Escaping the genetic costs of a range expansion? : the case of a migratory passerine (Acrocephalus scirpaceus)
| Title: | Escaping the genetic costs of a range expansion? : the case of a migratory passerine (Acrocephalus scirpaceus) |
| Author(s): | Bergman, Nora |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences |
| Degree program: | Master's Programme in Ecology and Evolutionary Biology |
| Specialisation: | no specialization |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2021 |
| Abstract: |
Lukuisten eliölajien levinneisyysalueet ovat siirtyneet kuluneen vuosisadan aikana ympäristönmuutosten seurauksena. Jotta voidaan ennakoida siirtymisen ekologisia vaikutuksia ja suunnitella tehokkaita suojelutoimia, on tärkeää ymmärtää levittäytymisen onnistumiseen vaikuttavia tekijöitä. Uusien alueiden asuttaminen voi vaikuttaa suoraan levittäytymismenestykseen aiheuttamalla geneettisiä muutoksia levittäytyvässä populaatiossa. Toistuvien perustajavaikutusten ja geneettisen ajautumisen odotetaan aiheuttavan esimerkiksi alleelifrekvenssien muuttumista ja geneettisen monimuotoisuuden hupenemista levittäytymisen etenemissuunnassa, etenkin geenivirran ollessa vähäistä. Suhteellisen harvat empiiriset tutkimukset ovat kuitenkaan testanneet näitä oletuksia, ja levittäytymisen vaikutukset varsinkin hyvin liikkuvaisiin lajeihin tunnetaan huonosti.
Tutkielmassani selvitin äskettäisen levittäytymisen geneettisiä vaikutuksia varpuslintuihin kuuluvan rytikerttusen (Acrocephalus scirpaceus) levinneisyyden pohjoisrajalla. Genominlaajuisen RAD (restriction site-associated DNA) -sekvensointiaineiston avulla tutkin, ilmeneekö levittäytyminen äskettäin perustetun populaation geneettisessä rakenteessa tai monimuotoisuudessa. Huolimatta lajin pesimäpaikkauskollisuudesta, reunapopulaatiossa ei havaittu oletettua levittäytymisreittiä vastaavaa populaatiorakennetta. Geneettisen monimuotoisuuden määrä, perustuen nukleotidien monimuotoisuuteen (π), odotettuun heterotsygotia-asteeseen (He) ja privaattialleelien lukumäärään, osoittautui hyvin samansuuruiseksi levinneisyyden reunalla (Suomi) ja ydinalueella (Keski-Eurooppa). Tulokset ovat mitä luultavimmin osoitus runsaasta geenivirrasta sekä reunapopulaatiossa että maantieteellisesti laajemmilla alueilla. Vaikka reuna- ja ydinpopulaatioiden välillä on geneettistä eriytymistä, valtaosa muuntelusta vaikuttaa säilyneen levittäytymisen aikana. Tarkat arviot geneettisen monimuotoisuuden määrästä ovat kuitenkin alustavia sekvensointierien välillä havaitun teknisen eron vuoksi.
Nämä löydökset viittaavat siihen, että riittävän liikkuvaiset lajit voivat välttää levittäytymisen ennustetut geneettiset kustannukset ja ylläpitää runsasta geneettistä muuntelua myös levinneisyysalueensa reunoilla. Tämä tutkielma tarjoaa tärkeän esimerkin siitä, millaisia vaikutuksia levinneisyysalueiden siirtymisellä on odotettavissa liikkuvaisimpiin lajeihin. Se myös korostaa tarvetta tutkia tarkemmin ominaisuuksia, jotka mahdollistavat evolutiivisen potentiaalin säilymisen muuttuvissa elinympäristöissä.
Rapid environmental changes over the last 100 years have led to substantial range shifts across taxonomic groups. Understanding what facilitates successful shifts is important for predicting ecological consequences and planning efficient conservation actions. Interestingly, the very process of range expansion can affect the success of the shift by causing genetic changes in the expanding populations. Theory predicts that without sufficient gene flow, repeated founder events and strong genetic drift can result in allele frequency gradients and loss of genetic diversity along the expansion axis. Empirical studies testing these expectations in environment-driven range shifts are still relatively scarce, and how range expansions affect genetics in highly mobile species remains unclear.
In this study, I investigated the genetic consequences of a recent range expansion in a long-distance migratory passerine, the reed warbler (Acrocephalus scirpaceus). Utilizing genome-wide data from restriction site-associated DNA sequencing (RAD-seq), I studied whether the expansion was reflected in either population structure or genetic diversity of the recently established Finnish range edge population. Despite philopatry and genetic differentiation to the range core populations, principal component analysis (PCA) and a model-based Bayesian clustering approach (fineRADstructure) revealed a lack of spatial population structure along a putative colonization route. Levels of genetic diversity, based on expected heterozygosity, nucleotide diversity, and private allele count, were found to be very similar between range edge (Finland) and range core (Central Europe). The results likely indicate high levels of gene flow both within the new population and across greater spatial distances during or after the range expansion. Due to a detected sequencing batch effect, however, the exact diversity estimates must be considered preliminary.
These findings suggest that species with high enough dispersal propensity may escape the predicted genetic costs of range expansions, retaining high levels of genetic variation at range margins. This study provides valuable insights for understanding range shifts in mobile taxa, and highlights the need to investigate further the traits of species that enable the preservation of evolutionary potential during range shifts.
|
| Keyword(s): | genetic diversity Passeriformes population genomics population structure RAD-seq range expansion |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Bergman_Nora_maisterintutkielma_2021.pdf | 3.901Mb |