Project
Ecologie en Evolutie van Vissen in de Zuidelijke Oceaan – Een multidimensionele moleculaire benadering
Antarctica en de omliggende Zuidelijke Oceaan (ZO) bevatten delicate en unieke ecosystemen, gekenmerkt door een koud klimaat, een seizoensgebonden fotoperiode, afgelegen locatie en een unieke visfauna. In vergelijking met andere oceanen vertoont de Zuidelijke Oceaan een lage soortenrijkdom. Desondanks wordt de Zuidelijke Oceaan nog steeds gekenmerkt als een evolutionaire hotspot. De adaptieve radiatie van de notothenioïden, de overheersende clade van vissen in de Zuidelijke Oceaan, is geëvolueerd van een gemeenschappelijke benthische voorouder zonder zwemblaas. Tijdens hun herhaalde diversificatie in de pelagische omgeving ontwikkelden ze unieke aanpassingen, zoals antivriesglycoproteïnen (AFGP), verminderde verbening of zelfs het verlies van hemoglobine. Vanwege hun snelle diversificatie en hun ecologische en morfologische diversiteit vormen deze vissen een uniek studiesysteem om vragen te beantwoorden op het raakvlak tussen ecologie en evolutie. Hier hebben we DNA-metabarcodering gebruikt om de prooi- en microbioomsamenstelling te beoordelen, evenals restrictieplaats-geassocieerde DNA-sequenties om de genomische divergentie van deze vissen te beoordelen.
Vanwege de waarde en de beperkte beschikbaarheid van monsters uit de Zuidelijke Oceaan werd optimalisatie van methoden uitgevoerd met minder waardevolle monsters. Daarom werden DNA-metabarcoderingstechnieken geoptimaliseerd met behulp van Noordzeeschol (Pleuronectesplatessa) uit verschillende locaties van de Noordzee en het Oost-Engelse Kanaal. Een fragment van 313 bp van de cytochroom c oxidase subeenheid I (COI) werd geamplificeerd en de sequentie werd bepaald voor identificatie van prooisoorten in de maag, en een 450 bp gebied van het 16S rRNA-gen om microbioomsamenstelling in het darmsysteem te onderzoeken. We ontdekten een grote homogeniteit en alleen subtiele verschillen in de samenstelling van prooien en microbiomen. We waren grotendeels in staat om eerder bekende prooidieren te identificeren die werden geïdentificeerd door visuele beoordeling van de maag.
Referentiegegevens zijn vaak moeilijk te verkrijgen, vooral voor afgelegen plaatsen en processen die een eeuw of langer kunnen duren. Hier vergeleken we de microbioomsamenstelling van leden van het geslacht Trematomus in een historische en hedendaagse context, met behulp van monsters die zijn opgeslagen in natuurhistorische musea (NHM's) en van huidige wetenschappelijke expedities. Helaas worden NHM-monsters vaak bewaard in formaline, wat het DNA beïnvloedt en genetische studies bemoeilijkt vanwege chemische reacties. De verwerking van NHM-monsters werd gekenmerkt door grote uitval, maar ondanks dit konden we betrouwbare gegevens over de microbioomsamenstelling (16S rRNA) verkrijgen uit 26 historische monsters. Deze gegevens toonden een correlatie tussen verandering van microbioomsamenstelling en grootte van de vis en vangstjaar, wat wijst op een microbioomverschuiving tijdens de ontogenie en tussen monsters uit verschillende decennia. Een vergelijking met hedendaagse monsters gaf aan dat het darmmicrobioom van Trematomus in de afgelopen eeuw drastisch is veranderd.
Ondanks enorme inspanningen om inzicht te krijgen in de prooi- en microbioomsamenstelling van vissen in de ZO, is gedetailleerde kennis nog steeds schaars. Hier hebben we de prooi en microbioomsamenstelling van een breed scala aan notothenioïde vissen beoordeeld. We ontdekten 79 eerder onbekende prooi-itemklassen, meestal taxa bestaande uit dieren van zacht weefsel of grotere dieren, die niet in hun geheel werden ingenomen. De prooi- en microbioomsamenstelling waren sterk gecorreleerd, wat wijst op een sterk verband tussen het dieet en het bijbehorende microbioomsamenstelling. Ten slotte werden voedings- en microbioomsamenstellingen het best voorspeld door fylogenetische afstand voor benthische notothenioïden, wat wijst op sterkere nis-segregaties, terwijl niet-benthische soorten mogelijk nog steeds uiteenlopen of secundair overlappen.
Ten slotte hebben we de genomische divergentie van twee soorten van het geslacht Trematomus beoordeeld met behulp van restrictieplaats-geassocieerde DNA-sequentiebepaling. Trematomus eulepidotus en T. loennbergii zijn recent uiteengelopen en vertonen een vergelijkbare levensgeschiedenis, maar bewonen verschillende niches. Interspecifieke analyse tussen T. eulepidotus en T. loennbergii onthulde diffuse soortengrenzen. Hybridisatie, historische of hedendaagse introgressie, onduidelijke lijnsortering of zelfs onvolledige soortvorming kunnen allemaal belangrijke factoren zijn die bijdragen aan het vervagen van de taxonomische grenzen. Intraspecifieke analyse onthulde duidelijk een vorming van subpopulaties. Hoewel de drijfveren voor het creëren van dergelijke subpopulaties onduidelijk blijven voor T. loennbergii, blijken habitatverschillen voor T. eulepidotus de belangrijkste drijfveer te zijn.
In dit doctoraat presenteren we belangrijke inzichten in de ecologie en de evolutie van vissen in de Zuidelijke Oceaan met een speciale interesse van het geslacht Trematomus. Naast het bieden van nieuwe kennis over het trofische voedselweb in de Zuidelijke Oceaan en het gastro-intestinale microbioom van ZO-vissen, zowel in een historische als in een hedendaagse context, benadrukken we het potentieel van metabarcodingstudies om parallelle evolutionaire en conservatiebiologische vragen te beantwoorden. We presenteren nieuwe evolutionaire inzichten met betrekking tot de diversificatie van twee leden van het geslacht Trematomus. Bevindingen uit dit proefschrift hebben belangrijke implicaties bij het overwegen van de ecologie van de teleostfauna, vooral met betrekking tot scenario's van klimaatverandering in het verleden en de toekomst.