Advanced

Physical and biological dispersal barriers in invasive, bloom-forming microalgae

Sassenhagen, Ingrid LU (2015)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Länge trodde man att mikroorganismer spreds obehindrat på grund av deras ringa storlek och höga celltäthet. Eftersom de är väldigt små kan de lätt transporteras i vattendroppar med hjälp av vinden eller genom att fästa vid andra organismer så som fåglar och insekter. Endast miljöförhållanden som gynnade särskilda mikrober troddes påverka arters spridning och organismsamhällens struktur. Överraskande nog har flera studier på sistone pekat på genetiska skillnader mellan lokala grupper av mikroorganismer. Eftersom dessa grupper tillhör samma art kallas de istället ”populationer”. Dessa rön visar att det finns viktiga spridningsbarriärer som förhindrar att olika populationer blandas.

... (More)
Popular Abstract in Swedish

Länge trodde man att mikroorganismer spreds obehindrat på grund av deras ringa storlek och höga celltäthet. Eftersom de är väldigt små kan de lätt transporteras i vattendroppar med hjälp av vinden eller genom att fästa vid andra organismer så som fåglar och insekter. Endast miljöförhållanden som gynnade särskilda mikrober troddes påverka arters spridning och organismsamhällens struktur. Överraskande nog har flera studier på sistone pekat på genetiska skillnader mellan lokala grupper av mikroorganismer. Eftersom dessa grupper tillhör samma art kallas de istället ”populationer”. Dessa rön visar att det finns viktiga spridningsbarriärer som förhindrar att olika populationer blandas.

Liknande geografiska mönster har även upptäckts hos den encelliga sötvattensalgen Gonyostomum semen (Gubbslem). Denna art, som bildar omfattande och besvärliga algblomningar sommartid, har nyligen invaderat flera nya sjöar i norra Europa. Trots att utbredningen har skett nyligen skiljer sig alla sjöpopulationer åt genetiskt. I denna avhandling har jag studerat möjliga spridningsbarriärer för denna art, något som skulle kunna förklara den genetiska skillnaden mellan populationer. Jag antog att populationer i sjöar, som är direkt kopplade via ett vattendrag, är väldigt lika varandra. Jag förväntade mig också att populationer som befinner sig flera kilometer från varandra skulle skilja sig åt genetiskt. Trots detta upptäckte jag att majoriteten av alla G. semen-celler inte sprider sig via vattendrag, utan genom transport med andra bärare oberoende av hydrologi. Hydrologisk förbindelse påverkar alltså inte graden av genetisk spridning mellan populationer. Små avstånd mellan sjöar underlättar till viss del genflöde mellan populationer, men i en större skala påverkar inte geografiskt avstånd populationsstrukturer.

Evolutionär utveckling av egenskaper som är gynnsamma i en särskild miljö kallas lokal anpassning. Dessa kan ge den lokala populationen ett betydande övertag gentemot inkräktare och förhindra att dessa etablerar sig, samt driva genetisk differentiering. Trots detta är inte G. semen-populationer anpassade till de förhållanden som råder i de sjöar de påträffas i. Tvärtom visar jag på att G. semen-celler snabbt kan anpassa sig till och etablera sig i nya livsmiljöer, något som troligtvis har underlättat invasionen av denna art på sistone. I ett av experimentet visade det sig dock att ordningen i vilken livsmiljön koloniseras kan påverka hur organismsamhället i den livsmiljön senare kommer att se ut. De första kolonisatörerna visade sig ha ett betydande övertag gentemot senare anländande och kom därmed att dominera livsmiljön. Denna dominans kan bero på högre celltäthet hos den lokala populationen, resursexploatering eller utsöndring av ämnen som hämmar tillväxten hos inkräktare. Denna grundareffekt driver förmodligen den genetiska differentieringen mellan G. semen-populationer.



