Impact of anthropogenic stressors on the population genetics of the common bioindicator Dreissena polymorpha (Pallas, 1771)

Toxicant inputs from agriculture, industry and human settlements have been shown to severely affect freshwater ecosystems. Pollution can lead to changes in population genetic patterns through various genetic and stochastic processes. In my thesis, I investigated the impact of anthropogenic stressors on the population genetics of the zebra mussel Dreissena polymorpha. In order to analyze the genetics of zebra mussel populations, I isolated five new highly polymorphic microsatellite loci. Out of those and other already existing microsatellite markers for this species, I established a robust marker set of six microsatellite loci for D. polymorpha. rnMonitoring the biogeographical background is an important requirement when integrating population genetic measures into ecotoxicological studies. I analyzed the biogeographical background of eleven populations in a section of the River Danube (in Hungary and Croatia) and some of its tributaries, and another population in the River Rhine as genetic outgroup. Moreover, I measured abiotic water parameters at the sampling sites and analyzed if they were correlated with the genetic parameters of the populations. The genetic differentiation was basically consistent with the overall biogeographical history of the populations in the study region. However, the genetic diversity of the populations was not influenced by the geographical distance between the populations, but by the environmental factors oxygen and temperature and also by other unidentified factors. I found strong evidence that genetic adaptation of zebra mussel populations to local habitat conditions had influenced the genetic constitution of the populations. Moreover, by establishing the biogeographical baseline of molecular variance in the study area, I laid the foundation for interpreting population genetic results in ecotoxicological experiments in this region.rnIn a cooperation project with the Department of Zoology of the University of Zagreb, I elaborated an integrated approach in biomonitoring with D. polymorpha by combining the analysis techniques of microsatellite analysis, Comet assay and micronucleus test (MNT). This approach was applied in a case study on freshwater contamination by an effluent of a wastewater treatment plant (WWTP) in the River Drava (Croatia) and a complementary laboratory experiment. I assessed and compared the genetic status of two zebra mussel populations from a contaminated and a reference site. Microsatellite analysis suggested that the contaminated population had undergone a genetic bottleneck, caused by random genetic drift and selection, whereas a bottleneck was not detected in the reference population. The Comet assay did not indicate any difference in DNA damage between the two populations, but MNT revealed that the contaminated population had an increased percentage of micronuclei in hemocytes in comparison to the reference population. The laboratory experiment with mussels exposed to municipal wastewater revealed that mussels from the contaminated site had a lower percentage of tail DNA and a higher percentage of micronuclei than the reference population. These differences between populations were probably caused by an overall decreased fitness of mussels from the contaminated site due to genetic drift and by an enhanced DNA repair mechanism due to adaptation to pollution in the source habitat. Overall, the combination of the three biomarkers provided sufficient information on the impact of both treated and non-treated municipal wastewater on the genetics of zebra mussels at different levels of biological organization.rnIn my thesis, I could show that the newly established marker set of six microsatellite loci provided reliable and informative data for population genetic analyses of D. polymorpha. The adaptation of the analyzed zebra mussel populations to the local conditions of their habitat had a strong influence on their genetic constitution. We found evidence that the different genetic constitutions of two populations had influenced the outcome of our ecotoxicological experiment. Overall, the integrated approach in biomonitoring gave comprehensive information about the impact of both treated and non-treated municipal wastewater on the genetics of zebra mussels at different levels of biological organization and was well practicable in a first case study.

