Praca doktorska
Ładowanie...
Licencja
Korzystanie z tego materiału możliwe jest zgodnie z właściwymi przepisami o dozwolonym użytku lub o innych wyjątkach przewidzianych w przepisach prawa. Korzystanie w szerszym zakresie wymaga uzyskania zgody uprawnionego.Phylogeography of European roe deer (Capreolus capreolus) in Central and Eastern Europe
| dc.abstract.en | The roe deer (Capreolus sp.) are one of the most numerous and widespread mammals of Cervidae in Eurasia. They inhabit diverse environments including forests and open areas, lowlands and mountains. They are able to adapt to various climatic conditions and play an important role as a game species. Nowadays genus Capreolus consists of two sister species: European roe deer (C. capreolus Linnaeus, 1758) and Siberian roe deer (C. pygargus Pallas, 1771). In general, the contemporary ranges of the two species are distinct geographically. The Siberian roe deer is distributed throughout the continental Asia, while the European species occurs throughout Europe with the exception of northernmost Scandinavia, Ireland and the Mediterranean Sea islands. The two species are co-occurring only in the region of Volga-Don rivers but until the early 20th century, their ranges were also overlapping in the northern Caucasus. Siberian roe deer is larger in size and better adapted to colder climatic conditions than European roe deer. Climate fluctuations during the Last Glacial Period between 115,000 and 11,500 years ago played an important role in shaping the current distribution and genetic diversity of European mammals, including the roe deer. During glaciations, the ranges of temperate and thermophile species were limited to southern refugial areas. The contributions by given refugia into postglacial recolonization process varied a lot among species. Those that have very broad biogeographic occurrence (from the Mediterranean to the boreal zones) usually dispersed from several glacial refugia located at both lower and higher latitudes, where isolated populations could have developed adaptations to different climate, habitat and food-related conditions. Large scale phylogenetic studies on European roe deer consistently indicated the division of the contemporary population into three main mitochondrial DNA (mtDNA) lineages – Central, Eastern and Western. The Central lineage has been most common throughout Europe, the Eastern one is restricted mainly to the Balkans, and the Western lineage has been recorded in the Iberian Peninsula, only. On the basis of internal structuring within lineages, only one subspecies (C. c. italicus) was undoubtedly confirmed. In contrast to the European roe deer, the Siberian species has so far been subject of very few studies on phylogeography and the genetic structuring of population. Genetic analyses revealed several haplogroups of this species, but the mapping of their spatial distribution varied among studies. Recent studies revealed the introgression of the Siberian roe deer mtDNA genes in some populations of the European roe deer. This indicated an additional level of the genetic complexity of the species and opened a debate on the sources of introgression. However, the limited sampling allowed neither to define the whole spatial range at which the introgression has occurred nor the relation of mtDNA populations of the introgressed deer to the contemporary populations of the Siberian roe deer. The main aims of my thesis were to: - reveal the roe deer phylogeny, identify the spatial patterns of mtDNA clade distribution and demographic processes at the level of lineages, clades and haplogroups of the species at the European scale (Paper 1); - describe the mtDNA diversity and its spatial pattern in roe deer throughout the species range in Europe and determine the population genetic structure of roe deer including factors affecting it (Paper 2); - identify the general phylogenetic and phylogeographic patterns of the Siberian roe deer in its entire range of occurrence and elucidate the phylogeny and origin of the Siberian roe deer haplotypes found within the European range of roe deer as well as their relation to the entire