Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra zoologie Molekulární fylogeografie lína obecného Tinca tinca (Linnaeus, 1758) Zdeněk Lajbner Disertační práce Školitel: RNDr. Petr Kotlík, Ph.D. ÚŽFG AV ČR, v.v.i., Liběchov Praha 2010 Prohlašuji, že jsem předloženou disertační práci vypracoval samostatně s použitím citované literatury. Dílčí publikace byly zkompletovány společně se jmenovanými spoluautory. Prohlašuji, že jsem nepředložil tuto práci ani žádnou její část k získání jiného nebo stejného akademického titulu. V Praze, 21. prosince 2010 …………..….................... Zdeněk Lajbner Poděkování Na prvním místě děkuji RNDr. Petru Kotlíkovi, Ph.D., z Ústavu živočišné fyziologie a genetiky (ÚŽFG) AV ČR, v.v.i., za trpělivost, kterou se mnou měl již od dob mého magisterského studia a s níž se zhostil i vedení mé práce disertační. Rovněž mu děkuji za všestrannou podporu, jíž se mi z jeho strany dostávalo. Děkuji Prof. Ing. Petru Rábovi, DrSc. a všem kolegům z Laboratoře genetiky ryb ÚŽFG AV ČR, v.v.i., v Liběchově, za vytvoření příjemného pracovního prostředí, trvalý přísun inspirace a cenné rady. V neposlední řadě děkuji spoluautorům publikací i všem dalším lidem, kteří mi během tvorby disertační práce jakkoliv pomohli a to především při shromažďování vzorků línů z celého světa. Velmi rád za trpělivost, s níž tolerovala mé zaneprázdnění, děkuji i mé rodině. Tato práce vznikla za finanční podpory Ministerstva školství mládeže a tělovýchovy České republiky - projekt číslo LC06073 a výzkumných záměrů přidělených Ústavu živočišné fyziologie a genetiky Akademie věd České republiky - projekt číslo AV0Z50450515, Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze - projekt číslo 21620828, Fakultě rybářství a ochrany vod Jihočeské Univerzity v Českých Budějovicích - projekt číslo 6007665809 a Interní grantové agentury ÚŽFG AV ČR v.v.i. - projekty číslo 05/22 a 08/13. Summary The tench Tinca tinca (Linnaeus, 1758) is a valued table fish native to Europe and Asia, but which is now widely distributed in many temperate freshwater regions of the world as the result of human-mediated translocations. Spatial genetic analysis applied to sequence data from four unlinked loci (three nuclear introns and mitochondrial DNA) defined two groups of populations that were little structured geographically but were significantly differentiated from each other, and it identified locations of major genetic breaks, which were concordant across genes and were driven by distributions of two major phylogroups. This pattern most reasonably reflects isolation in two principal glacial refugia and subsequent range expansions, with the Eastern and Western phylogroups remaining largely allopatric throughout the tench range. However, this phylogeographic variation was also present in European cultured breeds studied and some populations at the western edge of the native range contained the Eastern phylogroup. Thus, natural processes have played an important role in structuring tench populations, but human-aided dispersal have also contributed significantly, with the admixed genetic composition of cultured breeds most likely contributing to the introgression. We have then designed novel PCR-RFLP assays of two nuclear-encoded markers and one mitochondrial DNA (mtDNA) marker, which allow a rapid identification of the morphologically undistinguishable Western and Eastern phylogroup and also of three geographical mtDNA clades within the Eastern phylogroup. The method will enable researchers and also fishery practitioners to rapidly distinguish genetically divergent geographical populations of the tench and will be useful for monitoring the introduction and human-mediated spread of the phylogroups in wild populations, for characterization of cultured strains and in breeding experiments. The population genetic test based on analyses of variation at introns of nuclear genes, microsatellites, allozymes and mitochondrial DNA in populations from two postglacial lakes within the contact zone of both phylogroups did not detect robust linkage and Hardy-Weinberg disequilibria that would not be limited to individual loci and would be concordant between populations. This test, based on the expectation that in the presence of strong barriers to reproduction the hybrid populations would show genome-wide associations among alleles and genotypes, supports the hypothesis of free interbreeding between the two phylogroups of tench. Therefore, although the phylogroups may be considered as separate phylogenetic species, the present data suggest that they form a single species under the biological species concepts. Obsah 1. Úvod...............................................................................................................................................6 