Population dynamics and evolutionary genetics of life history variation in Atlantic salmon
Czorlich, Yann (2019-06-01)
Population dynamics and evolutionary genetics of life history variation in Atlantic salmon
Czorlich, Yann
(01.06.2019)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-7688-1
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-7688-1
Tiivistelmä
Knowledge about variation in abundance and life-history traits is necessary to manage exploited populations. Atlantic salmon, Salmo salar, has high cultural, ecological and economic importance, supporting subsistence, leisure and commercial fishing. This species has been exposed to numerous threats (e.g. introgression, climate change, overexploitation) leading to a global decrease in Atlantic salmon production and changes in life history traits. Historical collection of data and biological material coupled with modelling and recent advances in genetics may help in describing those changes and identifying potential causes. In this thesis, we used data and biological material collected from 1975 to 2014 in the northern European Teno river, which hosts a highly structured salmon population and yields one of the largest riverine salmon catches in Europe. We quantified a total of 120 different life history combinations in the Teno river, including variation in smolt age (2-8 years), age at maturity (1-5 years) and several forms of repeat (37) and alternate spawners (54). Life history traits varied both spatially and temporally, particularly the age at maturity with an important decline in the proportion of large salmon, maturing after three years at sea. We demonstrated adaptive evolution of age at maturity over 40 years in the main population of the Teno river by observing an 18% decrease in vgll3 late maturation allele frequency, a genetic marker strongly associated with this trait. Changes in vgll3 allele and genotype frequencies were likely to have been driven by direct and indirect effects of fishing, by intensively exploiting a salmon prey (capelin) and using selective fishing gears in the river. Only males clearly responded to genetic changes at the phenotypic level, with a strong decline in age at maturity. The consequences of changes in genotype frequencies on mean age at maturity may differ between sexes because of sex-dependent variation in vgll3 additive and dominance effects. Furthermore, this sex-specific genetic architecture differed in a second population with contrasting age structure, likely affecting selection patterns. We finally developed a Bayesian life cycle model for salmon in Utsjoki, the largest tributary of the Teno river, which could later be extended to data-poor stocks using hierarchical structures. Such a model, including various sources of information (e.g. video counting, expert knowledge and literature) and accounting for different kind of uncertainty (e.g. observation and process errors), may be useful to provide reference points for management and evaluate attainment of objectives. The combined use of ecological and genetic data in this thesis improved our knowledge about the diversity and variation of life history traits in Teno river Atlantic salmon, along with potential factors affecting them. A further development would be to integrate both types of data in eco-evolutionary models to improve our understanding of the interaction between ecology and evolution and its consequences for population viability. Kalastuksen kohteena olevien kalakantojen hoidossa tarvitaan tietoja kannan runsauden ja elinkiertopiirteiden vaihtelusta. Atlantin lohella (Salmo salar) on suuri kulttuurinen, ekologinen ja taloudellinen merkitys, ja se ylläpitää merkittävää vapaa-ajan-, kotitarve- ja ammattikalastusta. Monet uhkatekijät (esim. kasvatettujen lohien vaikutukset luonnonlohen perimään, ilmastonmuutos, ylikalastus) ovat johtaneet lohikantojen tilan heikkenemiseen ja muutoksiin niiden elinkiertopiirteissä. Pitkän aikavälin seuranta-aineistot yhdistettynä mallintamiseen ja nykyaikaisiin geneettisin menetelmiin mahdollistavat tällaisten muutosten kuvaamisen ja auttavat niihin johtaneiden syiden löytämisessä. Tässä väitöskirjassa käytettiin Tenojoelta vuosina 1975–2014 kerättyjä seuranta-aineistoja. Tenojoen lohi koostuu useista geneettisesti erilaistuneista osapopulaatioista ja Tenojoki tuottaa vuosittain Euroopan suurimpia lohen jokisaaliita. Tenon lohelta tavattiin 120 erilaista elinkiertopiirteiden yhdistelmää, jotka koostuvat vaihteluista jokivaiheen kestossa (2-8 vuotta), merivuosissa (1-5 vuotta) ja aiempien kutukertojen yhdistelmissä (37 peräkkäisinä vuosina, 54 vuorovuosin kutevien lohien elinkiertopiirteiden yhdistelmää). Elinkiertopiirteiden yhdistelmät vaihtelivat sekä alueellisesti Tenon eri osien välillä että ajallisesti; erityisesti suurten, kolme vuotta tai pidempään meressä viettäneiden lohien määrä on pienentynyt pitkällä aikavälillä. Tenon lohella havaittiin sopeutuvaa evoluutiota sukukypsyysiän suhteen: vgll3 -geenin myöhäisen sukukypsyyden alleelin frekvenssi pieneni 40 vuoden aikajänteellä 18%. Alleelifrekvenssin muutokset johtuivat todennäköisesti kalastuksen suorista ja epäsuorista vaikutuksista: sekä kokovalikoivien pyydysten käytöstä jokikalastuksessa, että lohen merkittävän mereisen ravintokohteen, villakuoreen, voimakkaasta kalastuksesta. Geneettisestä muutoksesta johtuva merkittävä fenotyyppinen muutos osoitettiin nimenomaan koiraslohissa. Fenotyyppinen vaste geneettisen muutokseen vaihtelee sukupuolten välillä koska vgll3 -geenin alleelien dominanssi- ja yhdysvaikutukset ovat sukupuoliriippuvaisia. Ikärakenteeltaan erilaisen Inarijoen lohipopulaation geneettinen muutos ei ollut yhtä suuri kuin Tenon pääuomassa, mikä luultavasti johtui ikärakenteeseen liittyvistä erilaisista valintapaineista. Utsjoen lohikannalle kehitettiin bayesilainen elinkiertomalli, jonka hierarkisen rakenteen ansioista sitä voidaan soveltaa myös populaatioihin, joista on käytettävissä Utsjokea vähemmän seurantaja tutkimustietoa. Monipuolista tietoa (esim. lohien videolaskennan tuloksia, asiantuntija-arvioita ja kirjallisuustietoja) käyttävää mallia, joka ottaa huomioon erilaiset epävarmuuden lähteet (esim. havaintojen ja prosessien virheet), voidaan hyödyntää määriteltäessä kannan tilan tavoitetasoja lohikantojen hoitoa varten ja arvioitaessa kannan tilaa suhteessa tavoitteisiin. Tässä väitöskirjassa yhdistetty ekologinen ja geneettinen tieto auttaa ymmärtämään Tenon lohikantojen monimuotoisuuden ja elinkiertopiirteiden vaihtelua sekä niihin mahdollisesti vaikuttavia tekijöitä. Monipuolisten aineistojen yhdistämistä ekologis-evolutiiviseen mallinnukseen voidaan kehittää edelleen jotta ekologis-evolutiivisia yhteisvaikutuksia sekä niiden yhteyttä lohikantojen tilaan ja elinkykyyn ymmärrettäisiin entistä paremmin.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2870]