Advanced

Fishing the gene pool : Genetic structure, admixture and behavioural complexity in fisheries management

Berndt, Kim H. LU (2016)
Abstract (Swedish)
Ett fiskbestånd syftar på en grupp artfränder som uppehåller sig inom ett avgränsat område och som huvudsakligen parar sig sinsemellan, vilket medför att de genetiska likheterna är större inom ett bestånd än mellan separata bestånd. Denna beskrivning stämmer väl in på sjölevande fiskarter, där fisk sällan kan röra sig mellan sjöar, vilket alltså leder till genetiska skillnader mellan bestånd i olika sjöar. Hos havslevande fiskarter är däremot denna gruppindelning mindre påtaglig eftersom dessa rör sig mer obehindrat mellan havsområden och bestånd; antingen genom passiv spridning av egg och larver, eller genom vandringar. Detta medför små eller obefintliga genetiska skillnader mellan olika bestånd, vilket ibland har lett till att genetiskt... (More)
Ett fiskbestånd syftar på en grupp artfränder som uppehåller sig inom ett avgränsat område och som huvudsakligen parar sig sinsemellan, vilket medför att de genetiska likheterna är större inom ett bestånd än mellan separata bestånd. Denna beskrivning stämmer väl in på sjölevande fiskarter, där fisk sällan kan röra sig mellan sjöar, vilket alltså leder till genetiska skillnader mellan bestånd i olika sjöar. Hos havslevande fiskarter är däremot denna gruppindelning mindre påtaglig eftersom dessa rör sig mer obehindrat mellan havsområden och bestånd; antingen genom passiv spridning av egg och larver, eller genom vandringar. Detta medför små eller obefintliga genetiska skillnader mellan olika bestånd, vilket ibland har lett till att genetiskt lika bestånd slagits samman i större förvaltningsenheter. En sådan sammanslagning kan möjligen vara motiverad ifall utbytet av fisk mellan bestånden är tillräckligt stort, men kan också medföra större risk för överfiske. Kunskap om hur en fiskart är uppdelad inom en region används av förvaltare för beståndsskattningar som avgör fiskets omfattning. Felaktig beståndsindelning kan därför leda till ökad risk för överfiske.
I denna avhandling undersöker jag genetiska likheter mellan lokala torskbestånd som uppehåller sig i havsområden som ligger mellan Nordsjön och de inre delarna av Egentliga Östersjön. Inom dessa torskbestånd har individer blandad härkomst, där bestånd som ligger nära Nordsjön är mer genetiskt lika Nordsjöbestånd, medan bestånd nära den Egentliga Östersjön är mer genetiskt lika Östersjöbestånd. Frågan är hur förvaltningsenheter skall utformas inom regionen? Den gällande beståndsindelningen verkar nämligen inte överensstämma med det aktuella kunskapsläget, med avseende på regionalt släktskap. Indelning är nämligen baserad på äldre jämförelser av utseende, vandringar och genetiska likheter. Jag fann genetiska belägg för att denna beståndsindelning kan vara obsolet, och att beståndens inbördes släktskap kan vara mer skiftande än man tidigare trott. Jag kan konstatera genetiska likheter mellan lokala bestånd i Kattegat och Öresund, samt mellan lokala bestånd i Arkona- och Bornholmsbassängen; däremot är dessa två grupper genetiskt olika varandra. Grupperna kan således benämnas Nordsjökomplexet (Kattegat & Öresund) respektive Östersjökomplexet (Arkona & Bornholm). Vidare fann jag att fisk från de respektive grupperna kan förekomma i samma havsbassäng, men att torsk huvudsakligen vandrar från Östersjön mot Nordsjön, vilket tyder på att Nordsjötorsk illa tål Egentliga Östersjöns låga salthalt. Det visade sig även att inslaget av torsk från Östersjökomplexet inom Öresund var förhållandevis stabilt över en säsong, vilket tyder på att torsk från de båda grupperna inte tvunget parar sig där de samexisterar, utan parar sig på olika plaster vid olika tidpunkt. 
Vidare undersöktes en skillnad i utseende och beteende hos torsk från Bornholmsbassängen, eftersom långsamtväxande smal torsk ofta lockades till och fångades i agnade fiskeredskap (e.g. bur och krok) medan snabbväxande trind torsk ofta fångades i passiva fiskande fiskeredskap (e.g. garn). Genom att undersökta den kemiska uppsättningen i musklerna hos smal respektive trind torsk, så framkom att torsktyperna har olika födosöksområden, men även att de har snarlik diet. De båda torsktyperna skiljde sig däremot inte genetiskt, vilket tyder på att typerna tillhör samma bestånd eller beståndskomplex, men att skillnader i kroppskondition och beteende kan bero på bristande födotillgång och en ökad konkurrens. Denna undersökning visar att det är svårt att dra slutsatser om beståndstillhörighet enbart baserat på utseende.
