterker, en
opp veel kleinere geografische schalen dan we aanvankelijk dachten, genetisch
gestructureerdd zijn, en dat er bovendien zeer grote genetische verschillen
bestaann die mogelijk wijzen op de aanwezigheid van nog niet beschreven
soorten. .
11 90
StructureStructure at Open Sea - Genetics of Zoöplankton Populations
Inn dit proefschrift heb ik me vooral geconcentreerd op de chaetognaat
SagittaSagitta setosa Muller 1847 omdat dit een ideaal onderzoeksorganisme is om
zowell de historische als tegenwoordige barrières in zee te bestuderen.
SagittaSagitta setosa heeft een disjunct neritisch (d.w.z. alleen voorkomend boven het
continentalee plat) verspreidingspatroon in de Europese zeeën. Het is in het
verledenn geopperd dat het voorkomen van deze soort in de Middellandse en
Zwartee Zee het resultaat is geweest van een kolonisatie vanuit de Atlantische
Oceaann tijdens één van de ijstijden in het Pleistoceen (tussen ongeveer 1,8
miljoenn en 1 ().()()() jaar geleden). Gedurende deze koude periodes zakte de
zeespiegell wereldwijd ongeveer 100 m en was het rondom de Straat van
Gibraltar,, de opening naar de Middellandse Zee bij Spanje, ongeveer net zo
koudd als nu in de Noordzee. Dit zou betekenen dat Atlantische en
Middellandsee Zee populaties sinds tenminste 18.000 jaar geleden (sinds het
laatstee glaciale maximum) van elkaar gescheiden zijn geweest. Bovendien
zijnn er ook morfologische verschillen gevonden tussen S. setosa populaties
uitt de verschillende zeeën. Dit alles leidt tot de vraag 'in welke mate zijn
dezedeze populaties van elkaar gescheiden?',
Inn Hoofdstuk 1 laat ik zien dat S. setosa veel morfologische variatie vertoontt binnen zijn verspreidingsgebied. Individuen uit de Middellandse Zee
zijnn het kleinst en hebben een korte staart en weinig tanden en haken, terwijll individuen uit de Zwarte Zee het grootst zijn, met veel tanden en haken.
Dee individuen uit de Noordzee zitten hier tussenin, maar de variatie overlapt
grotendeelss en er zijn geen verschillen in allometrie (veranderingen in proportiess met toenemende grootte). Bovendien vond ik meer variatie in kwantitatievee morfologische eigenschappen binnen S. setosa uit de verschillende
zeeën,, dan tussen S. setosa en twee nauw verwante, maar twijfelachtige
soorten,, namelijk S. batava Biersteker en Van der Spoel 1966, beschreven uit
dee Oosterschelde, en S. eu.rina Moltschanoff 1909, beschreven uit de Zwarte
Zee.. Ik concludeer dat S. batava niet als een aparte soort beschouwd kan worden,, omdat alle eigenschappen overeenkomen met die van *S'. setosa en de
vergelijkingg met een andere soort, S. elegans Verrill 1873, waren gebaseerd
opp onjuiste identificaties in de originele beschrijving. Voor .V. eujcina zijn de
gegevenss niet toereikend om een definitieve uitspraak te doen over de
soortsstatus.. Kchter, het feit dat alle tot nu toe gepubliceerde pijlwormmonsterss uit de Zwarte Zee volledig bestaan uit óf S. setosa óf uit S. eu.rina
(afhankelijkk van het seizoen en de diepte waarop de monsters verzameld zijn)
suggereertt dat deze exemplaren mogelijk seizoensvarianten zijn van één en
dezelfdee soort.
