Larmuseau, M.

Open Marine Archive

  - 72 - 
ANALYSE VAN DE GENMIGRATIE BIJ DE GRONDEL POMATOSCHISTUS 
MINUTUS (PALLAS, 1770) IN DE ZUIDELIJKE NOORDZEE EN 
WESTERSCHELDE AAN DE HAND VAN MICROSATELLIET MERKERS 
Larmuseau Maarten 
Laboratorium van Aquatische Ecologie, Departement Biologie, Katholieke Universiteit Leuven 
Charles De Bériotstraat 32, 3000 Leuven  
E-mail: maartenlarmuseau@hotmail.com 
Introductie 
Genetische verschillen tussen biologische (sub)populaties zijn voornamelijk het resultaat 
van mutatie, natuurlijke selectie en genetische drift. Genetische uitwisselingen tussen 
(sub)populaties (genmigratie) resulteren daarentegen in homogenisatie (het verkrijgen 
van gelijke allelfrequenties). De balans tussen mutaties, selectie, drift en genmigratie 
bepaalt bijgevolg de populatiestructuur van een soort. Hieruit volgt dat mag 
aangenomen worden dat populaties van soorten met een hoge graad van migratie een 
onderling veel kleiner genetisch verschil zullen vertonen dan populaties van soorten die 
sedentair zijn. De dispersiemogelijkheid van een soort is dus een belangrijke factor in 
het bepalen van de genetische populatiestructuur (Grant and Waples, 2000). Bij 
terrestrische en zoetwater omgevingen zal de dispersie verhinderd worden door fysische 
barrières zoals rivieren, bergen en woestijnen. Mariene omgevingen daarentegen zijn 
meer homogeen en kennen veel minder barrières voor migratie (Neigel, 1997). Daar 
mariene organismen daarenboven een grotere effectieve populatiegrootte en fecunditeit 
hebben, is het in vergelijking met terrestrische en zoetwaterorganismen moeilijker om 
een substructuur binnen de populaties te bewaren en voor de onderzoeker om deze 
populatiestructuur via genotypering vast te stellen (Waples, 1998). 
Cowen et al. (2000) toonden nochtans aan dat mariene populaties in staat zijn een 
intraspecifieke structuur te behouden doordat de mariene omgeving meer heterogeniteit 
vertoont dan verwacht door o.a. bodemtopologie, hydrodynamica, klimaatbarrières, 
saliniteitsverschillen en stroompatronen die de dispersie van pelagische larven en 
adulten enigszins zullen beperken. 
Palumbi (1994) suggereert naast deze larvale retentie nog vier andere factoren die 
genetische differentiatie promoten tussen mariene populaties namelijk: 
(1) ‘isolatie-door-afstand’, waarbij de genetische differentiatie van neutrale loci zal 
stijgen met de geografische afstand. Dit komt voor bij die soorten die een distributie 
kennen die groter is dan de individuele dispersiecapaciteit;  
(2) het specifieke gedrag van mariene vissen zoals filopatrie of ‘homing’ (o.a. door 
middel van een inwendig kompasmechanisme);  
(3) de historische vicariante omstandigheden die vorming kunnen geven aan 
natuurlijke barrières op een geologische tijdschaal; 
(4) de selectiedruk van de omgeving die kan leiden tot lokale adaptatie. 
  - 73 - 
Recente populatiegenetische studies op basis van hoog polymorfe merkers en 
performante statistische analysemethoden wijzen erop dat significante genetische 
differentiatie tussen geografisch gescheiden populaties eerder de regel zijn dan de 
uitzondering bij mariene organismen. Sommige soorten blijken zelfs in staat te zijn 
gestructureerd in populaties voor te komen binnen een schaal die zelfs kleiner is dan 
hun individuele dispersiepotentieel (Olsen et al., 2004). 
