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Genetic Analysis of a Population of Atlantic salmon (Salmo salar, L.)in the Rhine System

Papa, Laura

German Title: Genetische Analyse von einer Atlantische Lachs Population (Salmo salar, L.) im Rhein-System

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Abstract

The present study was developed under the guidelines of a regional project to support the management of the anadromous salmonids in the Rhine, particularly the reintroduction of the Atlantic salmon (Salmo salar, L.) The main aim was to assign the salmons ascending to the Iffezheim lock to salmons used for reintroduction in the Rhine. It was analysed if such an assignment was reasonably possible. Furthermore, we wanted to find out if an established Rhine population already exists. The Ph.D. study started in April 2005 and was supported by voluntary field workers who sampled and checked the fish ladder at Iffezheim (Landesfischereiverband Baden). Genotypes, based on the analysis of polymorphic microsatellite loci, of the sampled year-classes from 2002 to 2005 inclusive, have been analyzed, and referenced to suitable outgroup populations. An overall amount of 180 salmon samples have been analyzed (65 from Rhine/Germany, 22 from Burrishoole/Ireland, 50 from Allier/France, 28 from Ätran/Sweden and 15 from Lagan/Sweden). An allozyme analysis was performed in order to identify individuals which eventually were misidentified during the sampling with brown trout or hybrids from the two species. 11 fishes out of the 304 analyzed turned out to be misidentified trouts given as salmons. Microsatellites genotyping involved sixteen primers, two STR (Short Tandem Repeat) amplified for two loci, and nine loci (SSOSL85, SSOSL311, STR15, Ssa171, Ssa402*, Ssa402**, Ssa408, Ssa202 and Ssa411). Genetic similarities have been evaluated by means of population genetics and forensic assignment statistics of individuals. Analysed individuals were all in HWE (Hardy-Weinberg Equilibrium). Heterozygosity ranged from 0.60 to 0.79. Analysis of allele frequencies revealed a heterozygotes deficiency and a significant genetic drift. A Whalund effect was supposed to lie behind this homozygote excess. By the bottleneck analysis no evidence of recent reduction in population size has been observed in the Rhine subpopulation according to TPM (two-phase model) and SMM (stepwise mutation model). The assignment tests showed that the Rhine subpopulation shares only a small fraction of alleles with the hatchery populations. Swedish genotypes seemed to be the most representative. Swedish individuals showed the best adaptation and reproductive success with high rates of returning individuals. Total of 118 private alleles have been found, the majority of them with a frequency equal or below 0.06. A high rate of private alleles have been found among the Rhine individuals that could be used as genetic markers in order to identify individuals of this cohort and eventually select them for a proper stocking program. The genetic differentiation analysis showed that the Rhine subpopulations cluster together with a significant distance among the other subpopulations (Fst ranged from 0.079 of BUR to 0.051 of Allwild and Lagan and from 0.035 to 0.012 within Rhine subpopulations). According to the results obtained by the neighbour-joining and the UPGMA analysis, both based on genetic distance, 4 main groups were clearly defined: 1.Rhine individuals, divided per sampled year (from 2002 to 2005); 2.Swedish individuals from hatcheries (Ätran/Lagan); 3.French individuals from hatcheries (Allhatc/Allwild); 4.Irish individuals from hatcheries (BUR). Rhine individuals clustered together with a significant bootstrap value. Swedish and French individuals clustered together following, as expected, their geographical origins. Irish individuals were considered as the outgroup. Swedish individuals showed the highest degree of genetic similarity to the ones of the Rhine, French and Irish individuals showed the lowest. According to an analysis of scale patterns, Rhine individuals apparently migrate to the sea after at least two years spent in the freshwater and come back to the spawning place after one or two years (called 1 or 2 winters returning, respectively). A few individuals coming back after more than two years (called multi winter returning) have been observed, but rarely. Some useful conclusion can be derived from the results of this study: i) a local adapted Rhine subpopulation should be considered in further projects, ii) stocking and reintroduction of individuals of this local subpopulation, besides the already existing programs, is desirable. iii) Swedish individuals (Lagan/Ätran) should be preferred for stocking programs instead of French and Irish individuals. iv) Conservation programs as “Lachs 2020” are fundamental in order to maintain the Rhine Atlantic salmon populations and to continue with the habitat restoration in order to create more suitable spawning places.