© Gabriel Piette-Lauzière, 2019
Évolution et diversité de deux formes de ciscos
(nigripinnis et artedi ) dans un drainage proglaciaire du
lac Algonquin
Mémoire
Gabriel Piette-Lauzière
Maîtrise en biologie - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Évolution et diversité de deux formes de ciscos (nigripinnis et artedi) dans un drainage proglaciaire du lac Algonquin
Mémoire
Gabriel Piette-Lauzière
Sous la direction de :
Julie Turgeon (Université Laval), directrice de recherche
iii Résumé
La diversité des ciscos des Grands Lacs Laurentiens (Coregonus artedi, sensu lato) provient de multiples événements de divergence adaptative locale. Cette diversité est aujourd’hui en partie disparue et menacée. Par exemple, la forme nigripinnis est disparue des Grands Lacs mais existe toujours dans le lac Nipigon. La découverte récente de cisco ressemblant à nigripinnis en sympatrie avec artedi dans des lacs reliques d’un exutoire historique du lac proglaciaire Algonquin en Ontario met de l'avant l’hypothèse évolutive selon laquelle ces formes auraient pu coloniser ce territoire en tant que lignées préexistantes. Cette région pourrait donc être dépositaire de la diversité historique des Grands Lacs. Alternativement, nigripinnis pourrait provenir de radiation in situ. L’objectif de ce mémoire est de décrire la diversité phénotypique des nigripinnis et artedi dans cette région, puis de déterminer leur origine évolutive. Pour ce faire, plus de 500 ciscos ont été catégorisés selon deux méthodes de groupements, soit l’habitat de capture (benthique ou pélagique) et le nombre de branchicténies, puis comparés par leur morphologie et leur génétique. Les résultats démontrent un parallélisme de différenciation éco-morphologique entre ces paires de populations et les ciscos artedi et nigripinnis du lac Nipigon. Les branchicténies, le pédoncule caudal et la profondeur du corps étaient les traits les plus différenciés entre les groupes de ciscos. Les analyses génétiques effectuées sur 6676 marqueurs de polymorphisme nucléotidique (SNPs) indiquent que les populations de nigripinnis récemment découvertes dans le Parc provincial Algonquin proviennent d’une colonisation postglaciaire par une lignée atlantique et de divergences in situ répétées. Un continuum de divergence écologique, morphologique et génétique est observé entre les paires de ciscos et pourrait être associé à l’utilisation de ressources alimentaires alternatives. Ce projet confirme la présence de
nigripinnis à l’extérieur du lac Nipigon par une approche comparative et intégrative. Ces
populations de nigripinnis pourraient être utilisées comme source pour le rétablissement de la diversité fonctionnelle des Grands Lacs.
iv Abstract
Laurentian Great Lakes ciscoes (Coregonus artedi, sensu lato) diversity arose via repeated local adaptive divergence. Much of this diversity has vanished or is threatened. For instance, the nigripinnis form is now extirpated from the Great Lakes but remains in L. Nipigon. Ciscoes with some characteristics of nigripinnis have recently been discovered with sympatric artedi in lakes historically covered by the Fossmill outlet, a proglacial drainage of L. Algonquin. This raises the evolutionary hypothesis that artedi and nigripinnis could have colonized the area as distinct pre-existing lineages. Hence, putative nigripinnis may represent a relict embodiment of the historical diversity of ciscoes from the Great Lakes. The objective of this research was to characterize the phenotypic diversity and the evolution of newly observed putative nigripinnis and artedi. To do so, fish were grouped by habitat of capture (benthic and pelagic) and by gill raker counts and contrasted morphologically and genetically. Differentiation within and across lakes was often observed and paralleled that of
artedi and nigripinnis in L. Nipigon. Gill rakers, caudal peduncle and body depth were the
most important traits differentiating cisco forms. These traits are associated with varying foraging and locomotion strategies. Genetic analyses using 6676 single nucleotide polymorphism (SNPs) markers show that nigripinnis populations found in and nearby Algonquin Provincial Park origin from an Atlantic glacial lineage and repeated in situ divergence. Pairs of sympatric ciscoes were on a continuum of ecological, morphological and genetic differentiation across lakes. The divergence of nigripinnis could be associated to different resource exploitation, such as alternative zooplankton prey. This thesis confirms, by a comparative and integrative approach, the occurrence of a nigripinnis form with an independent evolutionary origin relatively to reference nigripinnis in L. Nipigon. The newly discovered nigripinnis populations could be source for the reestablishment of the functional diversity of the Great Lakes.
v Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... vi
Liste des figures ... vii
Remerciements ... ix
Avant-propos ... xi
Introduction ... 1
La spéciation écologique ... 1
La glaciation du Wisconsinien ... 2
Les ciscos continentaux ... 3
Le cisco de type nigripinnis... 5
Problématique générale ... 7
Contexte du projet ... 7
Objectifs et hypothèses ... 9
Technologies de séquençage et outils génomiques ... 9
Chapter I: Evolution and diversity of two cisco forms (nigripinnis and artedi) in a proglacial outlet of Lake Algonquin ... 11
Résumé ... 12
Abstract ... 13
Introduction ... 14
Material and methods ... 18
Samples of ciscoes ... 18
Morphology ... 19
Population genomics ... 21
Genetic analyses ... 22
Reclassification based on habitat vs. gill raker counts ... 23
Results ... 24
Morphology ... 24
Genetic analyses ... 26
Reclassification based on habitat vs. gill raker counts ... 27
Discussion ... 27
In situ divergence and colonization ... 27
Ecophenotypic differentiation ... 29
On the importance of gill rakers ... 31
Perspectives ... 33
Acknowledgements ... 34
Conclusion ... 44
Perspectives futures ... 44
Description de la diversité des ciscos ... 44
Recolonisation postglaciaire des ciscos ... 47
Implication pour la gestion et la conservation ... 47
Bibliographie ... 52
vi Liste des tableaux
Table 1. Information on lakes ordered west to east, ecotypes (BEN = benthic net, PEL = pelagic net) and sample sizes for each analysis. The occurrence of Mysis, a proxy of the Fossmill outlet, is indicated. ... 35
Table 2. Pairwise differentiation (Fst) between ecotypes and morphotypes within lake performed with 10 000 permutations in GenoDive with two different datasets: neutral loci (6676 SNPs) and loci potentially under divergent selection (LUS; 425 SNPs). ... 36
Liste des tableaux en annexes
Table S1. Description of linear measurements and meristic traits used in this study adapted from Turgeon et al. (1999) and Muir et al. (2013). In parenthesis are landmarks implicated for each specific measurement (see Figure 2). ... 64
Table S2. Summary statistics describing genetic in each sample: allele richness (A), observed heterozygosity (Ho), expected heterozygosity (He), inbreeding index (Fis), percentage of missing data and percentage of polymorphic markers overs 7101 SNPs. N.A = not available for population not characterized genetically (see Table 1)... 66
Table S3. Analysis of molecular variance (AMOVA) on 260 individuals and 6676 SNPs. Missing data have been replaced randomly by the overall pool of allele frequency. P-value were obtained after 10 000 permutations in GenoDive software. Ecotype refers to capture habitat (BEN vs. PEL). ... 67
Table S4. Pairwise Fst with neutral loci (n=6676 SNPs) between putative populations (lake x habitat) for lakes comprised in the focal area (Algonquin Provincial Park and L. Memesagamesing). False discovery rate correction was applied for multiple comparison with an alpha level of 0.05. Fst coefficients are presented above the diagonal and P-value are below (*** indicate P < 0.001). Within lake comparison are in bold and significant differences are underlined. ... 68
vii Liste des figures
Figure 1. (A) Location of Algonquin Provincial Park (in green) and reference lakes outside the focal area (outlined by dotted lines) detailed in (B). Artedi are shown in gray and
nigripinnis in black. In blue is the approximate area covered by proglacial L. Algonquin and