1.1. Vývoj sladkovodní ichtyofauny..............................................................................................6 1.2. Hybridizace a její evoluční význam........................................................................................9 1.3. Vliv člověka na genetickou strukturu populací.....................................................................10 1.4. Lín obecný Tinca tinca (Linnaeus, 1758) jako modelový druh............................................13 1.5. Cíle práce..............................................................................................................................15 1.6. Seznam použité literatury:....................................................................................................16 2. Publikace......................................................................................................................................26 2.1. Human-aided dispersal has altered but not erased the phylogeography of the tench...........26 2.2. PCR-RFLP assays to distinguish the Western and Eastern phylogroups in wild and cultured tench Tinca tinca. ........................................................................................................................60 2.3. Lack of reproductive isolation between the Western and Eastern phylogroups of the tench. ......................................................................................................................................................65 3. Shrnutí výsledků a jejich význam.................................................................................................78 3.1 Seznam použité literatury:.....................................................................................................80 1. Úvod 1.1. Vývoj sladkovodní ichtyofauny Sladkovodní ichtyofauna, stejně jako veškerá biota, byla v průběhu čtvrtohor silně ovlivněna periodickými změnami klimatu způsobenými zejména Milankovičovými cykly (Dynesius a Jansson 2000). Takto jsou označovány změny oběžné dráhy Země a sklonu zemské osy, které ovlivňují množství slunečního záření dopadajícího na zemský povrch. S příchodem chladných období, kdy se zvětšovala plocha pokrytá kontinentálním ledovcem, populace teplomilných organismů ustupovaly ze severněji položených oblastí, vikariantně se štěpily a nakonec přežívaly pouze v oblastech, kde nalezly vhodné podmínky pro život, tzv. glaciálních refugiích (Hewitt 2004). V teplejších obdobích se tyto druhy opět rozšířily, při čemž docházelo ke kontaktu populací do té doby izolovaných v jednotlivých refugiích, které se tak mohly opět křížit (hybridizovat) (Hofreiter a kol. 2004). Analogicky reagovaly chladnomilné organismy na oteplení (Makhrov a Bolotov 2006; Stewart a kol. 2010). Dlouhodobé oddělení populací může vyvolat tzv. alopatrickou speciaci (Mayr 1963). V případě alopatrické speciace dochází ke vzniku reprodukčně izolačních mechanismů obvykle pomaleji, než v případě speciace sympatrické (např. McCune a Lovejoy 1998; Noor 1999; Turelli a kol. 2001; Matute 2010). Jsou-li proto odstraněny migrační bariéry, původně oddělené populace často hybridizují, což v případě absence silných reprodukčních bariér může vést ke genetické homogenizaci (Olden a kol. 2004). Hybridizace je u organismů s vnějším oplozením, jako jsou ryby, běžná a to i u druhů, které byly izolovány po stovky tisíc i několik milionů let (Hubbs 1955; Schwartz 1981; Lajbner a kol. 2009). Hybridizace a z ní plynoucí introgredované populace však mohou zůstat geograficky omezené na nově osídlený areál a s příchodem další klimatické změny vyhynout, aniž by geneticky ovlivnily populace refugiální a narušily tak jejich evoluční divergenci (Hofreiter a kol. 2004). Nejrůznější studie dokládají, že klimatické změny provázející konec posledního glaciálu byly (v geologickém měřítku) poměrně rychlé (Kasse a kol. 2005; Steffensen a kol. 2008). Tání ledovců způsobilo nejen zvednutí hladin oceánů a oddělení např. Britských ostrovů od pevniny, ale třeba i naplnění Baltského moře, či zvětšení a propojení Černého moře s Kaspickým a Středozemním (Chepalyga 2007). Počátek Holocénu tak možná zaznamenali i starověcí kronikáři jako onu „biblickou potopu“ (Ryan a kol. 1997). Slábnoucí tlak ledovců na zemské podloží rovněž spustil geologické procesy, v jejichž důsledku se některé oblasti nestejnoměrně zdvihaly, což v některých oblastech probíhá dodnes (Peltier 2004). Docházelo k výrazným změnám v říčních sítích, spojování a rozdělování povodí a ke vzniku jezer. Na rozdíl od dob ledových, které se mj. projevují aridizací klimatu, byla postglaciální Holarktická krajina náhle plná 6 kapalné vody a ryby i další sladkovodní organismy mohly do různé míry rozšiřovat své areály, přičemž svoji roli hrály výchozí „startovní pozice“ jednotlivých druhů