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Promotionsarbeit wurde im Rahmen der Richtlinien eines regionalen Projektes entwickelt, welches sich mit dem Wanderlachs bzw. der Wiederansiedlung des Atlantischen Lachs (Salmo salar, L.) im Rhein beschäftigt. Die zentrale Frage war, ob es bei den in der Schleuse Iffezheim gefangenen Lachse um Fische handelt, die zur Wiederansiedlung eingesetzt wurden oder ob es im Rhein bereits eine eigene Subpopulation des Lachses gibt. Die Promotionsarbeit begann im April 2005; die Probennahme wurde von Freiwilligen vor Ort durchgeführt (Landesfischereiverband Baden), welche an der Fischtreppe in Iffezheim Fische markierten und kontrollierten. An den beprobten Lachsen wurden eine Genotypisierung mittels Mikrosatelliten-Analyse durchgeführt. Mittels 9 polymorphen Mikrosatelliten-Loci wurden die erfassten Bestände der Jahrgänge 2002 bis 2005 analysiert und verschiedenen Populationen zugeordnet. Insgesamt wurden 180 Lachse erfasst und analysiert (65 aus dem Rhein/Deutschland, 22 aus Burrishoole/Irland, 50 aus Allier/Frankreich, 28 aus Ätran/Schweden und 15 aus Lagan/Schweden). Ein Allozym-Analyse wurde verwendet, um eventuell falsche Art-Zuordnungen zu braunen Forellen oder Hybriden der beiden Arten erkennen zu können. Insgesamt 11 der 304 beprobten Fische konnten so als Forellen identifiziert werden. Bei der Markierung mit Mikrosatelliten wurden sechzehn Primer, zwei STR (Short Tandem Repeat) verstärkt für zwei Loci, und neun Loci verwendet (SSOSL85, SSOSL311, STR15, Ssa171, Ssa402*, Ssa402*, Ssa202 und Ssa411). Genetische Ähnlichkeiten wurden anhand der vorhandenen genetischen und forensischen Programme evaluiert. Die Genotypen der analysierten Fische waren allesamt HWE (Hardy-Weinberg Equilibrium). Die Heterozygotie lag zwischen 0,60 und 0,79. Die Analyse der Allel-Frequenz ergab einen Mangel an Heterozygotie. Ein Whalund-Effekt wurde als Grund für den Mangel an Heterozygotie vermutet. Bei einer Bottleneck-Analyse mit TPM (two-phase model) und SMM (stepwise mutation model) konnten keinerlei Anhaltspunkte für eine Bestandsverringerung der Subpopulation im Rhein gefunden werden. Insgesamt wurden 118 Allele festgestellt, die meisten mit einer Frequenz gleich oder niedriger als 0,06. Eine hohe Anzahl an privaten Allelen wurde im Rhein nachgewiesen. Diese können als genetische Marker verwendet werden, um Einzelfische in einem Schwarm zu identifizieren oder für ein Züchtungsprogramm zu verwenden. Die genetische Unterscheidungsanalyse zeigte, dass die im Rhein lebenden Subpopulationen sich sehr von anderen Subpopulationen unterscheiden (Fst variierte von 0,079 BUR bis 0,051 zu den Allwild- und Lagan-Beständen und von 0,035 bis 0,012 zu den Rhein-Subpopulationen). Ein Zuordnungstest mit STRUCTURE belegte, dass die Subpopulation im Rhein nur geringe Übereinstimmungen mit den Allelen der ausgesetzten Fische aufweist und dass die Rheinlachse im wesentlichen Allele der schwedischen Population besitzen. Schwedische Fische verfügten offenbar über die beste Anpassung, eine erfolgreiche Fortpflanzung sowie eine hohe Anzahl an Rückkehrern. Nach den Ergebnissen der Distanzmethoden Neighbour-joining und die UPGMA-Analyse, konnten 4 Hauptgruppen klar definiert werden: 1.Rheinfische, unterteilt in die erfassten Jahrgänge von 2002 bis 2005; 2.Schwedische Fische aus der Aufzucht Ätran / Lagan; 3.Französische Fische aus der Aufzucht Allhatc/Allwild; 4.Irische Fische aus der Aufzucht BUR. Rheinfische wiesen einen signifikanten Bootstrap-Wert auf. Schwedische Lachse zeigten den höchsten Grad an genetischer Ähnlichkeit mit den Rheinlachsen; die französischen und irischen Fische wiesen die niedrigste Ähnlichkeit auf. Aus der Schuppenanalyse ergab sich, dass die Rheinfische nach spätestens zwei Jahren vom Rhein ins Meer ziehen und nach weiteren 1-2 Jahren zu ihren Laichplätzen zurückkehren. Rheinfische wiesen ein Verhalten auf, nach dem sie generell nach ein bis zwei Wintern aus dem Meer zurückkehren. Einige hilfreiche Schlußfolgerungen können aus dieser Studie gezogen werden: i) bei zukünftigen Projekten sollten auch lokale Subpopulationen im Rhein in Betracht gezogen werden; ii) eine Züchtung bzw. Wiederansiedelung von Fischen dieser lokalen Subpopulationen zusätzlich zu den bereits bestehenden Programmen ist wünschenswert; iii) Züchtungen sollten mit schwedischen (Lagan/Ätran) und nicht mit französischen oder irischen Fischen erfolgen; iv) Programme zur Bestandserhaltung, wie das Programm „Lachs 2020“, sind grundlegend für das Überleben des Atlantischen Lachs im Rhein ebenso wie die Bewahrung oder Wiederherstellung des Habitat, um mehr geeignete Laichplätze zu schaffen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wink, Prof.Dr. Michael
Date of thesis defense: 18. September 2009
Date Deposited: 25. Sep 2009 09:19
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 590 Zoological sciences
Uncontrolled Keywords: Atlantischen Lachs, Salmo salar, Population genetische, Allozym-Analyse, Mikrosatelliten, Schuppen AnalyseAtlantic salmon, Salmo salar, genetic population, Allozyme analysis, Microsatellite, Scales analysis
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