Som nämnts tidigare har olika undersökningar gjorts under århundradet, vilka har kommit fram till olika beståndsindelning för Östersjötorsken. Dessa motsägelsefulla resultat kan delvis bero på skillnader i vilka metoder som använts, men kan även bero på att beståndens inbördes släktskap kan vara mer skiftande än man tidigare trott. En möjlig orsak kan vara att överfiske har decimerat somliga bestånd, vilket har lett till en ökat invandringen från andra bestånd. För att undersöka saken så studerade jag hur bestånd av öring har lyckats återetablera sig i skånska vattendrag efter att ha decimerats drastiskt. Jag fann möjliga belägg för att en beståndsnedgång kan leda till ökad invandring från angränsande bestånd, alternativt att invandring får en större betydelse, eftersom öringsbestånd som blivit decimerade uppvisade en mer blandad härkomst jämfört med oskadda öringsbestånd. Dessa resultat pekar på att beståndsnedgångar kan ha mindre påtagliga, men likväl allvarliga konsekvenser, eftersom sådan blandning kan påverka anpassningar till en lokal miljö.
För att summera, så tyder mina resultat på att beståndsindelning i förvaltningssyfte måste vara dynamisk, i synnerhet för regionala bestånd som präglas av blandad härkomst, kommersiellt fiske, möjlig födobrist, och beståndsnedgångar. Eftersom beståndsnedgångar kan påverka invandringen från närliggande bestånd, eller betydelsen av invandring, och eftersom att sådan blandning kan motverka lokal anpassning, så kan överfiske ha oförutsedda och skadliga konsekvenser. (Less)
Abstract
Prudent management of marine fish resources relies on separation and management of biologically meaningful groups of conspecifics, termed fishery stocks, often depicted as self-sustaining, spatiotemporally separated and demographically independent entities. Such stock discrimination has however proven challenging. Although most marine fish species form local spawning populations (in relation to hydrological and topographical features that promote local juvenile retention), the level of genetic and demographic connectivity among them is difficult to quantify, given that marine fish often display low genetic differentiation, implying gene flow among local populations mediated by dispersal and migrations in a “barrier free” environment. In... (More)
Prudent management of marine fish resources relies on separation and management of biologically meaningful groups of conspecifics, termed fishery stocks, often depicted as self-sustaining, spatiotemporally separated and demographically independent entities. Such stock discrimination has however proven challenging. Although most marine fish species form local spawning populations (in relation to hydrological and topographical features that promote local juvenile retention), the level of genetic and demographic connectivity among them is difficult to quantify, given that marine fish often display low genetic differentiation, implying gene flow among local populations mediated by dispersal and migrations in a “barrier free” environment. In this thesis I assess regional genetic structure and phenotypic divergence in a “high gene flow” fish species, the Atlantic cod (Gadus morhua), and re-evaluate the current stock division into an Eastern Baltic (EB) and Western Baltic (WB) cod stock. I also assess genetic consequences of population size reductions in a regional population assemblage of brown trout (Salmo trutta), used as a model system to draw conclusions relevant to overexploited fishery stocks.
I examine genetic structure in a regional assemblage of local cod populations, making up a transitional admixture zone that separates the non-admixed North Sea stocks from non-admixed Baltic Sea stocks. In spite of a gradient in genetic admixture, which coincides with a gradient in salinity, local cod populations form two differentiated genetic clusters (stock complexes); a North Sea stock complex (Kattegat & Öresund), and a Baltic Sea proper stock complex (Arkona & Bornholm basins). This division is supported by recent genetic work, but is not congruent with the current EB and WB stock division. I also assess stock mixing in the Öresund management subdivision, an interface between inferred stock complexes, seeing increasing stock mixing (proportion Baltic genotypes) with decreasing distance from the Baltic Sea proper, and non-negligible but stable stock mixing throughout a single season. The combination of non-negligible migrant influx and maintained genetic differentiation might imply regionally prevailing spatiotemporal spawning separation and homing.
I assess phenotypic and behavioural divergence in a local cod population, manifested through biased catches with regard to body condition, growth and body morphology. Evidence suggest that the observed divergence constitute within-stock behavioural components (not genetically divergent populations) most likely induced by increased intraspecific competition within the Baltic Sea proper.
The inconsistent spatial genetic structures historically inferred for Baltic cod raises questions regarding the spatiotemporal stability of an admixture zone. To examine how population size reductions (and ensuing density dependent migrations and interactions) influence the genetic integrity of populations and the regional genetic admixture, I assess genetic variability within an assemblage of trout populations that suffered recent region-wide population decimations and recoveries. Recovered populations were characterized by lower genetic differentiation and higher genetic admixture, implying that population size reductions could endanger the genetic integrity of local populations. Such density-dependent genetic integrity is of relevance also to cod, given the drastic declines in Baltic cod stocks from overexploitation in the 1980s and 1990s.
