DIFFERENZIAZIONE GENETICA TRA POPOLAZIONI DI ORCHESTIA MONTAGUI DELLE COSTE SARDE

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1 Biol. Mar. Medit. (2006), 13 (1): Istituto di Scienze Marine C.N.R., Riva 7 Martiri, 1364/A Venezia, Italia. massimiliano.cervelli@ismar.cnr.it 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).

2 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 Alghero Teulada Villas. Budoni PEP-3 (N) A B C He Ho GPI (N) A B C D He Ho MDH (N) A B C He Ho MPI (N) A B C He Ho PGM (N) A B C D He Ho

3 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 Teulada Villasimius Budoni Alghero - 0,02 0,015 0,041 Teulada 0,992-0,037 0,014 Villasimius 0,994 0,985-0,080 Budoni 0,985 0,994 0,97 - 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. VILLASIMIUS ALGHERO BUDONI TEULADA 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 Fig. 1 - Albero neighbour joining ottenuto dai dati di identità genetica I (Nei, 1978) tra quattro popolazioni sarde di Orchestia montagui. Neighbour joining tree based on genetic identity (I; Nei, 1978) among four Sardinian populations of Orchestia montagui. 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

4 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 F ST (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 F ST (Wright, 1965); sopra la diagonale i valori di N e m. Pairwise values of genetic drift and genetic flow between samples of Orchestia montagui from the Sardinian coasts. F ST values are below the diagonal (Wright, 1965); N e m values are above the diagonal. F ST Alghero Teulada Villasimius Budoni N e m Alghero 4,65 5,31 2,28 Alghero Teulada 0,051 2,09 5,85 Teulada Villasimius 0,045 0,107 1,01 Villasimius Budoni 0,049 0,041 0,198* Budoni Dai valori di F ST è stato possibile ricavare una stima del flusso genetico N e m (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.

5 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): 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: DE MATTHEIS E., DAVOLOS D., COBOLLI M. (1998) - Genetic divergence between populations and species of talitrids from Aegean islands. J. Hered., 98: 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): 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 NEI M. (1978) - Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a small number of individuals. Genetics, 89: RAYMOND M., ROUSSET F. (1995) - GENEPOP (version 1.2): population genetics software for exact tests and ecumenicism. Heredity, 86: REYNOLDS J.,WEIR B.S., COCKERAM C.C. (1983) - Estimation for the coancestry coefficient: basis for a short-term genetic distance. Genetics, 105: SHAW C.R., PRASAD R. (1970) - Starch gel electrophoresis of enzymes - A compilation of recipes. Biochem. Genet., 4: 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: 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: