differenziazione genetica tra popolazioni di orchestia montagui delle

Biol. Mar. Medit. (2006), 13 (1): 1067-1071
M. Cervelli, E. Bortolomei, A. Libertini
Istituto di Scienze Marine – C.N.R., Riva 7 Martiri, 1364/A – 30122 Venezia, Italia.
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DIFFERENZIAZIONE GENETICA TRA POPOLAZIONI
DI ORCHESTIA MONTAGUI DELLE COSTE SARDE
GENETIC DIFFERENTIATION AMONG POPULATIONS
OF ORCHESTIA MONTAGUI FROM SARDINIAN COASTS
Abstract
Four populations of Orchestia montagui (Amphipoda, Talitridae) from the Sardinia coasts were studied
to verify genetic differentiation using isoenzyme systems. Main parameters of the genetic variability were
obtained. Genetic distance and migration flow among populations were calculated and results were discussed.
Key-words: crustaceans, isoenzymes, genetics.
Introduzione
Orchestia montagui (Amphipoda, Talitridae) è una specie adattata ad un particolare ambiente di transizione tra mare e terra; essa abita la fascia sopratidale
al limite del livello di marea ed in stretta associazione con materiale spiaggiato,
generalmente ammassi di fanerogame marine. Resta legata all’ambiente marino
sia per ragioni trofiche, nutrendosi nelle fanerogame spiaggiate, sia per gli spostamenti più cospicui. Infatti la mobilità terrestre è ridotta a brevi movimenti
prevalentemente perpendicolari alla linea di costa: essa affida la sua possibilità di
spostamento su distanze medio-grandi all’ambiente marino avendo conservato la
capacità di sopravvivere in acqua e di nuotare. La dispersione è passiva, tramite
trasporto occasionale su materiale alla deriva.
La ricerca ha interessato alcuni campioni di questa specie raccolti in quattro
località della costa sarda, ben distanziate, allo scopo di verificare fenomeni di differenziamento genetico tra le popolazioni e stimare l’entità dello scambio migratorio tra di loro. Come marcatori sono stati utilizzati alcuni caratteri enzimatici.
Materiali e metodi
Sono stati campionate ed analizzate quattro popolazioni di O. montagui delle
coste sarde, in zone di battigia di spiagge sabbiose caratterizzate da accumuli di
detrito di fanerogame. Le aree di provenienza sono situate approssimativamente
ai quattro vertici dell’isola: Alghero a Nord-Ovest (spiaggia cittadina), Teulada a
Sud-Ovest (porticciolo ad Est del promontorio), Villasimius a Sud-Est (località is
Turas), Budoni a Nord-Est (località Malamuri).
Sono stati identificati, col metodo dell’analisi elettroforetica, i fenotipi di 13
sistemi enzimatici: amilasi, amino-peptidasi (PEP), arginina fosfatasi, gliceraldeidefosfato deidrogenasi, enzima malico, fosfogluco-mutasi (PGM), glutammico-ossalacetico transaminasi (GOT), glucosio-fosfato deidrogenasi, glucosio-fosfato isomerasi (GPI), glutammico-piruvico transaminasi, isocitrico deidrogenasi, malico
deidrogenasi (MDH), mannosio-fosfato isomerasi (MPI).
M. Cervelli, E. Bortolomei, A. Libertini
1068
Le corse elettroforetiche, orizzontali, sono state effettuate su substrato di amido
e di acetato di cellulosa nel caso dell’amilasi; le colorazioni sono state condotte
secondo i ricettari di Shaw e Prasad (1970) in fase liquida per le corse in amido,
in agar per l’acetato.
I dati sono stati adeguatamente compilati ed elaborati per mezzo dei programmi statistici BIOSYS-1 (Swofford e Selander, 1989), GDA (Lewis e Zaykin,
2001), Genepop (Raymond e Rousset, 1995).
