Autoreferat. Genetyczne podstawy restytucji populacji szczupaka, sandacza i zostery morskiej w Zatoce Puckiej

Transkrypt

1 Autoreferat Genetyczne podstawy restytucji populacji szczupaka, sandacza i zostery morskiej w Zatoce Puckiej mgr Magdalena (Gonciarz) Płecha Instytut Genetyki i Biotechnologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski Promotor: Prof. dr. hab. Piotr Węgleński Centrum Nowych Technologii, Uniwersytet Warszawski Promotor pomocniczy: dr hab. Anna Stanković Recenzenci: Prof. dr hab. Emilia Brzosko Zakład Ekologii Roślin, Instytut Biologii, Uniwersytet w Białymstoku Prof. dr hab. Jacek Wolnicki Instytut Rybactwa Śródlądowego im. St. Sakowicza w Olsztynie, Zakład Rybactwa Stawowego w Żabiencu Zatoka Pucka stanowi siedlisko dla wielu gatunków ryb słonawowodnych i migrujących, w tym gatunków o dużym znaczeniu gospodarczym. Począwszy od lat 70-tych XX wieku, warunki środowiskowe w Zatoce Puckiej ulegały stopniowemu pogarszaniu, co spowodowało zmiany w zespołach żyjących tam organizmów zwierzęcych i roślinnych. Szczupak (Esox lucius) i sandacz (Sander lucioperca), dominujące gatunki ryb drapieżnych, zostały zastąpione gatunkami należącymi do rzędu ciernikokształtnych (Gasterosteiformes) i babkowatych (Gobiidae), określanych mianem ryb chwastów. Populacja szczupaka uległa całkowitemu zanikowi, a populacja sandacza silnej redukcji. Jednym z powodów była dewastacja łąk podwodnych w następstwie pozyskiwania roślinności wodnej do produkcji agaru. Łąki podwodne stanowią główne miejsca tarła oraz schronienia i żerowania młodych osobników ryb, a ich kluczowym makrofitem w Zatoce Puckiej jest zostera morska (Zostera marina).

2 Pogarszający się stan ekosystemu Zatoki Puckiej spowodował zaniepokojenie lokalnych środowisk ekologów i rybaków, a także władz samorządowych. W 2010 roku podjęto decyzję o rozpoczęciu programu kompleksowej restytucji ekosystemu Zatoki Puckiej Restytucja kluczowych elementów ekosystemu Zatoki Puckiej wewnętrznej - ZOSTERA. W projekcie tym przewidziano odbudowę populacji szczupaka oraz sandacza, a w celu zwiększenia szansy odtworzenia populacji tych cennych gatunków, również restytucję populacji zostery morskiej. Podstawowym warunkiem powodzenia tego rodzaju projektów jest wykonanie analiz genetycznych, których wyniki pozwoliłyby na ustalenie poziomu zmienności genetycznej odnawianych populacji oraz identyfikację naturalnych populacji ryb, które stanowić mogłyby źródło osobników do stad tarłowych. Niniejsza praca jest odpowiedzią na oczekiwania samorządów miejscowości położonych nad Zatoką Pucką i środowisk rybackich tego rejonu, istotnie zainteresowanych restytucją populacji ważnych gospodarczo ryb i przywrócenia równowagi ekosystemu Zatoki. W ramach pracy, korzystając z materiałów archiwalnych (łuski ryb), zbadano polimorfizm genetyczny populacji szczupaka występującej w Zatoce Puckiej w okresie poprzedzającym wyginięcie tej populacji. Następnie przeprowadzono analizy mające na celu wytypowanie najbliższej genetycznie populacji szczupaka, która mogłaby stanowić źródło materiału zarybieniowego. Pod tym samym kątem prowadzono analizy genetyczne ginącej populacji sandacza. Postanowiono też przeprowadzić analizy genetyczne populacji zostery morskiej, której łąki podwodne są miejscem składania ikry przez tarlaki obu badanych gatunków i zapewniają odpowiednie warunki środowiskowe dla rozwoju młodych osobników ryb. W badaniach wykorzystano trzy rodzaje markerów molekularnych. Dla każdego z badanych gatunków, szczupaka, sandacza i zostery morskiej opracowano po dwa zestawy multipleksowe loci mikrosatelitarnych (msdna). Przeprowadzono też analizy zmienności mitochondrialnego DNA (mtdna) szczupaka oraz markerów AFLP zostery morskiej. Zbadano polimorfizm i zróżnicowanie genetyczne archiwalnej populacji szczupaka z Zatoki Puckiej ( ) oraz 15 innych populacji współczesnych tego gatunku. Stwierdzono, że większość populacji szczupaka charakteryzuje się umiarkowanym poziomem polimorfizmu. Najbardziej polimorficzna okazała się wymarła obecnie populacja z Zatoki Puckiej. Na podstawie analiz wytypowano najbliższą genetycznie, obecnie żyjącą populację szczupaka, która stanowiła źródło osobników do stad tarłowych. Jest to populacja z ujścia rzeki Motławy. Ukazana struktura genetyczna współczesnych populacji szczupaka, występujących w wodach słodkich i słonawych Polski oraz Niemiec, wskazuje na brak dużego zróżnicowania