population of the Siberian deer (Paper 3). I hypothesized that: (1) The mtDNA haplotype diversity of roe deer in Europe is high and the most numerous mtDNA haplotypes will be clustering with the Central and Eastern clades (Paper 1); (2) It is highly probable that there are (not recorded earlier) clades of mtDNA with distribution restricted to Eastern Europe (Paper 1); (3) There had been one or more Last Glacial Maximum (LGM) refugial areas for European roe deer in the eastern part of the continent and populations from those refugia colonized the eastern and northern regions of Europe in the postglacial times (Paper 1); (4) Genetic diversity hotspots are effects of the Siberian roe deer (C. pygargus) mtDNA introgression and the secondary contact of mtDNA clades (Paper 2); (5) We will find different proportion of Siberian roe deer haplogroups in European and Asian populations (Paper 3); (6) Introgression of the Siberian roe deer haplotypes in the European roe deer range is an effect of both human activities (including translocations) and natural processes, which occurred in the past (Paper 3). To investigate the haplotype diversity and distribution of clades, I sequenced a fragment of the mtDNA control region (610 bp) from 1469 European roe deer samples collected in 21 countries in central and eastern Europe. Additionally, I included 1541 roe deer sequences available in GenBank and their frequencies in different populations reported in scientific publications. I assigned the obtained sequences to haplotypes and revealed the internal structure of haplogroups according to the results of modelling of the genetic trees and networks. Summary statistics were calculated for three classification levels: lineage, clade and haplogroup. Neutrality tests were performed to evaluate possible models of demographic fluctuations (expansion or bottleneck). The reconstruction of the potential LGM refugial range of European roe deer was based on results of mtDNA analyses supported by fossil and subfossil records of the species provided in the literature (Paper 1). To analyze population genetic structure and define hotspot regions I used sequences obtained in the first part of the study (Paper 1) and clustered them into the geographically defined demes. For each deme I calculated diversity indices and extrapolated them on the area of whole Europe. The population genetic structure of roe deer in Europe was investigated also by using several clustering methods and the results were analyzed to evaluate if the identified genetic populations are in spatial or demographic expansion (Paper 2). To describe genetic diversity of the Siberian roe deer and detect the potential sources of hybridization, I analyzed mtDNA control region fragment of 352 Siberian roe deer samples combined with 139 sequences available in GenBank. I assigned the obtained sequences to haplotypes and revealed internal structure of subclades based on haplotype genealogy of phylogenetic trees and networks. I presented the spatial distribution of subclades on maps to detect phylogenetic structure of species. The genetic structure of the Siberian roe deer population in Eurasia was then determined using the Genaland program. (Paper 3). In Europe, I revealed the presence of two mtDNA lineages of the species: European and Siberian (an introgression of C. pygargus mtDNA into C. capreolus). The Siberian lineage was most frequent in the eastern part of the continent and declined towards central regions. Additionally, I confirmed that the European lineage contained three clades (Central, Eastern and Western) but also found that they were composed of several haplogroups, many of which have been separated in space. The Western clade appeared to have a discontinuous range from Portugal to Russia (Paper 1). I showed that most of the haplogroups in the Central and the Eastern clades were under expansion during the Weichselian Pleniglacial period before the Last Glacial Maximum, while the expansion time of the Western clade overlapped with the Eemian interglacial. I also showed that the high genetic diversity of extant roe deer is the result of their survival during the LGM