191 1
SAMENVATTING G
Dee morfologische variatie is, op de manier zoals deze tot dusver is
onderzocht,, ontoereikend gebleken om de mate van isolatie tussen S. setosa
populatiess te bepalen. Daarom stap ik in Hoofdstuk 2 over op genetische
kenmerken.. In dat hoofdstuk presenteer ik een fylogeografische analyse
(eenn evolutionaire stamboom met daarop de geografische herkomst van de
monsterss geprojecteerd) die gebaseerd is op DNA sequenties van een stukje
mitochondriaall gen, namelijk het Cytochrome Oxidase II (COII) gen, van in
totaall 86 individuen verzameld uit de noordoostelijke (NO) Atlantische
Oceaan,, de Middellandse Zee, en de Zwarte Zee. Deze sequenties bleken zeer
variabel,, met voor elk individu een uniek haplotype (genetische variant van
hett mitochondriale stukje DNA). Deze analyse liet ook een duidelijke en zeer
sterkee fylogeografische structuur zien met vier hoofdgroepen die
overeenkwamenn met de NO Atlantische Oceaan, Middellandse Zee (inclusief
dee Ligurische Zee, Tyrrheense Zee, en de Golf van Gabès), Adriatische Zee,
enn de Zwarte Zee. Dit betekent dat deze populaties (hoogstwaarschijnlijk)
niett met elkaar in contact staan. De vroegste splitsing lijkt tussen de
Atlantischee Oceaan en Middellandse Zee populaties te zijn geweest, gevolgd
doorr een splitsing tussen Middellandse Zee en Zwarte Zee populaties. Dit
pastt bij het biogeografische scenario gebaseerd op de geologische en paleoklimatologischee historie van de Europese zeeën. Dit scenario gaat uit van een
kolonisatiee van de Middellandse Zee vanuit de Atlantische Oceaan tijdens
éénn van de Pleistocene ijstijden, gevolgd door een kolonisatie van de Zwarte
Zeee vanuit de Middellandse Zee ten tijde van het Holoceen (binnen de
afgelopenn 10.000 jaar). Alleen, mijn schattingen van de momenten van populatiesplitsingen,, gebaseerd op de genetische gegevens en een standaard
divergentiesnelheidd van dierlijk mitochondriaal DNA (~2% per miljoen
jaar),, suggereren een veel vroegere populatiesplitsing. Mijn schattingen zijn
respectievelijkk 1,7 en 0,4 miljoen jaar geleden voor de Atlantische OceaanMiddellandsee Zee en de Middellandse Zee-Zwarte Zee splitsingen. Dit kan
slechtss op twee manieren worden verklaard. Of de standaard evolutiesnelheidd van het mitochondriaal DNA klopt redelijk voor chaetognaten en S.
setosasetosa populaties zijn al langer van elkaar gescheiden dan we zouden denken
gebaseerdd op het paleoscenario, óf S. setosa heeft een snellere mitochondriale
evolutiee dan ooit eerder gevonden voor welk organisme dan ook. Ik stel twee
manierenn voor om dit te onderzoeken. Allereerst zouden we genetische
gegevenss kunnen verzamelen van onafhankelijke genetische merkers, zoals
inn het nucleaire genoom (bijvoorbeeld 'microsatellieten', zie Hoofdstuk 5).
Ditt kan ons een soort 'second opinion' verschaften. Ten tweede zouden we de
fylogeografiee van andere (planktonische) soorten kunnen bestuderen met
19'2 2
StructureStructure at Open Sea - (Genetics of Zoöplankton Populations
vergelijkbaree verspreidingpatronen als S. setosa in de Kuropese zeeën. Op
dezee manier kunnen we nagaan of verschillende soorten dezelfde evolutionairee geschiedenis hebben gehad. T w e e soorten die zich hier bij uitstek voor
lenenn zijn de copepoden Calanus helgolandicus Claus ]H63 en C. eiwinus
Hulsemannn 1991 (zie Hoofdstuk ,'J).
