Authors:	Theißinger-Theobald, Kathrin
Title:	Comparative phylogeography of two co-distributed arctic-alpine freshwater insect species in Europe
Online publication date:	12-Sep-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	The distribution pattern of European arctic-alpine disjunct species is of growing interest among biogeographers due to the arising variety of inferred demographic histories. In this thesis I used the co-distributed mayfly Ameletus inopinatus and the stonefly Arcynopteryx compacta as model species to investigate the European Pleistocene and Holocene history of stream-inhabiting arctic-alpine aquatic insects. I used last glacial maximum (LGM) species distribution models (SDM) to derive hypotheses on the glacial survival during the LGM and the recolonization of Fennoscandia: 1) both species potentially survived glacial cycles in periglacial, extra Mediterranean refugia, and 2) postglacial recolonization of Fennoscandia originated from these refugia. I tested these hypotheses using mitochondrial sequence (mtCOI) and species specific microsatellite data. Additionally, I used future SDM to predict the impact of climate change induced range shifts and habitat loss on the overall genetic diversity of the endangered mayfly A. inopinatus.rnI observed old lineages, deep splits, and almost complete lineage sorting of mtCOI sequences between mountain ranges. These results support the hypothesis that both species persisted in multiple periglacial extra-Mediterranean refugia in Central Europe during the LGM. However, the recolonization of Fennoscandia was very different between the two study species. For the mayfly A. inopinatus I found strong differentiation between the Fennoscandian and all other populations in sequence and microsatellite data, indicating that Fennoscandia was recolonized from an extra European refugium. High mtCOI genetic structure within Fennoscandia supports a recolonization of multiple lineages from independent refugia. However, this structure was not apparent in the microsatellite data, consistent with secondary contact without sexual incompability. In contrast, the stonefly A. compacta exhibited low genetic structure and shared mtCOI haplotypes among Fennoscandia and the Black Forest, suggesting a shared Pleistocene refugium in the periglacial tundrabelt. Again, there is incongruence with the microsatellite data, which could be explained with ancestral polymorphism or female- biased dispersal. Future SDM projects major regional habitat loss for the mayfly A. inopinatus, particularly in Central European mountain ranges. By relating these range shifts to my population genetic results, I identified conservation units primarily in Eastern Europe, that if preserved would maintain high levels of the present-day genetic diversity of A. inopinatus and continue to provide long-term suitable habitat under future climate warming scenarios.rnIn this thesis I show that despite similar present day distributions the underlying demographic histories of the study species are vastly different, which might be due to differing dispersal capabilities and niche plasticity. I present genetic, climatic, and ecological data that can be used to prioritize conservation efforts for cold-adapted freshwater insects in light of future climate change. Overall, this thesis provides a next step in filling the knowledge gap regarding molecular studies of the arctic-alpine invertebrate fauna. However, there is continued need to explore the phenomenon of arctic-alpine disjunctions to help understand the processes of range expansion, regression, and lineage diversification in Europe’s high latitude and high altitude biota. Die Verbreitung arktisch-alpiner Arten ist in Europa aufgrund der Vielzahl von gefundenen demographischen Mustern von besonders großem biogeographischem Interesse. Phylogeographische Studien von arktisch-alpinen Arten sind bisher nur an sehr wenigen Invertebraten und bis dato an keinen Wasserinsekten durchgeführt worden. In dieser Doktorarbeit benutzte ich die Eintagsfliege Ameletus inopinatus und die Steinfliege Arcynopteryx compacta