In summary, my work suggests that stock discrimination and stock division must be more dynamic, especially for population assemblages experiencing genetic admixture, exploitation, and stock size reductions. Given that stock size reductions can increase genetic admixture from density-dependent gene flow, and that gene flow can counteract local adaptation, overexploitation can have unforeseen detrimental effects on local populations. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Hemmer-Hansen, Jakob, National institute of Aquatic Resources, Technical University of Denmark
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Fisheries management, Fishery stock, Stock discrimination, Genetic structure, Genetic admixture, Admixture zone, Stock substructure, Phenotypic divergence, Gadus morhua, Salmo trutta
edition
1
pages
175 pages
publisher
Department of Biology, Lund University
defense location
The Blue Hall, Ecology Building, Sölvegatan 37, Lund
defense date
2016-05-18 09:00
ISBN
978-91-7623-703-8
language
English
LU publication?
yes
id
2b9f691f-aea7-48b5-ab1c-8e46b9cd9434
date added to LUP
2016-04-21 13:36:48
date last changed
2016-09-19 08:45:20
@phdthesis{2b9f691f-aea7-48b5-ab1c-8e46b9cd9434,
  abstract     = {Prudent management of marine fish resources relies on separation and management of biologically meaningful groups of conspecifics, termed fishery stocks, often depicted as self-sustaining, spatiotemporally separated and demographically independent entities. Such stock discrimination has however proven challenging. Although most marine fish species form local spawning populations (in relation to hydrological and topographical features that promote local juvenile retention), the level of genetic and demographic connectivity among them is difficult to quantify, given that marine fish often display low genetic differentiation, implying gene flow among local populations mediated by dispersal and migrations in a “barrier free” environment. In this thesis I assess regional genetic structure and phenotypic divergence in a “high gene flow” fish species, the Atlantic cod (Gadus morhua), and re-evaluate the current stock division into an Eastern Baltic (EB) and Western Baltic (WB) cod stock. I also assess genetic consequences of population size reductions in a regional population assemblage of brown trout (Salmo trutta), used as a model system to draw conclusions relevant to overexploited fishery stocks.<br/>I examine genetic structure in a regional assemblage of local cod populations, making up a transitional admixture zone that separates the non-admixed North Sea stocks from non-admixed Baltic Sea stocks. In spite of a gradient in genetic admixture, which coincides with a gradient in salinity, local cod populations form two differentiated genetic clusters (stock complexes); a North Sea stock complex (Kattegat &amp; Öresund), and a Baltic Sea proper stock complex (Arkona &amp; Bornholm basins). This division is supported by recent genetic work, but is not congruent with the current EB and WB stock division. I also assess stock mixing in the Öresund management subdivision, an interface between inferred stock complexes, seeing increasing stock mixing (proportion Baltic genotypes) with decreasing distance from the Baltic Sea proper, and non-negligible but stable stock mixing throughout a single season. The combination of non-negligible migrant influx and maintained genetic differentiation might imply regionally prevailing spatiotemporal spawning separation and homing.<br/>I assess phenotypic and behavioural divergence in a local cod population, manifested through biased catches with regard to body condition, growth and body morphology. Evidence suggest that the observed divergence constitute within-stock behavioural components (not genetically divergent populations) most likely induced by increased intraspecific competition within the Baltic Sea proper.<br/>The inconsistent spatial genetic structures historically inferred for Baltic cod raises questions regarding the spatiotemporal stability of an admixture zone. To examine how population size reductions (and ensuing density dependent migrations and interactions) influence the genetic integrity of populations and the regional genetic admixture, I assess genetic variability within an assemblage of trout populations that suffered recent region-wide population decimations and recoveries. Recovered populations were characterized by lower genetic differentiation and higher genetic admixture, implying that population size reductions could endanger the genetic integrity of local populations. Such density-dependent genetic integrity is of relevance also to cod, given the drastic declines in Baltic cod stocks from overexploitation in the 1980s and 1990s.<br/>In summary, my work suggests that stock discrimination and stock division must be more dynamic, especially for population assemblages experiencing genetic admixture, exploitation, and stock size reductions. Given that stock size reductions can increase genetic admixture from density-dependent gene flow, and that gene flow can counteract local adaptation, overexploitation can have unforeseen detrimental effects on local populations.},
  author       = {Berndt, Kim H.},
  isbn         = {978-91-7623-703-8},
  keyword      = {Fisheries management,Fishery stock,Stock discrimination,Genetic structure,Genetic admixture,Admixture zone,Stock substructure,Phenotypic divergence,Gadus morhua,Salmo trutta},
  language     = {eng},
  pages        = {175},
  publisher    = {Department of Biology, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Fishing the gene pool : Genetic structure, admixture and behavioural complexity in fisheries management },
  year         = {2016},
}