Risultati
I loci GPI, MDH, MPI, PEP-3, PGM sono risultati polimorfi col criterio del
95% (frequenza dell’allele più comune <0,95); inoltre nel locus GOT-2 è stato
rilevato, tranne a Teulada, un allele molto raro con frequenze inferiori all’1%. Il
valore medio di eterozigosi osservata nei quattro campioni è risultato pari a 0,118
rispetto ad un valore atteso di 0,127. Le frequenze alleliche ed i valori di eterozigosi osservata ed attesa rilevati nei loci polimorfi delle quattro stazioni sono
riportati in Tab. 1. Precedenti studi (Angelini et al., 1996) sulla stessa specie nella
laguna di Venezia avevano stimato frequenze di eterozigosi osservata dell’ordine
del 0,036 ed attesa pari a 0,056, mentre valori di eterozigosi attesa fra lo 0,005
e 0,063 sono state descritte da De Mattheis et al. (1998) per popolazioni di O.
montagui di alcune isole egee; tuttavia questi dati sono relativamente paragonabili
tra di loro in quanto fondati sull’analisi di set di enzimi differenti.
Tab. 1 - Frequenze alleliche dei loci polimorfi di Orchestia montagui delle coste sarde. (N):
numero di individui; He: eterozigosi attesa; Ho: eterozigosi osservata.
Allelic frequencies of the polymorphic loci of Orchestia montagui from Sardinian coasts. (N):
number of individuals; He: expected heterozygosity; Ho: observed heterozygosity.
Locus/Allele
PEP-3 (N)
GPI
MDH
MPI
PGM
A
B
C
He
Ho
(N)
A
B
C
D
He
Ho
(N)
A
B
C
He
Ho
(N)
A
B
C
He
Ho
(N)
A
B
C
D
He
Ho
Alghero
Teulada
58
57
.328
.053
.672
.947
.441
.100
.414
.070
60
58
.017
.069
.983
.931
.033
.128
.033
.138
53
59
.406
.424
.594
.576
.482
.488
.472
.542
60
55
.667
.536
.008
.325
.464
.450
.497
.433
.564
57
29
.070
.069
.789
.862
.140
.052
.017
.352
.249
.368
.276
Villas.
60
.192
.808
.310
.283
59
.017
.958
.008
.017
.082
.085
60
.008
.367
.625
.475
.433
59
.924
.076
.141
.119
52
.827
.154
.019
.292
.269
Budoni
80
.063
.931
.006
.129
.138
61
.008
.992
.016
.016
80
.275
.725
.399
.425
80
.369
.631
.466
.587
48
.188
.688
.104
.021
.481
.417
Differenziazione genetica tra popolazioni di Orchestia montagui delle coste sarde
1069
L’indice di fissazione f delle frequenze genotipiche (programma BIOSYS-1),
utile per verificare se viene rispettato l’equilibrio di Hardy-Weinberg, ha fatto
riscontrare uno scostamento significativo solo in MPI di Budoni (difetto di omozigosi P<0,05) ed in PEP-3 di Teulada (eccesso di omozigosi P<0,05). Queste
indicazioni sono state controllate tramite il test esatto col metodo delle catene di
Markov del programma Genepop: è stato confermato lo scostamento solo per il
locus MPI di Budoni (P=0,0185).
Per definire il grado di omogeneità tra le quattro popolazioni sono stati calcolati i livelli sia di identità I che distanza genetica D secondo Nei (1978). I
valori dei confronti per coppie di stazioni sono riportati in Tab. 2. I valori di D
Tab. 2 - Valori di identità I (sotto la diagonale) e distanza D (sopra la diagonale) genetica (Nei,
1978) tra coppie di campioni di Orchestia montagui delle coste sarde.
Pairwise values of genetic identity I (below diagonal) and distance D (above diagonal) (Nei,
1978) between samples of Orchestia montagui from Sardinian coasts.