Popular Abstract in German

Es wurde lange angenommen, dass sich Mikroorganismen wegen ihrer kleinen Größe und hohen Anzahl grenzenlos ausbreiten können. Sie sind so klein, dass sie in Wassertropfen mit dem Wind und angeheftet an Vögel und Insekten transportiert werden können. Nur die Umweltbedingungen seien verantwortlich für die Verbreitung von Arten und die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft. Überraschenderweise haben etliche Studien in letzter Zeit genetische Unterschiede zwischen regionalen Gruppen festgestellt. Diese Gruppen gehören alle zur selben Art und werden deshalb „Population“ genannt. Die Befunde weisen auf wichtige Ausbreitungshindernisse hin, welche die Vermischung unterschiedlicher Populationen verhindern.

Ähnliche geografische Muster wurden auch in der Süßwasseralge Gonyostomum semen entdeckt. Diese Algenart ist kürzlich in viele Seen in Nordeuropa eingedrungen und bildet im Sommer ausgedehnte, unangenehme Algenblüten. Obwohl die Ausbreitung erst vor kurzem stattfand, sind die Populationen in allen Seen verschieden. In meiner Doktorarbeit habe ich mich mit möglichen Ausbreitungshindernissen in dieser Art beschäftigt, um die genetische Differenzierung der Populationen zu erklären.

Ich hatte angenommen, dass Populationen in Seen, welche direkt durch Flüsse oder Bäche verbunden sind, einander sehr ähneln. Ich hatte auch erwartet, dass Populationen, welche viele Kilometer voneinander entfernt sind, genetisch sehr unterschiedlich sind. Ich habe allerdings herausgefunden, dass sich die meisten G. semen Zellen nicht durch Flüsse und Bäche verbreiten, sondern unabhängig von den Wasserwegen transportiert werden. Das Gewässernetz zwischen den Seen beeinflusst daher nicht das Ausmaß an genetischen Unterschieden zwischen Algenpopulationen. Kurze Entfernung zwischen Seen erleichtert zwar den Austausch von genetischem Material zwischen Populationen, aber auf großen Entfernungen spielt der Abstand zwischen Lebensräumen nur eine untergeordnete Rolle.