Hoofdstukk '3 laat een dergelijke fylogeografische analyse zien van deze
tweee soorten copepoden, namelijk C. helgolandicus afkomstig uit de N O
Atlantischee Oceaan en de Adriatische zee, en de n a u w v e r w a n t e C. eiuinus uit
dee Z w a r t e Zee, wederom gebaseerd op m i t o c h o n d r i a l D N A sequenties. De
tweee soorten copepoden waren genetisch veel minder variabel dan de
chaetognaatt 6'. setosa, en identieke haplotypen kwamen soms zelfs in beide
soortenn voor. Dit betekent dat de soorten ook genetisch zeer dicht bij elkaar
liggen.. D e genetische data lieten wel een patroon van populatiesplitsingen
zienn vergelijkbaar met S. setosa, namelijk de vroegste divergentie tussen
Atlantischee Oceaan en Middellandse Zee populaties, en de meest recente
splitsingg tussen Middellandse Zee en Z w a r t e Zee populaties. Wederom
warenn de schattingen gebaseerd op de genetische gegevens veel dieper dan
verwachtt op basis van de geologische en paleoklimatologische gegevens.
Ditt betekent niet dat de voorgestelde kolonisaties van de Middellandse en
Z w a r t ee Zee niet werkelijk hebben plaatsgevonden, maar ik stel voor dat de
planktonpopulatiess die deze zeeën koloniseerden al een g r o o t deel van de
genetischee divergentie hadden ten tijde van de kolonisaties. Ik concludeer
daaromm ook dat het scenario van diepere populatiedivergenties zoals
voorgesteldd voor S. setosa het meest waarschijnlijk is, waarin ik de
mogelijkheidd opper dat meerdere glaciale cycli hebben bijgedragen aan de
totalee genetische divergentie die we nu meten tussen populaties.
Inn Hoofdstuk 4 test ik de voorspelling dat neritische soorten, vanwege
kleineree en meer gefragmenteerde populaties, kwetsbaarder zijn geweest
voorr populatiereducties door areaalverschuivingen tijdens de ijstijden
vergelekenn met wijder verspreide, oceanische soorten. Hiervoor vergelijk ik
dee genetische signaturen van de twee dominante c h a e t o g n a t e n s o o r t e n in de
N OO Atlantische Oceaan, de neritische 5. setosa en de meer oceanische S. elegans.gans. Ken genetische signatuur bevat informatie over o.a. de demografische
geschiedeniss van een soort en kan dus gebruikt worden om fluctuaties in
populatiegroottee uit het verleden te bestuderen. Beide soorten waren
genetischh zeer variabel met unieke mitochondriale varianten voor elk individu,, en S. elegans was n o g eens ongeveer drie keer zo variabel als S. setosa.
Dee mitochondriale signaturen verschilden e n o r m tussen beide soorten. Die
vann S. setosa bestond uit een s t e r v o r m i g e fylogenie (evolutionaire stam-
193 3
SAMKNVATTING G
boom)) en een ééntoppige verdeling van paarsgewijze DNA sequentieverscbillen,, wat duidt op een liistorische bottleneck (zeer sterke, tijdelijke reductiee in aantallen dieren) gevolgd door plotselinge explosieve populatiegroei.
Diee van S. elegans daarentegen, liet een veel diepere fylogenie zien en een
meertoppigee verdeling van paarsgewijze DNA sequentie verschillen, wat
duidtt op een veel stabielere populatie. Als we aannemen dat natuurlijke
selectiee vergelijkbaar is geweest gedurende de evolutie van de twee soorten,
dann kunnen deze gegevens alleen verklaard worden door een verschil in
demografischee geschiedenis, en w o r d t de oorspronkelijke hypothese dus
ondersteund.. Ook al is er veel genetische diversiteit aanwezig binnen de
populatiess van beide soorten, we zouden eigenlijk nog meer diversiteit
verwachtenn gebaseerd op een schatting van hun populatiegrootte. Eén van
dee resultaten van deze studie was dan ook een e n o r m e discrepantie tussen
dee geschatte 'census' populatiegrootte en de evolutionaire effectieve populatiegroottee van beide soorten, die maar liefst een factor I(r-10 } ' van elkaar
verschilden.. Eén van de factoren die dit zouden kunnen verklaren is een
vormm van natuurlijke selectie op het mitochondriale g e n o o m en in dit hoofdstukk presenteer ik ook enig bewijs hiervoor.