probably in a large contiguous range spanning from the Iberian Peninsula to the Caucasus Mts. and in two northern refugia (Paper 1). In the next step (Paper 2), I found two major diversity hotspots in European roe deer. I proposed that they result from the Siberian roe deer (C. pygargus) mtDNA introgression and the secondary contact of the European roe deer mtDNA clades. Significantly lower values of genetic diversity (nucleotide and haplotype diversity) were recorded in the peripheral areas of the species’ range, including the southernmost parts of the LGM refugial areas. I found that, in the eastern parts of the continent, the introgression of mtDNA of C. pygargus has been the main driver of roe deer population subdivision. Spatial genetic analyses showed a complex structure of deer population on a pan-European scale (Paper 2). Analyses of the Siberian roe deer samples (Paper 3) revealed that the shares of different haplogroups in the regional populations varied longitudinally, with a major shift in Central Siberia. Three haplogroups were the most frequent in Europe, while their shares declined or vanished in Asia. I detected the presence of seven genetic populations of the Siberian roe deer, including two populations in the range of the European roe deer with the Siberian mtDNA introgression. I showed that genetic diversity of mtDNA in the Siberian roe deer was greater than documented earlier. Two ancient haplogroups, occurring predominantly in Europe, have been a remnant of the past natural interbreeding between the Siberian and the European roe deer that most probably had occurred hundred(s) kyr BP. Translocations of the Siberian roe deer to Eastern Europe performed in the 19th and 20th centuries have also left signals in the genetic diversity of the European roe deer (Paper 3). To sum up, on the basis of the analysis of mitochondrial DNA fragment of roe deer across Eurasia, I have demonstrated that phylogenetic studies conducted on a wide geographic scale expose signs of species history, which can be missed in regional studies. I confirmed the presence of three, previously known clades, and I described their novel spatial distribution. I discovered some new subclades in the newly studied areas. I proposed that the European roe deer survived LGM in a vast refugial area. The postglacial recolonization have created the genetic diversity hotspots of roe deer in Central and Eastern Europe. I detected many new regions of the past introgression of C. pygargus into C. capreolus, especially in Central and Eastern Europe, and revealed two sources (natural and human-related) of this process. |
| dc.abstract.en | Sarna (Capreolus sp.) jest euroazjatyckim przedstawicielem jednego z najliczniejszych i najbardziej rozpowszechnionych rodzajów w obrębie rodziny jeleniowatych (Cervidae). Zamieszkuje ona zróżnicowane środowiska: zarówno tereny leśne jak i otwarte, niziny oraz góry. Potrafi przystosować się do zmiennych warunków klimatycznych, a na wielu obszarach stanowi ważny gatunek łowny. Obecnie do rodzaju Capreolus należą dwa gatunki: sarna europejska (C. capreolus Linnaeus, 1758) i sarna syberyjska (C. pygargus Pallas, 1771). Współczesne zasięgi występowania obydwu tych gatunków obejmują różne obszary geograficzne. Sarna syberyjska występuje na całym obszarze kontynentalnej Azji, natomiast europejska zamieszkuje obszar Europy z wyjątkiem najbardziej wysuniętych na północ części Skandynawii, obszaru Irlandii i wysp Morza Śródziemnego. Obecnie obydwa gatunki współwystępują jedynie w rejonie rzek Wołgi i Donu, natomiast jeszcze do początku XX wieku ich zasięgi pokrywały się również w regionie północnego Kaukazu. Cechą charakterystyczną sarny syberyjskiej są większe rozmiary ciała i lepsza zdolność adaptacji do chłodniejszych warunków klimatycznych. Wahania klimatu w trakcie ostatniego zlodowacenia miały miejsce między 115 000 a 11 500 lat temu i odegrały ważną rolę w kształtowaniu obecnego rozmieszczenia wielu gatunków ssaków w Europie. W istotny sposób wpłynęło to także na różnorodność genetyczną wielu populacji, w tym także sarny. Podczas zlodowaceń zasięgi zarówno gatunków ciepłolubnych jak i tych o