Naast spatiële differentiatie kunnen populaties ook verschillen doorheen de tijd door 
variatie in de genetische samenstelling van de nakomelingen. Deze temporele variatie 
binnen mariene populaties is het gevolg van zowel een hoog variabel reproductief 
succes als van grote selectie op larvale populaties (De Innocentiis et al., 2001). De 
mariene omgeving is immers onvoorspelbaar zodat het succes van de externe fertilisatie 
en van de postfertilisatiestadia zal afhangen van variabele omstandigheden. Krachtige 
zeestromingen kunnen eieren en larven van mariene soorten ver weg van de 
kinderkamerplaatsen of van geschikte zones laten drijven met zeer grote mortaliteit tot 
gevolg (member-vagrant hypothese; Sinclair, 1988). Dit wordt vaak gecombineerd met 
hoge predatie, wat de populatiedensiteit sterk kan reduceren. Ook is het volgens de 
‘match-mismatch’ hypothese essentieel voor de overleving van larven dat de omvang 
van de overlap tussen het voorkomen van de larven en hun voedsel zo groot mogelijk 
moet zijn (Cushing, 1977). De significante temporele genetische differentiatie wijst dus 
op het bestaan van stochastische effecten die leiden tot een kleine effectieve 
populatiegrootte zodat een populatie opgevolgd wordt door een generatie die 
nakomelingen zijn van een minderheid van de vorige cohorte met belangrijke gevolgen 
voor adaptatie en evolutie (Hedgecock, 1994). Zo wordt vastgesteld dat in schril 
contrast met de geringe spatiële populatie genetische subdivisie er toch vaak hoge 
waarden genoteerd worden voor interannuele differentiatie bij mariene vissen op kleine 
ruimtelijke schaal (Knutsen et al., 2003). 
Doelstelling 
Deze studie had als objectief het toetsen of een mariene vissoort, die een hoge 
dispersiemogelijkheid heeft en leeft in diverse en dynamische omgevingen, een 
metapopulatiestructuur kan onderhouden. Aansluitend rijst de vraag of deze structuur 
stabiel is in de tijd.  
Door deze analyse was het bovendien mogelijk een inzicht te verwerven in de 
ruimtelijke rol van estuaria voor juveniele mariene vissen. De interactie tussen 
estuariene vissen met paaipopulaties in open zee kon immers worden geanalyseerd in 
een metapopulatieperspectief door de paai-eenheden te identificeren en de migraties 
tussen deze paaiplaatsen en de ‘kinderkamers’ vast te stellen.  
Deze doelstellingen werden bereikt met behulp van gedetailleerde genotyperingen op 
basis van polymorfe merkers, microsatellieten genaamd. Zij maken het mogelijk 
subtiele genetische verschillen tussen subpopulaties op te sporen. 
Het zuidelijke deel van de Noordzee (Frans-Belgisch-Nederlandse kustzone) inclusief 
het Schelde-estuarium fungeerde als studiegebied. Als modelsoort werd gekozen voor 
de mariene grondel Pomatoschistus minutus (Pallas, 1770) (Gobiidae, Teleostei) 
  - 74 - 
(Nederlandse naam: dikkopje), een soort met een hoog potentieel voor dispersie. De 
keuze wordt gemotiveerd door het feit dat de talrijke ecologische, morfologische en 
gedragsstudies op het dikkopje een vraagstelling in metapopulatieperspectief mogelijk 
maken. Daarenboven zijn dikkopjes zeer algemeen voorkomend langs de kust en in de 
estuaria, en gemakkelijk te bemonsteren. Daar studies omtrent de populatiestructuur 
van mariene organismen in de zuidelijke Noordzee vooral gericht zijn op commercieel 
geëxploiteerde, sterk migrerende dieren, wordt een studie naar een commercieel 
onbelangrijk organisme als een meerwaarde beschouwd. 
Werkwijze 
Stalen van dikkopjes werden verzameld op zes plaatsen langs de Frans-Belgische-
Nederlandse kust, inclusief het Schelde-estuarium tijdens de lente en herfst in 2004. Dit 
werd gerealiseerd door staalnamecompagnes via het oceanografisch onderzoeksschip 
de ‘Zeeleeuw’ en de kerncentrale van Doel. Na determinatie en meting van 
morfologische kenmerken werd het DNA geëxtraheerd en gegenotypeerd met zeven 
verschillende oude en -voor deze studie- nieuwe ontwikkelde microsatelliet loci. Na 
beeldanalyse en data-analyse verwezenlijkt door verschillende performante statistische 
programma’s (o.a. Genetix, Spagedi, Structure, Geneclass,…) werden volgende 
resultaten verkregen. 
Resultaten and Discussie 
De resultaten tonen een hoge genmigratie aan, een lage genetische differentiatie tussen 
populaties maar wel een hoge graad van genetische variatie binnen populaties bij 
Pomatoschistus minutus. Dit is algemeen waarneembaar bij mariene Teleostei met een 
langdurige larvale fase (DeWoody and Avise, 2000). 
