Phylogeography of the common vole Microtus arvalis and genetic diversity in populations of the common vole and field vole Microtus agrestis

Filogeografia nornika zwyczajnego została dobrze poznana dla terenów Europy zachodniej. Początkowo opisano w Europie pięć linii filogenetycznych, wywodzących się z różnych refugiów glacjalnych. Jednakże obszar Europy środkowej i wschodniej wciąż nie został należycie przeanalizowany pod względem filogeografii nornika zwyczajnego. We wcześniejszych badaniach wykorzystano jedynie pojedyncze próby z Polski, Słowacji, Węgier, Rosji i Finlandii, i uznano, że w Polsce występuje jedna linia filogenetyczna tego gatunku (linia wschodnia). Filogeografia nornika burego w Europie jest poznana bardzo dobrze, w całym zasięgu występowania gatunku. Analizy mtDNA potwierdzają, że historia ewolucyjna obu gatunków była różna. Liczne analizy populacji nornika zwyczajnego z obszarów Europy zachodniej z zastosowaniem różnych markerów genetycznych (mikrosatelitarne DNA, mtDNA, chromosom Y) ujawniają, że ich wzorce zmienności pokrywają się. Podobne wyniki uzyskano w przypadku nornika burego. Dotychczas nie przeprowadzono tego typu analiz dla populacji norników z Europy środkowej i wschodniej. Celem niniejszej rozprawy było przeprowadzenie szeroko zakrojonych badań zmierzających do (1) opisania pełnego obrazu filogeografii nornika zwyczajnego w Europie, głównie w Europie środkowej i wschodniej, w nawiązaniu do danych opublikowanych z Europy zachodniej; (2) sprawdzenia, w nawiązaniu do występowania na terenie Polski strefy wtórnego kontaktu (suture zone), ile i jakie linie filogenetyczne nornika zwyczajnego zasiedlają obszar Polski; (3) przetestowania hipotezy, że linia wschodnia nornika zwyczajnego mogła przetrwać ostatnie zlodowacenie na obszarze Kotliny Panońskiej; (4) opisania struktury genetycznej nornika zwyczajnego i nornika burego w Polsce, w oparciu o analizę mikrosatelitarnego DNA z wykorzystaniem prób muzealnych oraz (5) porównania wzorców zmienności genetycznej uzyskanej dla obu gatunków z wykorzystaniem różnych markerów genetycznych. Niniejsza rozprawa doktorska znacznie rozszerza wiedzę o filogeografii nornika zwyczajnego w Europie. Badania wykazały, że na terenie Polski występują dwie linie filogenetyczne nornika zwyczajnego, linia centralna i linia wschodnia. Strefa kontaktu między nimi zlokalizowana jest w północno-zachodniej Polsce. Badania sugerują również, że linia wschodnia nornika zwyczajnego mogła przetrwać ostatnie zlodowacenie w refugium karpackim. Analiza BEAST wykazała, że linia wschodnia rozpoczęła różnicowanie się znacznie wcześniej (około 20 tysięcy lat temu) niż linia centralna (około 13 tysięcy lat temu). Czas rozpoczęcia ekspansji demograficznej został obliczony dla linii wschodniej na około 8 tysięcy lat temu, natomiast dla linii centralnej na około 6 tysięcy lat temu, co potwierdza zaobserwowaną w analizie BEAST tendencję. Dodatkowo wykonano analizy mające na celu identyfikację tzw. „gorących miejsc” (hot spots) zróżnicowania genetycznego, których lokalizacja prawdopodobnie pokrywa się z lokalizacją refugiów glacjalnych. Analizy mikrosatelitów DNA pozwoliły na wyróżnienie wyraźnej struktury genetycznej u obu gatunków norników. U nornika zwyczajnego (FST= 0,058; 95% CI: 0,042-0,077) wyróżniono dwie grupy genetyczne, grupę Wschodnią i Zachodnią, nazwane od ich geograficznego rozmieszczenia na terenie Polski. W przypadku nornika burego (FST= 0,047; 95% CI: 0,040-0,055) również wyróżniono dwie grupy genetyczne, rozmieszczone na obszarze Polski niemal identycznie jak grupy u nornika zwyczajnego. Oznacza to, że pomimo różnych preferencji środowiskowych i odmiennej historii ewolucyjnej, oba gatunki wykazują ten sam wzorzec zmienności genetycznej uzyskanej z analizy mikrosatelitów DNA. Co więcej, wzorce zmienności uzyskane z mtDNA i mikrosatelitów, zarówno u nornika zwyczajnego, jak i nornika burego nie są zgodne. Wyniki te sugerują zatem, że na zaobserwowane współcześnie zróżnicowanie genetyczne u obu gatunków wpływ miały czynniki inne niż historia ewolucyjna, na przykład warunki klimatyczne i środowiskowe.