umiarkowanych wymaganiach temperaturowych ograniczały się do południowych obszarów refugialnych. Miało to znaczenie w późniejszym okresie ze względu na zróżnicowany udział populacji z poszczególnych refugiów w polodowcowym procesie rekolonizacji. Proces ten był odmienny dla różnych gatunków. Te, które charakteryzowały się bardzo szerokim zasięgiem biogeograficznym (od Morza Śródziemnego po strefy borealne) zwykle zasiedlały postglacjalne obszary Europy z kilku refugiów lodowcowych położonych zarówno w niższych, jak i wyższych szerokościach geograficznych. W trakcie izolacji populacje tych gatunków mogły wykształcić adaptacje do lokalnych, zmiennych warunków klimatycznych, siedliskowych i pokarmowych. Zakrojone na szeroką skalę badania filogenetyczne sarny europejskiej konsekwentnie wskazywały na podział współczesnej populacji na trzy główne klady mitochondrialnego DNA (mtDNA) – Centralny, Wschodni i Zachodni. Klad centralny występował w całej Europie, wschodni ograniczony był głównie do obszaru Bałkanów, a klad zachodni odnotowany był jedynie na Półwyspie Iberyjskim. Na podstawie struktury wewnętrznej kladów z dużym prawdopodobieństwem wyodrębniono tylko jeden podgatunek sarny europejskiej (C. c. italicus). W odróżnieniu do sarny europejskiej, sarna syberyjska była dotychczas przedmiotem bardzo nielicznych badań, zarówno filogeograficznych, jak i tych, analizujących strukturę genetyczną populacji. Obecne analizy ujawniły występowanie kilku haplogrup w obrębie tego gatunku, lecz brakowało danych dotyczących ich przestrzennego rozmieszczenia. Najnowsze badania wykazały obecność introgresji genów mtDNA sarny syberyjskiej w niektórych populacjach sarny europejskiej. Wskazuje to na występowanie dodatkowego poziomu złożoności genetycznej gatunku i otwiera dyskusję na temat potencjalnych źródeł introgresji. Dotychczasowe ograniczone próby nie pozwoliły na jednoznaczne określenie całkowitego zasięgu przestrzennego introgresji, ani też powiązań między mtDNA saren z zaobserowaną introgresją ze współczesnymi naturalnymi populacjami sarny syberyjskiej. Główne cele mojej rozprawy to: Zbadanie filogenezy sarny, zidentyfikowanie przestrzennych wzorców rozmieszczenia kladów mtDNA oraz określenie procesów demograficznych zachodzących na poziomie linii, kladów i haplogrup sarny w skali europejskiej (Artykuł 1); Opisanie zmienności mtDNA i jej przestrzennego wzorca w całym europejskim zasięgu sarny oraz określenie struktury genetycznej populacji z uwzględnieniem czynników na nią wpływających (Artykuł 2); Określenie wzorców filogenetycznych i filogeograficznych sarny syberyjskiej w całym zasięgu jej występowania oraz wyjaśnienie filogenezy i pochodzenia haplotypów sarny syberyjskiej występujących w obrębie europejskiego zasięgu sarny, a także określenie ich związku z całą populacją sarny syberyjskiej (Artykuł 3). Postawiłam następujące hipotezy badawcze: (1) Zmienność haplotypowa mitochondrialnego DNA saren w Europie jest wysoka, a najwięcej haplotypów będzie należało do kladów centralnego i wschodniego (Artykuł 1); (2) Na obszarze Europy Wschodniej jest wysokie prawdopodobieństwo wykrycia występowania nowych kladów mtDNA sarny europejskiej (Artykuł 1); (3) W trakcie okresu ostatniego zlodowacenia we wschodniej części kontynentu znajdował się jeden lub więcej obszarów refugialnych sarny europejskiej, skąd w okresie postglacjalnym gatunek ten skolonizował wschodnie i północne regiony Europy (Artykuł 1); (4) Wysoki poziom różnorodności genetycznej na niektórych obszarach wynika z introgresji mtDNA sarny syberyjskiej (C. pygargus) oraz wtórnego kontaktu różnych kladów mtDNA (Artykuł 2); (5) Udział poszczególnych haplogrup sarny syberyjskiej będzie różny w populacjach europejskich i azjatyckich (Artykuł 3); (6) Introgresja haplotypów sarny syberyjskiej w zasięgu sarny europejskiej jest efektem nakładania się procesów obejmujących zarówno działalność człowieka (w tym translokacje), jak i procesów naturalnych, które miały miejsce w przeszłości (Artykuł 3). Aby określić poziom różnorodności haplotypowej i określić przestrzenny rozkład kladów, zsekwencjonowałam fragment regionu kontrolnego mtDNA (610 par zasad) wyekstrahowany