Spatiële differentiatie  
De resultaten leiden ons tot het verwerpen van de nulhypothese dat er geen genetische 
spatiële differentiatie bestaat tussen populaties van dikkopjes in de zuidelijke Noordzee. 
Het bewijs voor niet–panmixie werd verkregen daar deze studie zeer zwakke, maar 
significante genetische verschillen vond tussen de stalen. De waarde van differentiatie 
tussen populaties (FST-waarde =0,009) is gelijkaardig aan deze gerapporteerd voor 
andere mariene vissoorten met een groot potentieel voor genmigratie (Waples, 1998). 
Niet-willekeurige processen die diffusie beperken zoals larvale retentie, selectieve 
migratie, geografische structuur en ‘homing’ gedrag, komen aldus in voldoende mate 
voor bij Pomatoschistus minutus in de zuidelijke Noordzee opdat populatie-
onderverdeling zich voordoet. De populatiestructuur is wellicht vrij jong, daar geen 
differentiatie werd teruggevonden op het niveau van allozymes (e.g. Gysels et al., 
2003). Microsatellietmerkers hebben een grotere mutatiesnelheid en detecteren 
bijgevolg een jongere en fijnschaligere populatiestructuur (Ruzzante et al., 1996). Toch 
moet rekening gehouden worden dat ondanks de significantie van de resultaten deze 
eveneens kan worden verklaard door de technische en analytische nadelen die een 
analyse met microsatellieten met zich mee kunnen brengen (Waples, 1998). De 
resultaten kunnen echter wel gevalideerd worden door de waargenomen tendens voor 
  - 75 - 
een correlatie tussen geografische afstanden en populatie genetische afstanden 
(isolatie-door-afstand). Men kan bijgevolg stellen dat P. minutus in de zuidelijke 
Noordzee uit meerdere subpopulaties bestaat waartussen zich een hoge graad aan 
genmigratie voordoet gedomineerd door dispersie tijdens de pelagische fase. 
Intra-annuele differentiatie 
De differentiatie tussen populaties van Pomatoschistus minutus is groter in de lente 
(paaiperiode) dan in de herfst (de FST-waarden zijn dubbel zo groot tussen 
lentepopulaties onderling dan tussen herfstpopulaties onderling). Dit geeft een 
aanduiding dat buiten het paaiseizoen grondels zich in meer gemengde stock 
ophouden. Buiten het paaiseizoen verplaatsen de grondels zich vermoedelijk naar de 
voedingsgronden, die verschillend zijn van de plaatsen waar ze paaien. Genetisch 
komen dan minder duidelijk afgescheiden populaties voor maar eerder een mengeling 
van individuen uit verschillende populaties (Nesbø et al., 2000). Dit toont het cruciale 
belang aan van een staalnamestrategie. Ook moet men rekening houden met het feit 
dat in deze studie mogelijks de lentestalen buiten de paaiperiode genomen zijn en dat 
bijgevolg de gevonden differentiatie tussen de populaties wordt onderschat. 
Inter-annuele differentiatie 
Door de gegevens van de studie van Pampoulie et al. (2004) samen te analyseren met 
de data van deze thesis, werd interannuele temporele variatie waargenomen. Zo zijn 
populaties van dikkopjes uit 2004 genetisch sterk verschillend met deze van 2000 en 
2001. De variatie wordt toegeschreven aan de grote variantie in reproductief succes 
zodat er een groot verschil ontstaat tussen de geobserveerde en de effectieve 
populatiegrootte (Neigel, 1997). Deze thesis heeft bijgevolg het onderzoek naar de 
populatiestructuur van P. minutus verfijnd door differentiatie waar te nemen binnen en 
tussen populaties en deze niet enkel toe te wijzen aan spatiële differentiatie. 
