Genetic erosion and genotype-environment relationships in the Aphanius fasciatus population from Tarquinia salt-works

Corso di dottorato in Ecologia e gestione delle risorse biologicheLa struttura genetica della popolazione di Aphanius fasciatus delle saline di Tarquinia è stata studiata tramite la tecnica dell’elettroforesi multilocus con un duplice obiettivo: verificare se il cambiamento delle condizioni ambientali della riserva abbia causato una diminuzione della biodiversità a livello genetico nella popolazione del ciprinide, e se l’estrema eterogeneità delle tessere ambientali che costituiscono l’habitat delle saline, influisca sulla struttura genetica dei sub-demi della popolazione. Le saline di Tarquinia sono state dimesse e progressivamente abbandonate alla fine degli anni ’90. Di conseguenza l’habitat, in cui ampie fluttuazioni stagionali delle condizioni ambientali caratterizzano i diversi bacini (profondità, circolazione dell’acqua, salinità, temperatura, ossigeno disciolto), è risultato progressivamente alterato. Questo ha permesso di studiare l’impatto della degradazione dell’habitat sulla biodiversità dell’area, a vari livelli. Ad esempio, studi condotti sulla comunità macrozoobenthonica, hanno fornito indicazioni di una perdita di biodiversità significativa a questo livello. I livelli di variabilità genetica del nono (Aphanius fasciatus) sono stati recentemente suggeriti come promettenti indicatori dello stress antropico in queste aree. Un campione di 342 individui del 2003 è stato quindi confrontato con 102 individui campionati tra il 1995 ed il 1998 (prima che si verificasse il forte declino della biodiversità nella comunità benthonica), analizzando 24 loci enzimatici. I due campioni, distinti dal punto di vista temporale, hanno mostrato differenti livelli di variabilità, con alcuni alleli rari riscontrati nel campione del 1995-98 che risultano scomparsi nel campione del 2003, oltre ad un calo significativo dei livelli di eterozigosi della popolazione. Questo calo è stato confermato da un ampio campionamento condotto in numerosi bacini. L’analisi dei dati suggerisce che l’erosione genetica riscontrata può essere principalmente attribuita a deriva genetica favorita da occasionali diminuzioni nella dimensione effettiva della popolazione, in conseguenza della estremizzazione delle condizioni ambientali. Su altri 705 individui, campionati negli anni 2004 e 2005 in diverse zone dell’impianto, sono stati analizzati 5 loci enzimatici che ad una prima analisi avevano dato indicazione di una possibile relazione tra frequenze alleliche e parametri ambientali (campioni 2003). Le frequenze alleliche sono risultate stabili nella zona nord dell’impianto, in prossimità del canale di afflusso di acqua marina, dove le condizioni ambientali non subiscono repentini cambiamenti; al contrario differenze nelle frequenze alleliche e deviazioni dall’equilibrio di Hardy-Weinberg statisticamente significative si riscontrano tra i diversi campioni raccolti nella zona centrale e nella zona sud dell’impianto. Per spiegare la distribuzione non casuale dei genotipi i dati sono stati analizzati secondo due ipotesi: selezione e habitat choice. Le frequenze alleliche e genotipiche nei loci Gpi3 e Ada sono risultate correlate con i valori di salinità ed ossigeno disciolto rispettivamente. Per questi loci le correlazioni scaturite sembrano indicare una “scelta” attiva dell’habitat da parte degli individui, in relazione al proprio genotipo (habitat choice). Per il locus Ada si è inoltre registrato un aumento significativo della variante allelica correlata con bassi livelli di ossigeno sia in termini temporali, dal 1998 al 2005, che in termini spaziali, dalla zona nord alla zona sud dell’impianto, in accordo con il progressivo peggioramento delle condizioni ambientali della Riserva e con le caratteristiche ecologiche dei diversi bacini. Per questo locus (o per loci a questo legati) è ipotizzabile una pressione selettiva leggera (soft selection) a favore di tale allele in condizioni di anossia, la quale su scale temporali e spaziali ridotte si esprime come distribuzione preferenziale degli individui nei microhabitat a disposizione più confacenti al proprio genotipo (habitat choice).The genetic structure of Aphanius fasciatus population from Tarquinia saltern has been studied by means of allozyme electrophoresis, with a double aim: to verify if the change of the environmental conditions has caused a loss of biodiversity at the genetic level, and if the different microhabitats found in the saltern can play a role in defining a subtle population structure. The saltern of Tarquinia (Northern Latium) was dismissed and progressively abandoned at the end of 90’s. Consequently the peculiar seasonally fluctuating habitat characterising the various ponds, (depth, water circulation, salinity, temperature, oxygen) become progressively altered. This allowed comparing the impact of habitat degradation on the biodiversity at various levels. For example, studies on the macrobenthonic community provided substantial indication of a biodiversity loss. Levels of genetic variability of the killifish Aphanius fasciatus were recently suggested as a promising indicator of anthropogenic stress. Therefore 342 specimens sampled in 2003 have been compared with 102 specimens collected in the years 1995-98 (before the strong biodiversity decline of the macrobenthonic community), analysing 24 loci. Temporally distinct samples showed different levels of genetic variability, with 1995-98 rare alleles disappeared in 2003, and a significant fall in the heterozygosity levels. This loss was confirmed by a wider sampling from many different ponds. Data analysis suggests that genetic erosion can be mainly ascribed to genetic drift, promoted by occasional reductions in effective population size, as a consequence of the alteration in environmental conditions. The analysis of 705 specimens, sampled in the years 2004 - 2005 in various ponds of the saltern, have been analyzed five loci, indicated possible relationships between allelic frequencies and environmental parameters, at a first assessment (2003 sample). Allelic frequencies resulted stable in the northern area of the system, near the channel from whitch the sea-water comes in, where environmental conditions are not under the influence of sudden changes. On the contrary, statistically significant differences in the allelic frequencies and deviations from Hardy-Weinberg equilibrium, have been found in many samples collected in the central and southern ponds. To explain the non-random distribution of the genotypes, the data have been analyzed according to different hypotheses: selection and habitat choice. Genotypic and allelic frequencies at Gpi3 and Ada loci have been found correlated with salinity and oxygen levels, respectively. For these loci the correlation assessed seems to indicate an active choice of the habitat by the individuals, related to their specific genotype (habitat choice). Furthermore, for the locus Ada has also be registered a significant temporal (from 1998 to 2005) and spatial (from north to south) increase of the allele Ada100, correlated to low oxygen levels, in agreement with the environmental deterioration and with the specific characteristics of the ponds. For this locus (or linked ones) it seems to be likely that a soft selection favours this allele in low oxygen conditions. In reduced temporal and spatial scales, the selection action is expressed as a preferential distribution of individuals in the microhabitat which is more fitting its specific genotype