Phylogeography and Adaptive Divergence of Three-spined Stickleback Populations

Genetic studies on phylogeography and adaptive divergence in Northern Hemisphere fish species such as three-spined stickleback (Gasterosteus aculeatus) provide an excellent opportunity to investigate genetic mechanisms underlying population differentiation. According to the theory, the process of population differentiation results from a complex interplay between random and deterministic processes as well historical factors. The main scope in this thesis was to study how historical factors like the Pleistocene ice ages have shaped the patterns molecular diversity in three-spined stickleback populations in Europe and how this information could be utilized in the conservation genetic context. Furthermore, identifying footprints of natural selection at the DNA level might be used in identifying genes involved in evolutionary change. Overall, the results from phylogeographic studies indicate that the three-spined stickleback has colonized the Atlantic basin relatively recently but constitutes three major evolutionary lineages in Europe. In addition, the colonization of freshwater appears to result from multiple and independent invasions by the marine conspecifics. Molecular data together with morphology suggest that the most divergent freshwater populations are located in the Balkan Peninsula and these populations deserve a special conservation genetic status without warranting further taxonomical classification. In order to investigate the adaptive divergence in Fennoscandian three-spined stickleback populations several approaches were used. First, sequence variability in the Eda-gene, coding for the number of lateral plates, was concordant with the previously observed global pattern. Full plated allele is in high frequencies among marine populations whereas low plated allele dominates in the freshwater populations. Second, a microsatellite based genome scan identified both indications of balancing and directional selection in the three-spined stickleback genome, i.e. loci with unusually similar or unusually different allele frequencies over populations. The directionally selected loci were mainly associated with the adaptation to freshwater. A follow up study conducting a more detailed analysis in a chromosome region containing a putatively selected gene locus identified a fairly large genomic region affected by natural selection. However, this region contained several gene predictions, all of which might be the actual target of natural selection. All in all, the phylogeographic and adaptive divergence studies indicate that most of the genetic divergence has occurred in the freshwater populations whereas the marine populations have remained relatively uniform.

Tietoa lajin sisäisen geneettisen monimuotoisuuden jakautumisesta populaatioiden välillä ja DNA:n tasolla voidaan käyttää lajiutumiseen johtavien geneettisten muutosten tutkimiseen. Pohjoisen pallonpuoliskon kalalajit, kuten kolmipiikki (Gasterosteus aculeatus) ovat sopivia mallilajeja geneettisen monimuotoisuuden ja varhaisen lajiutumisen tutkimuksessa erityisesti ulkoasultaan erilaisten populaatioiden vuoksi. Tämän väitöstutkimuksen tarkoituksena oli selvittää kolmipiikin levinneisyyshistoriaa ja populaatiorakennetta molekyylituntomerkkien avulla. Lisäksi tutkimus kohdentui luonnonvalinnan kannalta merkityksellisien kromosomialueiden kartoitukseen. Mitokondriaalisen DNA:n valossa näyttää siltä, että kolmipiikki on saapunut Atlanttiin verraten hiljattain mutta on erilaistunut kolmeen evoluutiolinjaan; trans-Atlanttiseen, Eurooppalaiseen ja Mustan meren linjoihin. Tuman molekyylituntomerkit paljastivat järvi- ja jokipopulaatioiden saaneen alkunsa meressä elävistä kolmipiikeistä mutta makean veden populaatiot ovat seurausta monista itsenäisistä asuttamisista. Erilaistumisen aste Balkanin niemimaan populaatioissa oli sekä molekyylintuntomerkeissä ja morfologisessa muuntelussa huomattavasti suurempaa kuin muissa Eurooppalaisissa populaatioissa. Tämä tulos tukee Balkanin niemimaan populaatioiden asemaa evolutiivisesti merkittävinä yksiköinä, joiden erityisasema pitäisi ottaa lajin geneettisen monimuotoisuuden suojelussa. Kolmipiikkipopulaatioiden sopetuminen makeaan veteen johtaa usein muutoksiin niiden morfologisissa ominaisuksissa. Sekvenssimuuntelu geenissä, joka koodaa kylkilevyjen määrän muuntelua vahvisti aiemman globaalin tutkimuksen tulokset myös Fennoskandian populaatioissa. Täyden kylkilevymäärän alleeli esiintyi hyvin korkealla frekvensillä meripopulaatioissa kun taas alleeli, joka vastaa kylkilevymäärän vähenemisestä esiintyi yleisenä makean veden populaatioissa. Luonnonvalinnan signaalien etsimiseen perustunut genomin kartoitus paljasti useita genomialueita, joissa tasapainottava ja suuntaava valinta ovat todennäköisesti vaikuttaneet. Näissä molekyylituntomerkkeissä alleelifrekvenssit olivat joko epätavalisen samanalaiset tai erilaiset verrattuna koko genomin keskiarvoon. Tarkempi tutkimus genomialueella, jossa todettiin suuntaavan valinnan signaali, vahvisti että signaali on havaittavissa monessa molekyylituntomerkkilokuksessa. Tämä genomialue sisälsi kuitenkin useita ennustettuja geenejä, joten varmuudella ei pystytty selvittämään mikä geeni on luonnonvalinnan suosima. Tämän väitöskirjan tulosten valossa näyttää siltä, että suurin osa populaatioden välisistä geneettisistä eroista johtuu makean veden populaatioiden eroista kun taas meripopulaatiot ovat säilyneet melko samankaltaisina.