De genetische populatiestructuur 
Uitgaande van deze studie kan men stellen dat Pomatoschistus minutus in de zuidelijke 
Noordzee bestaat uit meerdere subpopulaties waartussen zich hoge mate van 
genmigratie voordoet (‘patchy’ metapopulaties; Smedbol et al., 2002). De 
aanwijzingen voor interannuele temporele instabiliteit, een trend naar isolatie-door-
afstand en een hoge graad van genmigratie zijn in tegenstelling met de kenmerken van 
de ‘Member-Vagrant’ hypothese (Sinclair, 1988) maar zijn eerder gelijkaardig aan die 
van de “Adopted-Migrant”-hypothese (=de ‘geadopteerde migrant’-hypothese) 
gesuggereerd door McQuinn (1997) voor haring metapopulaties. De studie 
argumenteert hier m.a.w. dat het ‘Adopted-migrant’-model met een hoge graad aan 
uitwisseling tussen naburige populaties een realistische hypothese is om de huidige en 
vroegere resultaten omtrent de genetische populatiestructuur van het dikkopje in de 
zuidelijke Noordzee te beschrijven (Planes et al., 1996). 
Relatie met Westerschelde 
Er werden, zoals verwacht, genetische aanwijzingen gevonden voor een 
kinderkamerfunctie van de Westerschelde voor het dikkopje tijdens de herfst. Een 
  - 76 - 
seizoenale successie was immers reeds waargenomen in de soortsamenstelling van het 
Schelde-estuarium, waarbij tijdens de zomer en de herfst juveniele Pomatoschistus sp. 
en Sygnathus rostellatus de visgemeenschap domineren (Maes, 2000). Opvallend is dat 
de resultaten van deze studie aantoonden dat juveniele grondels van populaties zowel 
ter hoogte van de Oosterschelde als ten zuiden van de Scheldemonding in de herfst 
naar de Westerschelde trekken ondanks het feit dat de waterstroom in de zuidelijke 
Noordzee stroomt van zuid naar noord. 
Verrassend is het unieke lentestaal genomen in de Schelde, dat duidelijk genetisch 
verschillend is van de stalen uit de mariene populaties. Redelijkerwijs zouden grondels 
niet paaien in de Wester- of Zeeschelde omwille van de grote turbulentie. De 
voorspelling was alvorens dat de grondels die werden gevonden in Doel tijdens de 
lente, dikkopjes zouden zijn die toevallig in de Schelde waren gebleven en na de herfst 
niet waren teruggekeerd naar de Noordzee. Dit werd echter niet teruggevonden in de 
resultaten. Verder genetisch onderzoek, samen met onder meer isotopen en 
otolietenonderzoek, moet in staat zijn om te bevestigen of er sprake is van een residente 
populatie in de Westerschelde. Voorlopig zijn er geen voorbeelden of aanwijzingen van 
residente populaties van mariene soorten in de Westerschelde. 
Conclusie 
Deze thesis heeft nieuwe inzichten gebracht in de populatiestructuur van Pomatoschistus 
minutus in de zuidelijke Noordzee. Er zijn aanwijzingen dat dikkopjes in verschillende 
subpopulaties voorkomen die zowel spatiële als (inter- en intra-annuele) temporele 
differentiatie vertonen. Er werden, zoals verwacht, aanwijzingen gevonden voor een 
kinderkamerfunctie van de Westerschelde voor dikkopjes van populaties van zowel ten 
noorden als ten zuiden van de Scheldemonding. Toch vertoonde het staal genomen in 
Doel tijdens de lente een apart status; verder onderzoek zal uitwijzen of er sprake is van 
een residente populatie in het Schelde-estuarium.  
Alhoewel de microsatelliet analyse bewijzen vond voor een kleinschalige populatie-
structuur, blijft het patroon moeilijk te interpreteren. Verder onderzoek op basis van een 
betere staalnamestrategie, complementaire genetische merkers, fenotypische informatie 
en onderzoek naar de mogelijkheid van lokale adaptatie, is daarom noodzakelijk voor 
het onderzoek naar de populatiestructuur en naar de functionele rol van de 
Westerschelde voor het dikkopje in de zuidelijke Noordzee. 
Referenties 
Chakraborty R. and O. Leimar. 1987. Genetic variation within a subdivided population. p.89-
120. In: Population Genetics and Fishery Management. Ryman N. and F. Utter (Eds). 
Washington Sea Grant Program.  
Cowen R.C., M. Kamazima, M. Lwiza, S. Sponaugle, C.B. Paris and D.B. Olson. 2000. 
Connectivity of marine populations: open or closed? Science 287:857-859. 
Cushing D.H. 1977. Science and the fisheries. The Camelot Press Ltd, Southampton. 58p. 
  - 77 - 
De Innocentiis S., L. Sola, S. Cataudella and P. Bentzen. 2001. Allozyme and microsatellite loci 
provide discordant estimates of population differentiation in the dangered dusky grouper 
(Epinephelus marginatus) within the Mediterranean Sea. Molecular Biology 10:2163-2175. 