Hoofdstukk 5 gaat nog iets dieper in op de vraag op welke schaal S.
setosasetosa populaties genetisch gestructureerd zijn. Hiervoor zijn een g r o t e r aantall monsters en een g r o t e r aantal individuen per m o n s t e r onderzocht dan in
dee voorgaande hoofdstukken. Bovendien heb ik gebruik gemaakt van een
combinatiee van de bekende m i t o c h o n d r i a l e m e r k e r s en vier nieuwontwikkeldee nucleaire merkers, namelijk microsatellieten. Allereerst wilde ik
kijkenn of de gevonden fylogeografische patronen uit hoofdstuk 2 bevestigd
wordenn door deze nieuwe merkers. Dit blijkt inderdaad het geval, wat
betekentt dat er t e g e n w o o r d i g barrières tussen S. setosa populaties in de verschillendee zeeën moeten bestaan in wat op het oog open mariene verbindingenn lijken. Ik stel dan ook voor dat de scheidingen tussen populaties (zowel
inn geografisch als genetisch opzicht) niet het resultaat zijn van beperkte verspreidingsmogelijkhedenn voor S. setosa. Als al het plankton zich onbeperkt
zouu kunnen laten meevoeren met de stromingen van alle wereldzeeën, dan
zoudenn we binnen slechts 500 jaar overal dezelfde soorten hebben, en dit is
zekerr niet het geval! Nee, ik acht het waarschijnlijker dat S. setosa op de één
off andere manier niet kan overleven of zich niet kan voortplanten op de
tussenliggendee plekken waar condities mogelijk niet optimaal zijn (bijvoorbeeldd in de N O Atlantische Oceaan ten zuiden van \-.')° NB en in de oostelijke
Middellandsee Zee). Zoals verwacht op basis van de hydrografische kenmerkenn (zoals stromingspatronen) van de verschillende Europese water-
194 4
StructureStructure at Open Sea - Genetics of Zoöplankton Populations
hekkens,, vond ik geen bewijs voor genetische substructurering binnen de
h o m o g e n ee N O Atlantische Oceaan, maar wel binnen de veel heterogenere
Middellandsee Zee. Hoewel kwalitatief gezien de patronen van mitochondria ll en nucleaire merkers grotendeels overeenkwamen, was dit kwantitatief
gezienn niet het geval, want de microsatellieten lieten veel minder sterke
genetischee s t r u c t u r i n g zien dan het mitochondriaal DNA. Dit verschil kan
verklaardd worden aan de hand van een g r o t e r e effectieve populatiegrootte
vann nucleaire dan mitochondriale genomen, en een aantal technische problemenn geassocieerd met het gebruik van microsatellieten in zeer g r o t e populaties,, zoals homoplasie, hypervariabiliteit, nul-allelen, en een g r o t e r e kans
opp monsterfouten. Ken andere o n t d e k k i n g van dit onderzoek was het vinden
vann zeer divergente mitochondriale lijnen die niet overeen bleken te komen
mett de morfologische, geografische, of nucleaire DNA gegevens. Meer
gegevenss zijn nodig om een uitspraak te kunnen doen over de evolutionaire
o o r s p r o n gg en status van deze lijnen, maar het is zeker een opzienbarende
vondst.. O m het waargenomen e n o r m e verschil in evolutiesnelheden tussen
mitochondrialee en nucleaire genomen van chaetognaten te verklaren postuleerr ik aan het einde van dit hoofdstuk een nieuwe hypothese, die ervan uitgaatt dat in zeer g r o t e populaties slechts een zeer kleine mate van positieve
natuurlijkee selectie (bijvoorbeeld op het mitochondriale genoom) zou kunnen
leidenn tot een sterke uitvergroting van verschillen in evolutiesnelheid
vergelekenn met neutraal evoluerende genetische merkers (zoals bijvoorbeeld
microsatellieten).. Tot nog toe gaan de meeste evolutiebiologen er vanuit dat
mitochondriaall DNA hoofdzakelijk neutraal evolueert, maar het bewijs dat
ditt mogelijk niet het geval is stapelt zich op en dit onderzoek draagt hier
verderr aan bij.
195 5