Die evolutionäre Entwicklung von typischen Eigenschaften, welche nur in einem bestimmten Lebensraum nützlich sind, nennt man örtliche Anpassung. Durch diese könnten die lokalen Population im Konkurrenzkampf mit Eindringlingen einen bedeutenden Vorteil haben, ihre Ansiedlung verhindern und die genetische Abgrenzung vorantreiben. Populationen von G. semen scheinen jedoch nicht an die Umweltbedingungen in ihrem Lebensraum angepasst zu sein. Stattdessen können sich G. semen Zellen sehr schnell an neue Umweltbedingungen gewöhnen und sich in neuen Seen etablieren, was wahrscheinlich ihre kürzliche Ausbreitung erleichtert hat. Ein Experiment hat jedoch gezeigt, dass die Ankunftsreihenfolge in einem neuen Lebensraum die spätere Zusammensetzung der Gemeinschaft beträchtlich beeinflusst. Die ersten Ankömmlinge haben einen bedeutenden Vorteil gegenüber späteren Eindringlingen und dominieren den See. Diese Dominanz könnte auf die höhere Zellzahl der lokalen Population, Nährstoffausbeutung oder die Produktion von Chemikalien, die das Wachstum von Eindringlingen unterdrücken, zurückzuführen sein. Dieser „Gründereffekt“ treibt wahrscheinlich die Abgrenzung zwischen unterschiedlichen Populationen in der Algenart G. semen voran. (Less)
Abstract
For a long time microorganisms were assumed to have unlimited dispersal due to their small size and high cell numbers. Most microbial species can be transported by water currents, in water droplets by wind and attached to other organisms. Environmental conditions alone were supposed to affect the distribution of species and the community composition. Therefore, microorganisms were assumed to consist only of a few cosmopolitan species according to observations of similar morphotypes in distant environments. However, molecular methods recently revealed an unexpected high intraspecific diversity and genetically differentiated populations following geographic patterns. These findings indicate significant dispersal barriers that prevent gene... (More)
For a long time microorganisms were assumed to have unlimited dispersal due to their small size and high cell numbers. Most microbial species can be transported by water currents, in water droplets by wind and attached to other organisms. Environmental conditions alone were supposed to affect the distribution of species and the community composition. Therefore, microorganisms were assumed to consist only of a few cosmopolitan species according to observations of similar morphotypes in distant environments. However, molecular methods recently revealed an unexpected high intraspecific diversity and genetically differentiated populations following geographic patterns. These findings indicate significant dispersal barriers that prevent gene flow among populations. Genetic differentiation of populations was also observed in the freshwater microalga Gonyostomum semen. This species recently invaded several new lakes in northern Europe and forms extensive blooms in summer. In this thesis potential dispersal barriers for this species were studied to explain the observed genetic population structure. Physical dispersal barriers are often suggested to strongly impact population differentiation in microorganisms. However, one study in this thesis showed that missing hydrological connectivity and isolation by geographic distance had only limited impact on divergence of G. semen populations. Biological dispersal barriers like local adaptation and founder effects represent alternative mechanisms that might drive population differentiation in microalgae. The hypothesized local adaptation had to be rejected, as growth optima in G. semen did usually not reflect environmental conditions in the lake of origin. Instead, we reported high phenotypic plasticity, which might have facilitated the recent expansion of this species. However, we showed significant priority effects in competition experiments with different strains of the marine diatom Skeletonema marinoi. Competitive advantage based on prior arrival of the local population might enable it to outcompete later invaders and could result in monopolization of the habitat. This founder effect might as well drive population differentiation in G. semen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Vyverman, Wim, Ghent University
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Dispersal barriers, microalgae, phenotypic differentiation, population genetics, priority effects
pages
122 pages
publisher
Department of Biology, Lund University
defense location
Blue Hall, Ecology Building
defense date
2015-05-29 09:00
ISBN
978-91-7623-326-9
language
English
LU publication?
yes
id
1c14d59a-7d6e-471c-9f24-43e7965fd336 (old id 5364222)
date added to LUP
2015-05-13 15:51:32
date last changed
2016-09-19 08:45:07
@phdthesis{1c14d59a-7d6e-471c-9f24-43e7965fd336,
  abstract     = {For a long time microorganisms were assumed to have unlimited dispersal due to their small size and high cell numbers. Most microbial species can be transported by water currents, in water droplets by wind and attached to other organisms. Environmental conditions alone were supposed to affect the distribution of species and the community composition. Therefore, microorganisms were assumed to consist only of a few cosmopolitan species according to observations of similar morphotypes in distant environments. However, molecular methods recently revealed an unexpected high intraspecific diversity and genetically differentiated populations following geographic patterns. These findings indicate significant dispersal barriers that prevent gene flow among populations. Genetic differentiation of populations was also observed in the freshwater microalga Gonyostomum semen. This species recently invaded several new lakes in northern Europe and forms extensive blooms in summer. In this thesis potential dispersal barriers for this species were studied to explain the observed genetic population structure. Physical dispersal barriers are often suggested to strongly impact population differentiation in microorganisms. However, one study in this thesis showed that missing hydrological connectivity and isolation by geographic distance had only limited impact on divergence of G. semen populations. Biological dispersal barriers like local adaptation and founder effects represent alternative mechanisms that might drive population differentiation in microalgae. The hypothesized local adaptation had to be rejected, as growth optima in G. semen did usually not reflect environmental conditions in the lake of origin. Instead, we reported high phenotypic plasticity, which might have facilitated the recent expansion of this species. However, we showed significant priority effects in competition experiments with different strains of the marine diatom Skeletonema marinoi. Competitive advantage based on prior arrival of the local population might enable it to outcompete later invaders and could result in monopolization of the habitat. This founder effect might as well drive population differentiation in G. semen.},
  author       = {Sassenhagen, Ingrid},
  isbn         = {978-91-7623-326-9},
  keyword      = {Dispersal barriers,microalgae,phenotypic differentiation,population genetics,priority effects},
  language     = {eng},
  pages        = {122},
  publisher    = {Department of Biology, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Physical and biological dispersal barriers in invasive, bloom-forming microalgae},
  year         = {2015},
}