DeWoody J.A. and J.C. Avise. 2000. Microsatellite variation in marine, freshwater and 
anadromous fishes compared with other animals. Journal of Fish Biology 56:461-473. 
Grant W.S. and R.S. Waples. 2000. Spatial and temporal variability in genetics. p.61-93. In: 
Fisheries oceanography, an integrative approach to fisheries ecology and management. 
Harrison P.J. and T.R. Parsons (Eds). Blackwell Science. 
 Gysels E. 2003. Genetic structure and evolutionary patterns of Pomatoschistus gobies in the 
European continental shelf and in the Mediterranean Sea. PhD, Katholieke Universiteit 
Leuven. 306p. 
Hedgecock D. 1994. Does variance in reproductive success limit effective population size of 
marine organisms? p.122-134. In: Genetics and evolution of aquatic organisms. 
Beaumont A.R. (Ed.). Chapman and Hall.  
Knutsen H., P.E. Jorde, C. André and N.C. Stenseth. 2003. Fine-scaled geographical 
population structuring in a highly mobile marine species: the Atlantic cod. Molecular 
Ecology 12:385-394. 
Maes J. 2000. The structure of the fish community of the Zeeschelde Estuary. PhD. Katholieke 
Universiteit Leuven. 143p. 
McQuinn I.H. 1997. Metapopulations and the Atlantic herring. Reviews in Fish Biology and 
Fisheries 7:297-329. 
Neigel J.E. 1997. Population genetics and demography of marine species. p.274-292. In: 
Marine biodiversity: patterns and processes. Ormond R.F.G., J.D. Gage and M.V. Angel 
(Eds). Cambridge University Press.  
Nesbø C.L., E.K. Rueness and S.A. Iversen. 2000. Phylogeography and population history of 
Atlantic mackerel (Scomber scombrus L.): a genealogical approach reveals genetic 
structuring among the eastern Atlantic stocks. Proceedings of the Royal Society of London, 
Series b, Biological Sciences 267:281-292. 
Olsen E.M., H. Knutsen, J. Gjøsæter, P.E. Jorde, J.A. Knutsen and N.C. Stenseth. 2004. Life-
history variation among local populations of Atlantic cod from the Norwegian Skagerrak 
coast. Journal of Fish Biology 64:1725-1730. 
Palumbi S.R. 1994. Genetic divergence, reproductive isolation, and marine speciation. Annual 
Review of Ecology and Systematics 25:547-572. 
Pampoulie C. , E.S. Gysels, G.E. Maes, B. Hellemans, V. Leentjes, A.G. Jones and F.A.M. 
Volckaert. 2004. Evidence for fine-scale genetic structure and estuarine colonisation in a 
potential high gene flow marine goby (Pomatoschistus minutus). Heredity 5:1-12. 
Planes S., R. Galzin and F. Bonhomme. 1996. A genetic metapopulation model for reef fishes 
in oceanic island: the case of the surgeonfish, Acanthurus triostegus. Journal of 
Evolutionary Biology 9:103-117. 
Ruzzante D.E., C.T. Taggart, D. Cook and S. Goddard. 1996. Genetic differentiation between 
inshore and offshore Atlantic cod (Gadus morhua) off Newfoundland: microsatellite DNA 
variation and antifreeze level. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences 53:634-
645. 
Sinclair M. 1988. Marine populations: an essay on population regulation and speciation. 
University of Washington Press Seattle and London. 252p. 
  - 78 - 
Smedbol R.K., A. McPherson, M.M. Hansen and E. Kenchington. 2002. Myths and moderation 
in marine ‘metapopulations’? Fish and Fisheries 3:20-35. 
Waples R.S. 1998. Separating the wheat from the chaff: patterns of genetic differentiation in 
high gene flow species. Journal of Heredity 98:438-450. 
 
 


Analyse van de genmigratie bij de grondel <i>Pomatoschistus minutus</i> (Pallas, 1770) in de zuidelijke Noordzee en Westerschelde aan de hand van microsatelliet merkers

Analyse van de genmigratie bij de grondel <i>Pomatoschistus minutus</i> (Pallas, 1770) in de zuidelijke Noordzee en Westerschelde aan de hand van microsatelliet merkers

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Open Marine Archive