3 między populacjami obu środowisk. Uzyskany obraz struktury genetycznej może być następstwem wpływu niekontrolowanej dotąd gospodarki zarybieniowej, która doprowadziła w większości przypadków do utracenia lokalnej zmienności genetycznej. Innym powodem może być także względnie nieduże zróżnicowanie genetyczne populacji szczupaka w Europie. Przedstawione wyniki będą miały znaczenie w planach zarządzania zasobami naturalnymi tego gatunku w Polsce. Na podstawie analizy zmienności sekwencji fragmentu regionu kontrolnego mtdna szczupaka, obejmującej zarówno populacje, dla których posiadano własne dane o polimorfizmie markerów msdna, jak i dane literaturowe dotyczące innych populacji europejskich, stwierdzono obecność dwóch dominujących haplotypów oraz brak wyraźnej struktury filogeograficznej populacji szczupaka w Europie. Analiza ta potwierdziła niewielkie zróżnicowanie genetyczne europejskich populacji tego gatunku. Na podstawie analizy 12 loci msdna zbadano polimorfizm i zróżnicowanie genetyczne populacji sandacza z Zatoki Puckiej, a także 16 innych słonawo- i słodkowodnych współczesnych populacji tego gatunku oraz ukazano ich strukturę genetyczną. Populacje te charakteryzują się niskim poziomem polimorfizmu, z największą jego wartością uzyskaną w przypadku resztkowej populacji Zatoki Puckiej. Stwierdzono również, że pierwotnie wytypowane populacje z Wisły Śmiałej oraz Martwej nie będą stanowiły odpowiedniego źródła osobników do stad tarłowych, tworzonych w celu wsparcia szczątkowej populacji naturalnej Zatoki Puckiej, pomimo że są to populacje z nią geograficznie sąsiadujące. Najbliższymi genetycznie populacjami okazały się występujące w jeziorach Resku Przymorskim i Jamnie oraz Zalewie Wiślanym (część wschodnia). Najwyższy w grupie badanych populacji polimorfizm genetyczny oraz wartość efektywnej wielkości populacji naturalnej sandacza z Zatoki Puckiej (NE = 61,5) wskazują, że jej osobniki charakteryzują się wystarczającym potencjałem adaptacyjnym, aby w przyszłości mieć szanse na samoodtwarzanie swojej liczebności, jeśli zadba się o ochronę i odbudowę ich naturalnych tarlisk. Zatem zarybienia powinno się prowadzić w oparciu o materiał lokalny lub, jeśli będzie to konieczne, pozyskiwać osobniki do stad tarłowych z wytypowanych na podstawie analiz genetycznych w/w populacji. Ukazana struktura genetyczna współczesnych populacji sandacza, występujących w wodach słodkich i słonawych Polski oraz Niemiec, wskazuje na brak dużego zróżnicowania między populacjami obu środowisk. Może to wskazywać, podobnie jak w przypadku populacji szczupaka, na utracenie różnorodności genetycznej przez naturalne populacje sandacza w Polsce w wyniku wieloletnich, niekontrolowanych praktyk zarybieniowych. Zaobserwowano jednak, że populacje z Zalewów Szczecińskiego oraz

