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DNA-based methods for freshwater biodiversity conservation - phylogeographic analysis of noble crayfish (Astacus astacus) and new insights into the distribution of crayfish plague

DNA-basierte Methoden zum Schutz der Süßwasserbiodiversität - phylogeographische Analysen des Edelkrebses (Astacus astacus) und neue Erkenntnisse zur Verbreitung der Krebspest

  • Worldwide one third to one half of the freshwater crayfish species are threatened with population decline or extinction. Besides habitat deterioration, pollution, and other man-made environmental changes, invasive species and pathogens are major threats to the survival of European crayfish species. Freshwater crayfish are the largest freshwater invertebrates and strongly influence the structure of food webs. The disappearance of crayfish from a water body may change the food web and could have dramatic consequences for an ecosystem.rnOne goal in modern species conservation strategies is the conservation of genetic diversity, since genetic diversity is an advantage for the long-term survival of a species. The main aim of my thesis was to reveal the genetic structure and to identify genetic hotspots of the endangered noble crayfish (Astacus astacus) throughout Europe (part 1 of my thesis). Since the most significant threat to biodiversity of European crayfish species is the crayfish plague pathogen Aphanomyces astaci I studied new aspects in the distribution of A. astaci (part two of my thesis). The results serve as a basis for future conservation programs for freshwater crayfish. In the first part of my thesis I conducted a phylogeographic analysis of noble crayfish using mitochondrial DNA and nuclear microsatellite data. With these methods I aimed to identify its genetic hotspots and to reconstruct the recolonization history of central Europe by this species. I detected high genetic diversities in southestern Europe indicating that noble crayfish outlasted the cold climate phases during the Pleistocene in this region (Appendix 1). Because of the high genetic diversity found there, southeastern Europe is of particular importance for the conservation of noble crayfish. The mitochondrial DNA analysis points to a bifurcated colonization process from the eastern Black Sea basin to a) the North Sea and to b) the Baltic Sea basin (Appendix 2). A second independent refugium that was localized on the Western Balkans did not contribute to the colonization of central Europe. Furthermore, I found that the natural genetic structure is dissolved, probably due to the high human impact on the distribution of noble crayfish (e.g. artificial translocation). In the second part of this thesis using real-time PCR I identified calico crayfish (Orconectes immunis) as the fourth North American crayfish species to be carrier of the agent of the crayfish plague (Appendix 3). Furthermore I detected the crayfish plague pathogen in American spiny-cheek crayfish (Orconectes limosus) and native narrow-clawed crayfish (Astacus leptodactylus) in the lower Danube in Romania (Appendix 4). The distribution of infected spiny-cheek crayfish poses a threat to the native biodiversity in southeastern Europe and shows the high invasion potential of this crayfish species. Moreover, I found that even the native narrow-clawed crayfish in the Danube Delta, about 970 km downstream of the current invasion front of American crayfish, is a carrier of A. astaci (Appendix 5). This finding is of high importance, as the native species do not seem to suffer from the infection. In Appendix 6 I elucidate demonstrate that the absence of the crayfish plague agent is the most likely explanation for the coexistence of populations of European and American crayfish in central Europe. In my thesis I show that the common assumption that all North American crayfish are carrier of A. astaci and that all native crayfish species die when infected with A. astaci does not hold true. The studies presented in my thesis reveal new aspects that are crucial for native crayfish conservation: 1) The genetic diversity of noble crayfish is highest in southeastern Europe where noble crayfish outlasted the last glacial maximum in at least two different refugia. 2) Not all American crayfish populations are carrier of A. astaci and 3) not all Europen crayish populations die shortly after being infected with the crayfish plague pathogen.rnTo conserve native crayfish species and their (genetic) diversity in the long term, further introductions of American crayfish into European waters must be avoided. However, the introduction will only decrease if the commercial trade with non-indigenous crayfish species is prohibited.