The phylogeography of the common vole was well described for western Europe. Previously, five mtDNA lineages (based on mitochondrial DNA) have been described in Europe and they probably originated from five different refugia. However, the phylogeography of this rodent was not well studied in central and eastern Europe. In previous studies few samples from Poland, Slovakia, Hungary, Russia and Finland were used and it was recognized that in Poland, the Eastern lineage is present. The phylogeography of the field vole in Europe is well studied in the whole species range. Analyses based on mtDNA suggested that the evolutionary history of the common and field vole was different. Studies of the common vole populations from western Europe based on different genetic markers (microsatellites DNA, mtDNA, Y chromosome) revealed that patterns of genetic diversity obtained from them are congruent. Similar results were obtained for the field vole. Such analyses have not been conducted for voles from central and eastern Europe yet. The aim of this thesis was to conduct studies to (1) describe the full picture of the phylogeography of the common vole in Europe, mainly in central and eastern Europe, in reference to published data from western Europe; (2) establish, in reference to presence of the suture zone in Poland, how many and what mtDNA lineages of the common vole inhabit Polish territory; (3) test the hypothesis that the Eastern lineage of the common vole could survive the LGM in the Carpathian Basin; (4) describe genetic structure of the common and field vole in Poland, using microsatellite DNA and museum samples and (5) compare patterns of genetic diversity obtained for both species using different genetic markers. This PhD thesis expanded significantly the knowledge about the phylogeography of the common vole in Europe. Studies showed that in Poland two mtDNA lineages of this species existed, the Central and the Eastern lineages. The contact zone between them is located in north-western Poland. Studies also suggested that the Eastern lineage of the common vole could survive last glaciation in the Carpathian refugium. Coalescent analysis conducted in BEAST revealed that the Eastern lineage differentiated earlier (around 20 kya) than the Central lineage (around 13 kya). The time of the demographic expansion was calculated for the Eastern lineage for around 8 kya, while for the Central lineage for around 6 kya. Additionally, analyses which allow the identification of hot spots of the genetic diversity were conducted. The locations of such hot spots are very likely to be congruent with the location of glacial refugia.Microsatellite DNA analyses distinguished distinct genetic structure for both species of voles. In the common vole populations (FST=0.058; 95% CI: 0.042-0.077) two genetic groups were found, Eastern and Western groups, named according to their geographic distribution in Poland. In the field vole populations (FST=0.047; 95% CI: 0.040-0.055) also two genetic groups were found and their distribution in Poland is roughly similar to the groups of the common vole. It suggested that, in spite of differences in habitat preferences and different evolutionary history, these two species showed slightly the same pattern of the genetic diversity obtained using microsatellite DNA. What is more, patterns obtained from mtDNA and microsatellites, both in the common vole and field vole populations, are not congruent. Therefore results suggested that factors other than evolutionary history had an influence on contemporary observed genetic diversity in both species, it could be for instance climatic or environmental factors.