Meereslandschaftsgenetik der Kälte
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um künftige Reaktionen von Populationen auf den Klimawandel vorhersagen zu können, ist es wichtig zu verstehen, wie Populationen durch Genfluss miteinander verbunden sind. Bisweilen ist insbesondere im marinen Bereich wenig über die Faktoren bekannt, die sich auf die genetische Konnektivität auswirken. Wie solche Unterwasserlandschaften, gezeichnet durch Meeresgrundbeschaffenheit und -Strömungen, die genetische Variation beeinflussen wird unter dem Begriff Meeresgenetik erforscht und ist richtungsweisend für unser Verständnis, wie die marine Biodiversität auf den Klimawandel reagiert. Mit diesem Projekt sollen diesbezüglich Faktoren zur Populationsstruktur einer in der Antarktis verbreiteten Muschel untersucht werden. Margarella antarctica verteilt sich überwiegend durch Kriechen auf dem Meeresgrund, weshalb Substrat und Beschaffenheit des Meeresbodens, sowie die Meeresströmung, durch die Verteilung von Eimassen, die an Driftmaterial kleben wichtigen Einfluss auf die Populationsstruktur ausüben. Um diese Faktoren zu untersuchen haben wir 685 Proben an 33447 Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) genotypisiert, die sich hierarchisch über vier räumliche Skalen erstrecken. Auf kleinem Raum waren Signaturen von Populationsstrukturen erwartungsgemäß schwächer, aber dennoch auch schon bei Populationen, die weniger als 500m auseinander lagen genetisch signifikant differenzierbar. Durch steiniges Substrat getrennte Populationen, waren hierbei schwächer differenziert als solche, die durch andere Barrieren wie Gletscher, die Tiefsee oder weiches Substrat getrennt waren. Innerhalb und zwischen verschiedenen Populationen konnten wir Verwandte zweiten und dritten Grades identifizieren und somit auf direkte Ausbreitungsevents sogar derer Populationen schließen, die Hypothesen zu folge vom Genfluss getrennt waren. In zwei verschiedenen Jahren (1999 und 2015) haben wir darüber hinaus in einem ähnlichen Versuchsdesign die sesshaft-laichende Muschelart Nacella concinna in zwei Gebieten genotypisiert und dabei ein überzeugendes Beispiel für chaotisch genetische Uneinheitlichkeit (CGP) gefunden. CGPs sind zeitlich instabile Signaturen genetischer Differenzierung, die noch auf Ebenen unterhalb der effektiven Verbreitung auftreten. Durch Simulationen der zukünftigen Populationsstruktur von N. nacella anhand genomischer- und Treibbojendaten konnten wir als erste nachweisen, dass die CGP am wahrscheinlichsten durch die kollektive Ausbreitung der Larven in Verbindung mit „sweepstake“-Reproduktionsevents auftreten, bei der lokal starke genetische Drifts entstehen können. Durch die Anwendung genomischer Ansätze in Kombination mit zwei einzigarten und zeitlich reproduzierbaren Stichprobenansätzen konnten wir detaillierte Einblicke in die Ausbildung mariner Populationsstrukturen zweier Muschelarten gewinnen. Die Ergebnisse unserer Arbeit implizieren hierbei wichtige Auswirkungen auf die Vorhersage, wie polare Marineorganismen Klimawandeln bewältigen können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Life in the intertidal: Cellular responses, methylation and epigenetics. Functional Ecology, 32(8), 1982-1994.
Clark, Melody S.; Thorne, Michael A. S.; King, Michelle; Hipperson, Helen; Hoffman, Joseph I. & Peck, Lloyd S.
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Lack of long-term acclimation in Antarctic encrusting species suggests vulnerability to warming. Nature Communications, 10(1).
Clark, Melody S.; Villota, Nieva Leyre; Hoffman, Joseph I.; Davies, Andrew J.; Trivedi, Urmi H.; Turner, Frances; Ashton, Gail V. & Peck, Lloyd S.
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Deciphering mollusc shell production: the roles of genetic mechanisms through to ecology, aquaculture and biomimetics. Biological Reviews, 95(6), 1812-1837.
Clark, Melody S.; Peck, Lloyd S.; Arivalagan, Jaison; Backeljau, Thierry; Berland, Sophie; Cardoso, Joao C. R.; Caurcel, Carlos; Chapelle, Gauthier; De Noia, Michele; Dupont, Sam; Gharbi, Karim; Hoffman, Joseph I.; Last, Kim S.; Marie, Arul; Melzner, Frank; Michalek, Kati; Morris, James; Power, Deborah M.; Ramesh, Kirti ... & Harper, Elizabeth M.
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Sweepstake reproductive success and collective dispersal produce chaotic genetic patchiness in a broadcast spawner. Science Advances, 7(37).
Vendrami, David L. J.; Peck, Lloyd S.; Clark, Melody S.; Eldon, Bjarki; Meredith, Michael & Hoffman, Joseph I.
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Editorial: Polar Genomics in a Changing World. Genes, 14(7), 1395.
Hoffman, Joseph Ivan; Heesch, Svenja & Clark, Melody Susan
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Multi-omics for studying and understanding polar life. Nature Communications, 14(1).
Clark, M. S.; Hoffman, J. I.; Peck, L. S.; Bargelloni, L.; Gande, D.; Havermans, C.; Meyer, B.; Patarnello, T.; Phillips, T.; Stoof-Leichsenring, K. R.; Vendrami, D. L. J.; Beck, A.; Collins, G.; Friedrich, M. W.; Halanych, K. M.; Masello, J. F.; Nagel, R.; Norén, K.; Printzen, C. ... & Mock, T.
