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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-72904
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7290/


The Aquatic Leaf Beetle Macroplea mutica (Coleoptera: Chrysomelidae) : Population Structure in Europe and the Signature of Zoochorous Dispersal

Der Aquatische Blattkäfer Macroplea mutica (Coleoptera: Chrysomelidae) : Populationsstruktur in Europa und Spuren der Verbreitung durch Zoochorie

Laux, Jan-Jakob

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SWD-Schlagwörter: Käfer , Blattkäfer , Insekten , Ausbreitung , Zoochorie , Wasservögel
Freie Schlagwörter (Deutsch): Populationsgenetik , Donaciinae , Macroplea
Freie Schlagwörter (Englisch): population genetics , Macroplea , dispersal , zoochory
Basisklassifikation: 42.97 , 42.64 , 42.75 , 42.65
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Dobler, Susanne (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.01.2015
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 23.04.2015
Kurzfassung auf Englisch: Most aquatic invertebrates are incapable of actively dispersing between isolated wetlands. Mechanisms of passive transportation are therefore of great ecological significance for the biotic connectivity of freshwater habitats.
The fully aquatic leaf beetle Macroplea mutica (FABRICIUS, 1792) shows a wide Palearctic distribution despite being flightless and hardly able to walk when out of water. Range expansion and dispersal between isolated wetlands therefore have to involve mechanisms of passive transport.
The present study was dedicated to the analysis of the population genetic structure of M. mutica in Northern Europe, with respect to postglacial colonization, signatures of passive dispersal and special focus on the possibility of passive transport by waterbirds (zoochory).

Six highly polymorphic microsatellite markers were developed for M. mutica and used for population genetic analysis of 21 European M. mutica populations. As expected due to the low mobility of the species, genetic differentiation was strong across populations. Cluster analyses showed a clear hierarchical population structure with a western cluster (containing populations from Great Britain, the Netherlands and north-western Germany) and an eastern cluster (encompassing eleven Baltic Sea populations and two Danish inland populations). A zone of exceedingly strong genetic differentiation between Baltic Sea populations and closely neighbouring inland sites suggests a contact zone between two postglacial colonization waves. Geographic structure in analysed sequences of the mitochondrial cytochrome oxidase subunit 1 gene (COI) was, however, very low and did therefore not corroborate the hypothetical existence of separate glacial refugia.
Feeding trials with mallards (Anas platyrhynchos L.) showed that eggs of M. mutica, ingested with parts of its host-plant, are capable of viably passing through the digestive system of ducks, surviving retention times of at least five to eight hours and thereby demonstrating a clear potential for internal transport by waterbirds.
To test for genetic evidence for waterbird-mediated dispersal, population genetic structure of M. mutica was mapped against movements and local abundances of a potential vector species. More than 260,000 geo-referenced sightings of individually marked mute swans (Cygnus olor GMELIN) were analysed with focus on visitation of sampled M. mutica populations and predominant migration routes. A subsequent comparison with pairwise genetic distances across M. mutica populations showed that inferred movements and local abundances of mute swans are consistent with a significant impact of waterbird-mediated dispersal on population genetic structuring in M. mutica.
Swan movements among sampled inland sites were found to be better predictors for genetic structure in M. mutica than geographic distance, and local swan abundances showed significant negative correlations with pairwise genetic differentiation across M. mutica populations in the Baltic Sea. The population genetic data furthermore showed the genetically isolating effect of geographic distance significantly decreasing with increasing swan abundances and the breakdown of isolation by distance between sampling sites with high swan abundances.
The results suggest that M. mutica is a rare example of zoochorous dispersal in aquatic insects, represent first evidence for waterbird-mediated dispersal of an aquatic beetle and corroborate the ecological significance of this mode of transport for a broad spectrum of aquatic invertebrate taxa.
Kurzfassung auf Deutsch: Aquatische Wirbellose sind meist nicht in der Lage sich aktiv zwischen isolierten Habitaten zu bewegen. Mechanismen passiven Transports sind daher von großer ökologischer Bedeutung für die biotische Konnektivität limnischer Lebensräume.
Der vollständig aquatisch lebende Blattkäfer Macroplea mutica (Fabricius, 1792) zeigt eine weiträumige paläarktische Verbreitung, obwohl die Art flugunfähig ist und außerhalb des Wassers kaum laufen kann. Passive Transportmechanismen dürften für diese Spezies daher von großer Bedeutung für Ausbreitung und Austausch zwischen isolierten Feuchtgebieten sein.
Die vorliegende Studie widmet sich der Analyse der populationsgenetischen Struktur von M. mutica in Nordeuropa, in Hinblick auf nacheiszeitliche Besiedlung, Spuren passiver Ausbreitungsmechanismen und mit besonderem Augenmerk auf die Möglichkeit von passivem Transport durch Wasservögel (Zoochorie).