z 1469 próbek sarny europejskiej z obszaru 21 krajów Europy Środkowej i Wschodniej. Bazę danych uzupełniłam o dodatkowe 1541 sekwencje sarny europejskiej dostępne w GenBanku, uwzględniając częstotliwość występowania poszczególnych haplotypów, zgodnie z informacją podaną w publikacjach źródłowych. Na podstawie analizy porównawczej, uzyskane sekwencje zostały przypisane do haplotypów. Następnie, na podstawie modelowania drzew i sieci filogenetycznych, przeanalizowałam wewnętrzną strukturę haplogrup. Wartości parametrów zmienności genetycznej zostały obliczone dla trzech poziomów klasyfikacji: linii, kladu i haplogrupy. Przeprowadziłam testy neutralności w celu oceny występowania fluktuacji pasujących do modeli zmienności demograficznych (ekspansji lub efektu wąskiego gardła). Rekonstrukcję potencjalnego zasięgu refugialnego sarny europejskiej w trakcie ostatniego okresu lodowcowego opracowałam na podstawie analiz mtDNA, a także wykorzystując dane literaturowe dotyczące analiz materiału kopalnego oraz subfosylnego tego gatunku (Artykuł 1). Analizując strukturę genetyczną populacji i określając miejsca występowania obszarów o wysokiej zmienności genetycznej populacji, tzw. „hotspotów”, wykorzystałam sekwencje uzyskane w pierwszej części badań (Artykuł 1) i pogrupowałam je w lokalne populacje na podstawie ich rozmieszczenia geograficznego. Dla każdej z tych populacji obliczyłam wskaźniki różnorodności genetycznej i dokonałam ekstrapolacji uzyskanych wartości na obszar całej Europy. Struktura genetyczna populacji sarny w Europie została określona przy użyciu kilku komputerowych metod klasteryzacji, a wyniki zostały przeanalizowane w celu oceny, czy zidentyfikowane populacje genetyczne są w ekspansji przestrzennej lub demograficznej (Artykuł 2). W celu określenia poziomu zróżnicowania genetycznego sarny syberyjskiej oraz wykrycia potencjalnych źródeł hybrydyzacji, przeanalizowałam fragment regionu kontrolnego mtDNA 352 prób sarny syberyjskiej, uzupełniając je o 139 sekwencje dostępne w GenBanku. Uzyskane sekwencje przyporządkowałam do poszczególnych haplotypów i na podstawie analizy struktury drzew i sieci filogenetycznych określiłam wewnętrzną strukturę subkladów. Ich przestrzenne rozmieszczenie przedstawiłam na mapach w celu zobrazowania struktury filogeograficznej badanego gatunku. Następnie za pomocą programu Geneland określiłam strukturę genetyczną populacji sarny syberyjskiej w Eurazji. Na obszarze Europy wykryłam obecność dwóch linii mitochondrialnego DNA sarny: europejskiej i syberyjskiej. Druga z nich była wynikiem introgresji mtDNA C. pygargus do C. capreolus. Linia syberyjska występowała najczęściej we wschodniej części kontynentu, a częstotliwość jej występowania zmniejszała się w kierunku zachodnim. Potwierdziłam także występowanie w obrębie linii sarny europejskiej trzech osobnych kladów: Centralnego, Wschodniego i Zachodniego oraz wykryłam ich wewnętrzny podział na haplogrupy, które często zajmowały różne obszary geograficzne. Wykazałam także, że klad zachodni ma nieciągły zasięg obejmujący teren od Portugalii do Rosji (Artykuł 1). Wykazałam, że większość haplogrup w kladach Centralnym i Wschodnim podlegała procesom ekspansji w okresie wczesnego okresu zlodowacenia północnopolskiego, które miało miejsce przed ostatnim maksimum okresu lodowcowego, podczas gdy czas ekspansji kladu zachodniego pokrywał się z interglacjałem eemskim. Wykazałam również, że wysokie zróżnicowanie genetyczne saren jest prawdopodobnie wynikiem przetrwania przez ten gatunek okresu maksymalnego zasięgu ostatniego zlodowacenia na rozległym południowym obszarze, obejmującym teren od Półwyspu Iberyjskiego do Kaukazu oraz w dwóch bardziej północnych obszarach refugialnych (Artykuł 1). W kolejnym etapie badań (Artukuł 2) wykazałam w populacji sarny europejskiej obecność dwóch obszarów, na których odnotowałam wysoką zmienność genetyczną. Przypuszczalnie wynika ona przede wszystkim z procesów introgresji mtDNA sarny syberyjskiej oraz wtórnego kontaktu postglacjalnego różnych kladów mtDNA sarny europejskiej. Znacznie niższe wartości różnorodności genetycznej (nukleotydowej i haplotypowej) sarny odnotowano na peryferyjnych