  • Weltweit sind ein Drittel bis die Hälfte der Flusskrebsarten von Populationsrückgang oder Aussterben bedroht. Neben einer Verschlechterung der Habitate, Umweltverschmutzung und anderen vom Menschen verursachten Umweltveränderungen stellen eingeschleppte exotische Arten und Krankheitserreger eine große Bedrohung für das Überleben europäischer Flusskrebsarten dar. Flusskrebse sind die größten Wirbellosen in limnischen Systemen und haben einen entsprechend großen Einfluss auf die Struktur der Nahrungsnetze. Das Verschwinden von Flusskrebsen aus einem Gewässer kann Nahrungsnetze verändern und somit dramatische Konsequenzen für ein Ökosystem zur Folge haben. Ein Ziel im modernen Artenschutz ist die Erhaltung der genetischen Vielfalt. Eine hohe genetische Vielfalt ist für das langfristige Überleben einer Art von Vorteil. Das Hauptziel meiner Arbeit war es, die genetische Struktur des gefährdeten Edelkrebses (Astacus astacus) in seinem europäischen Verbreitungsgebiet zu untersuchen und die besonders schützenswerten genetische 'Hotspots' zu identifizieren (Teil 1 der Dissertation). Die größte Bedrohung für die Diversität europäischer Flusskrebsarten stellt der Krebspesterreger Aphanomyces astaci dar. Daher muss die Verbreitung des Krankheitserregers bei Schutzprogrammen beachtet werden. Im zweiten Teil der Dissertation untersuchte ich neue Aspekte der Verbreitung von A. astaci. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für zukünftige Artenschutzprogramme für Flusskrebse. Im ersten Teil dieser Arbeit führte ich eine phylogeographische Analyse der Edelkrebse durch, um genetische 'Hotspots' zu identifizieren und die nacheiszeitliche Wiederbesiedlung Zentraleuropas durch diese Art zu rekonstruieren. Mit mitochondrialer DNA und nuklearen Mikrosatelliten-Markern ermittelte ich eine hohe genetische Vielfalt in Südosteuropa, die darauf hinweist, dass der Edelkrebs die kalten Klimaphasen des Pleistozäns in diesem Gebiet überdauerte (Appendix 1). Wegen der hohen genetischen Vielfalt ist Südosteuropa von besonderer Bedeutung für den Schutz des Edelkrebses. Die mitochondriale DNA-Analyse deutet auf eine gegabelte Kolonisierung vom unteren Donaueinzugsgebiet in a) das Einzugsgebiet der Nordsee und b) das Einzugsgebiet der Ostsee hin (Kapitel 2). Ein zweites, unabhängiges Refugium, welches im westlichen Balkan lokalisiert wurde, hat vermutlich nicht zur Besiedlung Mitteleuropas beigetragen. Außerdem stellte ich fest, dass die natürliche genetische Struktur teilweise überlagert ist, wahrscheinlich aufgrund des hohen menschlichen Einflusses auf die Verbreitung des Edelkrebses (bspw. künstliche Translokation). Im zweite Teil dieser Arbeit konnte ich mittels real-time-PCR ermitteln, dass neben den bekannten drei nordamerikanischen Flusskrebsarten auch Kalikokrebse (Orconectes immunis) Träger des Krebspesterregers sind (Kapitel 3). Des Weiteren habe ich den Krebspesterrreger in der unteren Donau in Rumänien an amerikanischen Kamberkrebsen (Orconectes limosus) und europäischen Galizierkrebsen (Astacus leptodactylus) nachweisen können (Kapitel 4). Die Ausbreitung der infizierten Kamberkrebse bis in die untere Donau stellt eine große Bedrohung für die Artenvielfalt in Südosteuropa dar und zeigt das hohe Invasionspotential der Kamberkrebse. Darüber hinaus stellte ich fest, dass auch einheimische Galizierkrebse im Donaudelta, etwa 970 km hinter der aktuellen Invasionsfront des Kamberkrebses, Träger von A. astaci sind (Kapitel 5). Diese Erkenntnis ist von besonderer Bedeutung, da die einheimischen Arten offenbar nicht an der Infektion leiden. Die Untersuchung koexistierender Populationen europäischer und amerikanischer Flusskrebse ergab, dass die Abwesenheit des Krebspesterregers in diesen Populationen die wahrscheinlichste Erklärung für die erfolgreiche Koexistenz in den untersuchten Gewässern in Mitteleuropa ist (Kapitel 6). Die Ergebnisse meiner Dissertation zeigen neue Aspekte, die von hoher Relevanz für den Schutz und Erhalt einheimischer Flusskrebsarten und deren genetischer Vielfalt sind: 1)Die genetische Diversität des Edelkrebses ist in Südosteuropa am höchsten. Dort überdauerten Edelkrebse die letzte Eiszeit in mindestens zwei unabhängigen Refugien. 2) Nicht alle amerikanischen Flusskrebspopulationen sind Träger der Krebspest und 3) nicht alle europäischen Flusskrebspopulationen sterben innerhalb kurzer Zeit an einer Infizierung mit dem Krebspesterreger. Um einheimische Flusskrebse und deren (genetische) Vielfalt langfristig zu erhalten, dürfen keine weiteren amerikanischen Flusskrebse in der Natur ausgesetzt werden. Das unbefugte Aussetzen wird jedoch erst zurückgehen, wenn der Handel mit exotischen Flusskrebsen verboten wird.

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Metadaten
Author:Anne Schrimpf
URN:urn:nbn:de:hbz:lan1-8792
Referee:Ralf, Schulz, Klaus Schwenk
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2013/04/08
Date of publication:2013/04/08
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2013/03/26
Release Date:2013/04/08
Tag:Krebspest
Crayfish; Crayfish plague; Genetic diversity; Limology
GND Keyword:Edelkrebs; Genetische Variabilität; Phylogeographie
Number of pages:182
Institutes:Fachbereich 7 / Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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