4 Wiślanego charakteryzują się strukturą wewnętrzną, która najprawdopodobniej związana jest z biologią sandacza. W ramach niniejszej pracy wykonano analizy genetyczne materiału hodowlanego wykorzystywanego obecnie do zarybień oraz analizy genetyczne odnawianej populacji szczupaka i sandacza z Zatoki Puckiej. Analiza stad tarłowych szczupaka, pozyskanych młodych osobników ryb oraz populacji odnawianej Zatoki Puckiej ( ) wykazała, że polimorfizm genetyczny tej populacji został zachowany na odpowiednim poziomie, a efektywna wielkość populacji jest wystarczająca, aby jej osobniki zachowały potencjał adaptacyjny (NE = 99). Stwierdzono również, że zróżnicowanie genetyczne tarlaków i populacji odnawianej jest niewielkie, co świadczy o prawidłowym prowadzeniu hodowli szczupaka. Uzyskane wyniki wskazują, że różnorodność genetyczna odnawianej w latach populacji szczupaka wzrasta w porównaniu do populacji, żyjącej tam w latach Ma ona prawdopodobnie szanse na utworzenie stabilnej populacji, jeśli zadba się o ochronę i odbudowę jej naturalnych tarlisk. Analiza stad tarłowych sandacza, wywodzących się z osobników populacji Wisły Śmiałej oraz Martwej i pozyskanych młodych osobników ryb pokazała, że hodowla a także sztuczne tarło sandacza nie powiodły się. Stwierdzono, że zróżnicowanie genetyczne, jakie obserwuje się między osobnikami z populacji szczątkowej i tarlakami z poszczególnych lat może być zbyt duże, aby w sposób prawidłowy odbudować populację sandacza w Zatoce Puckiej. Także struktura genetyczna stad tarłowych sandacza, pozyskanych młodych osobników ryb i odnawianej populacji Zatoki Puckiej wskazuje na ich odmienność genetyczną. Powodem tego mógł być nieprawidłowy dobór i zbyt mała liczba osobników wykorzystanych do sztucznego tarła. Powodzenie restytucji szczupaka i sandacza w dużej mierze będzie zależało od odbudowy i ochrony naturalnych tarlisk, jakimi są podwodne łąki zostery morskiej. Dlatego też przeprowadzono analizy genetyczne populacji zostery morskiej z Zatoki Puckiej oraz dwóch sąsiadujących z nią populacji z zachodniego (Zatoka Greifswaldzka, Niemcy) i południowo - wschodniego (Zatoka Küdema, Estonia) Bałtyku, których charakterystyka genetyczna nie była znana, a które mogłyby stanowić potencjalne źródło materiału do nasadzeń. W celu prawidłowej interpretacji zmienności genetycznej, określono także ich strukturę klonalną. Zostera morska jest rośliną, która rozmnaża się zarówno wegetatywnie jak też generatywnie. Wiadomo, że klonalność może obniżyć poziom różnorodności genetycznej, ponieważ wiele wyników badań dokumentuje wpływ klonalności na poziom zmienności genetycznej. Stwierdzono, że populacja z Zatoki Küdema składa się wyłącznie z osobników

5 o różnym genotypie. W populacjach z Zatok Greifswaldzkiej i Puckiej, wśród 23 badanych osobników, zidentyfikowano odpowiednio osiem i 20 unikalnych genotypów. Stwierdzono, że populacje te są zróżnicowane zarówno, gdy analizowano zmienność loci msdna jak też markerów AFLP. Populacja z Zatoki Puckiej charakteryzowała się umiarkowanym poziomem różnorodności genetycznej. Zmienność ta jest wystarczająca, by odbudowę populacji zostery oprzeć na materiale lokalnym. Jeżeli istniałaby konieczność użycia materiału spoza Zatoki Puckiej, to wówczas populacja z Zatoki Küdema stanowi potencjalne źródło osobników do nasadzeń. Charakteryzuje się ona, bowiem dużym polimorfizmem genetycznym oraz jej zróżnicowanie w stosunku do populacji z Zatoki Puckiej jest mniejsze aniżeli Zatoki Greifswaldzkiej. Przedstawione w tej pracy wyniki zostały przekazane ośrodkom odpowiedzialnym za restytucję ekosystemu Zatoki Puckiej i powinny pomóc w realizacji działań ochronnych planowanych na najbliższe lata.