Die populationsgenetische Struktur von 21 europäischen M. mutica Populationen wurde auf Basis von sechs neu entwickelten, hoch polymorphen Mikrosatelliten-Markern untersucht. Wie aufgrund der geringen Mobilität der Art zu erwarten, zeigte sich hierbei starke populationsgenetische Differenzierung. Clusteranalysen offenbarten zudem eine klare hierarchische Populationsstruktur, mit einem westlichen Cluster (bestehend aus Populationen aus Großbritannien, den Niederlanden und Nordwestdeutschland) sowie einem östlichen Cluster (bestehend aus elf Ostseepopulationen und zwei dänischen Binnen-Populationen). Eine Zone überproportional starker genetischer Differenzierung zwischen Ostseepopulationen und eng benachbarten Binnenlandpopulationen lässt dabei auf eine Kontaktzone zwischen zwei nacheiszeitlichen Besiedlungswellen schließen. Eine Untersuchung von mitochondriellen DNS-Sequenzen für einen Abschnitt des Gens der Cytochrom-Oxidase Untereinheit I (COI) zeigte allerdings kaum geographische Struktur und lieferte somit keine Belege für die hypothetische Existenz getrennter glazialer Refugien.
In Fütterungsversuchen mit Stockenten (Anas platyrhynchos L.) konnte gezeigt werden, dass mitsamt Teilen der Wirtspflanze verfütterte Eier von M. mutica intakt den Verdauungstrakt von Enten passieren können. Hierbei überleben sie nachweislich Retentionszeiten von mindestens fünf bis acht Stunden und zeigen somit ein klares Potenzial für den internen Transport durch Wasservögel.
Um auf genetische Spuren der Verbreitung durch Wasservogel zu testen, wurde die populationsgenetische Struktur von M. mutica mit Bewegungen und lokalen Abundanzen einer mutmaßlichen Vektor-Spezies verglichen. Mehr als 260.000 georeferenzierte Sichtungen individuell markierter Höckerschwäne (Cygnus olor GMELIN) wurden mit Fokus auf das Aufsuchen von M. mutica- Populationen und vorherrschende lokale und saisonale Migrationsrouten ausgewertet. Ergebnisse des Abgleichs erfasster Bewegungen und lokaler Abundanzen von Höckerschwänen mit paarweisen genetischen Distanzen zwischen M. mutica-Populationen sprechen für einen deutlichen Einfluss der Verbreitung durch Wasservögel auf die populationsgenetische Struktur von M. mutica: Erfasste Schwan-Bewegungen erwiesen sich als bessere Prädiktoren für die genetische Struktur von M. mutica-Binnenlandpopulationen als geographische Distanzen. Lokale Schwan-Abundanzen zeigten außerdem signifikante negative Korrelationen mit paarweisen genetischen Distanzen zwischen M. mutica-Populationen in der Ostsee. Darüber hinaus nahm der messbare, genetisch isolierende Effekt geographischer Distanz signifikant mit zunehmender Schwan-Abundanz ab und fehlte gänzlich zwischen Käferpopulationen an Standorten mit hohem lokalem Schwan-Aufkommen.

Die vorliegenden Ergebnisse sprechen für ein seltenes Beispiel von Ausbreitung durch Zoochorie bei einem aquatischen Insekt, repräsentieren erste Hinweise auf Ausbreitung eines aquatischen Käfers durch Wasservögel und bekräftigen die ökologische Bedeutung dieses Ausbreitungsmechanismus für ein breites Spektrum von aquatischen Wirbellosen.

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