Einleitungen von Fremdstoffen aus Landwirtschaft, Industrie und menschlichen Siedlungen in Gewässer haben schwerwiegende Auswirkungen auf Süßwasserökosysteme. Gewässerverschmutzung kann über verschiedene gerichtete und stochastische genetische Prozesse Veränderungen in genetischen Mustern von Populationen hervorrufen. In meiner Arbeit analysierte ich den Einfluss von anthropogenen Stressoren auf die Populationsgenetik der Dreikantmuschel Dreissena polymorpha. Dazu isolierte ich fünf hochpolymorphe Mikrosatellitenloci. Aus diesen und anderen bereits existierenden Mikrosatellitenloci für diese Spezies etablierte ich ein robustes Markersystem bestehend aus sechs Mikrosatellitenloci für D. polymorpha.rnWenn man populationsgenetische Maßzahlen in ökotoxikologische Studien integrieren will, ist es wichtig, den biogeographischen Hintergrund der Populationen zu kennen. Ich analysierte daher den biogeographischen Hintergrund von elf Populationen aus einem Abschnitt der Donau (in Ungarn und Kroatien) und einigen Nebenflüssen der Donau in diesem Gebiet, sowie zusätzlich - als genetische Außengruppe - eine weitere Population aus dem Rhein. Darüber hinaus maß ich abiotische Wasserparameter an den Sammelstellen und untersuchte, ob es einen Zusammenhang zwischen diesen Parametern und den genetischen Kenngrößen der Populationen gab. Die genetische Differenzierung zwischen den Populationen stimmte grundsätzlich mit dem allgemeinen biogeographischen Hintergrund der Populationen des Untersuchungsgebietes überein. Allerdings war die genetische Diversität der Populationen nicht nur von der geographischen Distanz zwischen den Sammelorten abhängig. Sie war auch vom Sauerstoffgehalt des Wassers, der Wassertemperatur und weiteren nicht identifizierten Wasserparametern statistisch abhängig. Ich fand starke Hinweise darauf, dass die genetische Konstitution der Dreikantmuschelpopulationen durch genetische Anpassungen an die lokalen Bedingungen in den Habitaten beeinflusst wurde. Weiterhin schuf ich eine Grundlage für die Interpretation von populationsgenetischen Ergebnissen in ökotoxikologischen Experimenten in dieser Region, indem ich die biogeographische Basislinie der molekularen Variabilität in dem Untersuchungsgebiet beschrieb.rnIn einem Kooperationsprojekt mit der Abteilung Zoologie der Universität Zagreb entwickelte ich einen ganzheitlichen Ansatz im Biomonitoring mit D. polymorpha, indem ich die Techniken Mikrosatellitenanalyse, Comet assay und Mikronukleustest (MNT) kombinierte. Diesen Ansatz wendete ich in einer Fallstudie an, die die Auswirkungen von Gewässerkontamination durch den Abfluss eines Klärwerkes (WWTP) auf D. polymorpha im Fluss Drava (Kroatien) untersuchte. Ich beschrieb die genetischen Konstitutionen von zwei Dreikantmuschelpopulationen von einer kontaminierten und einer Kontrollstelle und verglich diese miteinander. Die Mikrosatellitenanalyse wies darauf hin, dass die kontaminierte Population einen genetischen Flaschenhalseffekt durchlaufen hatte, verursacht durch genetische Drift und durch Selektion. In der Kontrollpopulation wurde kein Flaschenhalseffekt festgestellt. Der Comet assay zeigte zwischen den Populationen keinen Unterschied in der Höhe der DNA-Schädigung. Allerdings zeigte der MNT, dass die kontaminierte Population im Vergleich zur Kontrollpopulation eine erhöhte Frequenz an Mikronuklei in den Hämozyten aufwies. Ein ergänzendes Laborexperiment, in dem Muscheln beider Populationen kontaminiertem Abwasser der Stadt Zagreb ausgesetzt wurden, zeigte, dass Muscheln der kontaminierten Stelle im Comet assay eine geringere DNA-Schädigung als die Kontrollpopulation aufwiesen, allerdings eine höhere DNA-Schädigung im MNT. Diese Unterschiede zwischen den beiden Populationen waren möglicherweise bedingt durch eine allgemein geringere Fitness der Muscheln der kontaminierten Probennahmestelle einerseits, verursacht durch genetische Drift, und andererseits durch einen verstärkten DNA-Reparaturmechanismus als Folge der Anpassung der Muscheln an die Verschmutzung im ursprünglichen Habitat.rnIn meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass das neu etablierte Mikrosatelliten-Markersystem verlässliche und informative Daten für populationsgenetische Analysen von D. polymorpha lieferte. Die Anpassung der analysierten Dreikantmuschelpopulationen an die lokalen Bedingungen ihres Habitats hatte einen starken Einfluss auf ihre genetische Konstitution. Darüber hinaus fand ich Hinweise, dass die unterschiedlichen genetischen Konstitutionen der beiden Populationen ihre Reaktionen im Laborexperiment beeinflussten. Zum Schluss lässt sich festhalten, dass der ganzheitliche Ansatz im Biomonitoring in dieser ersten Fallstudie gut praktizierbar war, und dass die Kombination der drei Biomarker umfassende Informationen über den Einfluss von geklärtem und nicht geklärtem städtischem Abwasser auf die Genetik von Dreikantmuschelpopulationen lieferten.