als Modellorganismen, um die Pleistozäne und Holozäne Vergangenheit von kälte-adaptierten Wasserinsekten zu untersuchen. Ich verwendete „Species Distribution Models“ (SDM), um zwei Hypothesen zu glazialen Refugien während des Letzten Glazialen Maximums (LGM) und der Wiederbesiedlung Skandinaviens aufzustellen: 1) Beide Arten waren potentiell in der Lage, das LGM in periglazialen, extra-Mediterranen Refugien zu überdauern; 2) Die Wiederbesiedlung Skandinaviens startete von Refugien in Zentraleuropa. Diese Hypothesen testete ich mit Sequenzdaten des mitochondrialen Gens Cytochromoxidase I (mtCOI) und artspezifischen Mikrosatelliten. Darüber hinaus nutzte ich das SDM, um den Einfluss des zukünftigen Klimawandels und den damit verbundenen Habitatverlust auf die genetische Gesamtdiversität der gefährdeten Eintagsfliege A. inopinatus abzuschätzen.rnBeide Arten zeigten basierend auf den mtCOI Haplotypen relativ alte genetische Linien und fast vollständiges „lineage sorting“ zwischen den einzelnen Gebirgsregionen. Dieses Ergebnis unterstützt die Hypothese, dass beide Arten in mehreren periglazialen extra-Mediterranen Refugien in Zentraleuropa das LGM überdauert haben könnten. Trotz dieser Gemeinsamkeit geschah die Wiederbesiedlung Skandinaviens wahrscheinlich auf ganz unterschiedlichen Wegen. Bei der Eintagsfliege A. inopinatus war basierend auf sowohl mtCOI als auch auf Mikrosatelliten-Daten eine klare Abgrenzung von den skandinavischen Populationen und allen anderen zentraleuropäischen Populationen zu erkennen, was darauf hindeutet, dass A. inopinatus Skandinavien von einem Refugium außerhalb Zentraleuropas wiederbesiedelte. Eine sehr starke Struktur in den mtCOI Daten deutet darüber hinaus darauf hin, dass die Eintagsfliege Skandinavien von mehr als einem Refugium wiederbesiedelt haben muss. Diese Struktur ist jedoch auf der Basis der Mikrosatelliten-Daten nicht erkennbar, ein Hinweis auf einen sekundären Kontakt der Linien mit erfolgreicher Paarung. Im starken Gegensatz dazu zeigte die Steinfliege A. compacta sehr geringe genetische Struktur in den skandinavischen Populationen und geteilte bzw. nahe verwandte mtCOI Haplotypen mit den Schwarzwald-Populationen. Dies lässt vermuten, dass die Populationen von Skandinavien und Schwarzwald von einer gemeinsamen zentraleuropäischen Refugialpopulation abstammen müssen. Die Mikrosatelliten-Daten der Steinfliege zeigten allerdings keine Verbindung zwischen Schwarzwald und Skandinavien. Diese Diskrepanz lässt sich entweder durch einen sog. „ancestral polymorphism“ oder durch verstärkten weiblichen Genfluss erklären. Zukunfts-SDM projizierte einen gravierenden Habitatverlust für die Eintagsfliege A. inopinatus in Zentraleuropa. In Verbindung mit den populationsgenetischen Ergebnissen identifizierte ich einzelne Populationen als sogenannte „conservation units“, die auch zukünftig geeignete Klimabedingungen für den Fortbestand der Art aufweisen und damit für den Erhalt der genetischen Gesamtvariabilität besonders schützenswert sind.rnIn meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass Arten mit ähnlicher rezenter Verbreitung nicht notwendigerweise auch die gleiche evolutive Vergangenheit haben müssen. Diese Unterschiede haben ihren Ursprung wahrscheinlich in unterschiedlichen Ausbreitungsfähigkeiten und Nischenplastizitäten. Die Kombination aus genetischen, klimatischen und ökologischen Daten kann genutzt werden, um gezielte Naturschutzmaßnahmen für kälte-adaptierte Wasserinsekten in Bezug auf zukünftigen Klimawandel zu unternehmen. Diese Dissertation stellt einen wichtigen Schritt dar, um die Wissenslücke über die Phylogeographie von arktisch-alpinen Invertebraten zu füllen. Es müssen allerdings noch weitere Arten untersucht werden, um generelle Aussagen über glaziale Refugien und postglaziale Ausbreitungsmuster arktisch-alpin verbreiteter Invertebraten in Europa treffen zu können.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3181
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-28739
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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