Alghero
0,992
0,994
0,985
Alghero
Teulada
Villasimius
Budoni
Teulada
0,02
0,985
0,994
Villasimius
0,015
0,037
0,97
Budoni
0,041
0,014
0,080
-
tra coppie di popolazioni vanno da 0,014 a 0,080. Per un confronto, De Mattheis et al. (1995, 1998, 2000) hanno ottenuto, dall’analisi di isoenzimi di talitridi
mediterranei, valori di distanza genetica (Nei, 1978) tra 0,849 e 1,791 per generi
diversi (Orchestia, Talorchestia, Platorchestia, Talitrus), distanze tra 0,505 e 0,594
per specie diverse del genere Orchestia (O. montagui, O. gammarella, O. stephenseni) e distanze fino a 0,028 tra popolazioni di O. montagui; Zane et al. (2001),
analizzando un set di isoenzimi in O. montagui, O. gammarella, O. mediterranea
della laguna di Venezia, riportano distanze genetiche tra 0,3 e 0,6.
ALGHERO
TEULADA
BUDONI
VILLASIMIUS
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
Fig. 1 - “neighbour
ottenuto
di identità
I (Nei,
1978) tra
Fig. A
1 lbero
– Albero
“neighbour joining”
joining” ottenuto
dai dai
dati dati
di identità
geneticagenetica
I (Nei, 1978)
tra quattro
quattro
popolazioni
sarde di montagui.
Orchestia montagui.
popolazioni
sarde di Orchestia
Neighbour
joining
on genetic
(I;1978)
Nei, among
1978) among
four Sardinian
Neighbour
joining
tree tree
basedbased
on genetic
identityidentity
(I; Nei,
four Sardinian
populations
populationsmontagui.
of Orchestia montagui.
of Orchestia
Per evidenziare le differenze tra i campioni è stato costruito il “neighbour joining tree” usando i dati di identità genetica (programma GDA). Il risultato viene
M. Cervelli, E. Bortolomei, A. Libertini
1070
presentato nella Fig. 1: il grafico mostra una maggiore somiglianza tra Alghero e
Teulada, aggregati a Budoni; più isolato risulta il campione di Villasimius.
Una stima della deriva genetica può essere ottenuta calcolando l’indice FST
(Wright, 1965). In Tab. 3 vengono presentati i risultati del confronto tra coppie
di popolazioni: emerge una differenziazione (P<0,05) tra le popolazioni relativamente contigue di Villasimius e Budoni, mentre le altre combinazioni risultano
simili tra loro.
Tab. 3 - Valori della deriva genetica e del flusso genetico tra coppie di popolazioni di Orchestia
montagui delle coste sarde. Sotto la diagonale i valori di FST (Wright, 1965); sopra la
diagonale i valori di Nem.
Pairwise values of genetic drift and genetic flow between samples of Orchestia montagui from
the Sardinian coasts. FST values are below the diagonal (Wright, 1965); Nem values are above
the diagonal.
FST
Alghero
Teulada
Villasimius
Budoni
Alghero
0,051
0,045
0,049
Teulada
4,65
0,107
0,041
Villasimius
5,31
2,09
0,198*
Budoni
2,28
5,85
1,01
Nem
Alghero
Teulada
Villasimius
Budoni
Dai valori di FST è stato possibile ricavare una stima del flusso genetico
Nem (Tab. 3), calcolando il numero effettivo di individui migranti in base ad un
modello di equilibrio tra deriva genetica e processo di migrazione. I confronti tra
le coppie di popolazioni indicano valori consistenti, tra 1,01 e 5,85, a conferma
dell’esistenza di un livello di scambio di individui tra le diverse località sufficiente
a rendere compatibile il grado di omogeneità genetica verificato.