obszarach zasięgu występowania gatunku, w tym na najbardziej wysuniętych na południe częściach obszarów refugialnych z okresu maksymalanego zlodowacenia. Stwierdziłam, że we wschodnich częściach kontynentu proces introgresji mtDNA C. pygargus był głównym czynnikiem genetycznego podziału populacji sarny. Przestrzenne analizy wykazały złożoną strukturę populacji sarny w skali paneuropejskiej (Artykuł 2). Na podstawie analizy prób genetycznych sarny syberyjskiej (Artykuł 3) wykazałam, że udział poszczególnych haplogrup w lokalnych populacjach zmieniał się w w gradiencie wschód-zachód, a główny rejon rozdzielający różne genetycznie populacje zlokalizowany był na obszarze środkowej Syberii. Spośród wykrytych haplogrup, jedynie trzy charakteryzowały się najczęstszym występowaniem w Europie, a ich udział zmniejszał się lub zanikał na terenach Azji. Stwierdziłam występowanie siedmiu odrębnych populacji genetycznych sarny syberyjskiej, z których dwie leżały w zasięgu sarny europejskiej, gdzie zaobserwowany był proces introgresji mtDNA sarny syberyjskiej. Wykazałam, że zróżnicowanie genetyczne mitochondrialnego DNA saren syberyjskich było większe niż sugerowały to wcześniejsze badania. Dwie haplogrupy o charakterze ancestralnym, występowały głównie w Europie. Są one najprawdopodobniej pozostałością po dawnych, zachodzących ponad 100 tysięcy lat temu, naturalnych procesach krzyżowania się sarny syberyjskiej i europejskiej. Dodatkowy wpływ na zróżnicowanie genetyczne C. capreolus w Europie miały także translokacje przeprowadzone w XIX i XX wieku, które także pozostawiły ślad w różnorodności genetycznej współczesnych saren europejskich (Artykuł 3). Podsumowując, na podstawie analiz fragmentu mtDNA saren z Eurazji wykazałam, że wielkokoskalowe badania filogenetyczne pozwalają odtworzyć historię gatunku, która w badaniach regionalnych może zostać przeoczona. Potwierdziłam obecność trzech, opisanych wcześniej kladów mtDNA sarny europejskiej oraz ukazałam ich aktualny zasięg w skali całego kontynentu. Na obszarach Europy, które po raz pierwszy zostały uwzględnione w tego typu badaniach, wykazałam obecność nowych subkladów tego gatunku. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdziłam, że sarna europejska prawdopodobnie przetrwała ostatni okres lodowcowy na rozległym obszarze refugialnym, a późniejsza rekolonizacja polodowcowa spowodowała powstanie w Europie Środkowej i Wschodniej obszarów o wysokiej zmienności genetycznej tzw. „hotspotów”. Wykryłam wiele nowych regionów, występujących zwłaszcza w Europie Środkowo-Wschodniej, w których w przeszłości doszło do introgresji C. pygargus w populacji C. capreolus, a także potwierdziłam dwa źródła tego procesu (naturalne i antropogeniczne). |
| dc.affiliation.department | Wydział Biologii |
| dc.contributor.author | Plis, Kamila |
| dc.date.accessioned | 2023-06-19T12:14:00Z |
| dc.date.available | 2023-06-19T12:14:00Z |
| dc.date.defence | 2023-06-20 |
| dc.date.issued | 2023-06-19 |
| dc.description.additional | Link archiwalny https://depotuw.ceon.pl/handle/item/4625 |
| dc.description.promoter | Jędrzejewska, Bogumiła |
| dc.description.promoter | Niedziałkowska, Magdalena |
| dc.identifier.uri | https://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/4625 |
| dc.language.iso | en |
| dc.rights | FairUse |
| dc.subject.en | Siberian roe deer |
| dc.subject.en | postglacial recolonization |
| dc.subject.en | mtDNA |
| dc.subject.en | Last Glacial Maximum |
| dc.subject.en | introgression |
| dc.subject.en | genetic structure |
| dc.subject.en | genetic diversity |
| dc.subject.en | Eurasia |
| dc.subject.en | Sarna syberyjska |
| dc.subject.en | rekolonizacja postglacjalna |
| dc.subject.en | okres ostatniego zlodowacenia |
| dc.subject.en | introgresja |
| dc.subject.en | struktura genetyczna |
| dc.subject.en | różnorodność genetyczna |
| dc.subject.en | Eurazja |
| dc.title | Phylogeography of European roe deer (Capreolus capreolus) in Central and Eastern Europe |
| dc.title.alternative | Phylogeography of European roe deer (Capreolus capreolus) in Central and Eastern Europe |
| dc.type | DoctoralThesis |
| dspace.entity.type | Publication |