Conclusioni
L’insieme degli indici di fissazione e di flusso genico mette in luce somiglianze
e differenze non riconducibili alle semplici distanze geografiche ed alle possibili
migrazioni di individui; infatti, si può osservare che a fronte di un apparentemente notevole flusso genico stimato tra Budoni e Teulada da un lato e tra
Alghero e Villasimius dall’altro, il potenziale scambio tra Budoni e Villasimius
presenta valori decisamente inferiori. La mancanza di gradienti tra località contigue evidenziata può, ragionevolmente, essere messa in relazione con fenomeni di
deriva genetica in popolazioni locali suddivise. Periodiche riduzioni della dimensione delle popolazioni nel periodo invernale, oppure la loro distruzione dovuta
a fenomeni naturali come occasionali mareggiate o interventi antropici volti alla
pulizia delle spiagge a scopo turistico (operazione in atto ad Alghero durante
il campionamento) possono innescare meccanismi casuali di differenziazione tra
popolazioni.
La precarietà nel tempo delle masse vegetali spiaggiate è suggerita anche dal
fatto che in molte spiaggie sono state trovate grandi quantità di fanerogame prive
di popolamenti di O. montagui nonostante l’apparente presenza di tutti gli elementi favorevoli alla loro costituzione.
Differenziazione genetica tra popolazioni di Orchestia montagui delle coste sarde
1071
Negli scambi migratori della specie, devono assumere una grande rilevanza
anche le numerose popolazioni reperite da De Matthaeis et al. (1995) nelle isole
circumsarde che possono fare da ponte di comunicazione tra una zona e l’altra
della costa.
Bibliografia
ANGELINI E., LONGO N., ZANE L., BISOL P.M. (1996) - Biodiversità in anfipodi Talitridi
da un punto di vista ecogenetico. Biol. Mar. Medit., 3 (1): 115-119.
DE MATTHEIS E., COBOLLI M., DAVOLOS D., MATTOCCIA M. (1995) - Stime di flusso
genico tra popolazioni di Orchestia montagui (Amphipoda, Talitridae) delle isole circumsarde.
Biogeogr., 18: 249-260.
DE MATTHEIS E., DAVOLOS D., COBOLLI M. (1998) - Genetic divergence between populations and species of talitrids from Aegean islands. J. Hered., 98: 37-43.
DE MATTHEIS E., DAVOLOS D., COBOLLI M., KETMAIER V. (2000) - Isolation by distance in equilibrium and nonequilibrium populations of four talitrid species in the Mediterranean sea. Evolution, 54 (5): 1606-1613.
LEWIS P.O., ZAYKIN D. (2001) - Genetic Data Analysis: Computer program for the analysis
of allelic data. Version 1.0 (d16c). Free program distributed by the authors over the internet
from http://lewis.eeb.uconn.edu/lewishome/software.html
NEI M. (1978) - Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a small number
of individuals. Genetics, 89: 583-590.
RAYMOND M., ROUSSET F. (1995) - GENEPOP (version 1.2): population genetics software
for exact tests and ecumenicism. Heredity, 86: 248-249.
REYNOLDS J.,WEIR B.S., COCKERAM C.C. (1983) - Estimation for the coancestry coefficient: basis for a short-term genetic distance. Genetics, 105: 767-779.
SHAW C.R., PRASAD R. (1970) - Starch gel electrophoresis of enzymes - A compilation of
recipes. Biochem. Genet., 4: 297-320.
SWOFFORD D.L, SELANDER R.B. (1989) - BYOSYS-1 A computer program for the analysis
of allelic variation in population genetics and biochemical systematics (ver. 1.7). Illinois Natural History Survey, Champaign, Illinois.
WRIGHT S. (1965) - The interpretation of population structure by F-statistics with regard to
system of mating. Evolution, 19: 395-420.
ZANE L., ANGELINI E., LONGO N., MARCATO S., BISOL P.M. (2001) - Biodivesity at
ecogenetic level in three species of beach fleas. In: Faranda E.M., Guglielmo L., Spezie G.
(eds), Mediterranean ecosystems: structures and Processes. Springer-Verlag Italia: 391-398.