Champlain Sea at 12 500 cal. BP. adapted from Dyke et al. (2004). (B) Location of the focal area. Benthic and pelagic ciscoes are respectively colored in black and white. For lakes with only artedi, code names as per Table 1 are provided. For lakes with sympatric ciscoes, full names are provided in bold. Red arrow is the head of the Fossmill outlet. ... 37
Figure 2. Landmarks used to characterize morphological diversity of ciscoes in Algonquin Provincial Park. (1) anterior tip of the snout, (2) midpoint of hypural plate, (3) anterior tip of eye, (4) posterior tip of eye, (5) centre of eye, (6) top of cranium at middle point of eye, (7) posterior of neurocranium, (8) anterior insertion of dorsal fin, (9) posterior insertion of dorsal fin, (10) anterior insertion of adipose fin, (11) dorsal insertion of caudal fin, (12) ventral insertion of caudal fin, (13) posterior insertion of anal fin, (14) anterior insertion of anal fin, (15) tip of anal fin, (16) insertion point of pelvic fin, (17) tip of pelvic fin, (18) insertion point of pectoral fin, (19) tip of pectoral fin, (20) isthmus of branchiostegal membrane, (21) posterior tip of maxilla, (22) posterior tip of opercular, (23-24) calibration landmarks. Interorbital width was also measured directly on fish with a digital millimeter caliper (not shown). ... 38
Figure 3. Gill raker counts of ciscoes sampled in the focal area (compared to ciscoes from L. Nipigon). Fish caught in benthic and pelagic nets are respectively colored in black and gray. Lakes with Mysis with only pelagic ciscoes are pooled (2 lakes, 60 individuals) because they had a very similar gill raker counts. The same was done for lakes without Mysis harboring only pelagic ciscoes (5 lakes, 154 individuals). Fish from L. Nipigon were visually assigned to nigripinnis or artedi by T. Pratt and are respectively colored in black and gray. ... 40
Figure 4. Comparison of phenotypes between sympatric of ecotypes (BEN or PEL) for A) gill rakers, B) linear traits and C) shape. Symbols are for L. Cedar ( ), L. Hogan ( ), L. Cauchon ( ), L. Memesagamesing ( ), L. Mink ( ), L. Radiant ( ) and L. Nipigon ( , absent in shape analyses). Lakes with only pelagic ecotype (L. Dickson, L. Craig, L. Catfish, L. Three Mile, L. Carl Wilson, L. Big Crow and L. Grand) are illustrated by a cross ( ) and L. Kioshkokwi with only benthic cisco is in gray. For illustrative purposes, dotted lines join BEN and PEL ecotypes from the same lake. ... 41
Figure 5. Bar plot output from ADMIXTURE illustrating ancestry (q-value) for preferred number of groups (K). Lake codes are as per Table 1; BEN: benthic; PEL: pelagic. (A) Genetic clusters with focal and reference lakes at K = 2. (B) Genetic clusters in Algonquin Provincial Park and L. Memesagamesing at K = 7. ... 42
Figure 6. (Re)classification success in L. Cedar and L. Hogan when cisco are grouped by habitat of capture (BEN or PEL) in white vs. gill raker counts (LGR or HGR) in black. Symbols / are for genetic data, / are for shape data and / are for linear morphometrics. ... 43
viii Liste des figures en annexes
Figure S1. Venn diagram showing outlier loci detected by RDA and LFMM for different datasets. First, outliers were detected by RDA using multiple data sets: (1) Contrasting BEN and PEL genotypes from L. Cedar and L. Hogan only (CDRHOG_BENPEL); (2) contrasting HGR and LGR genotypes from L. Cedar and L. Hogan only (CDRHOG_HGRLGR) and (3) contrasting all BEN and PEL genotypes from lakes harboring pairs of ciscos (SYMPA_BENPEL). Second, loci under putative divergent selection were detected by LFMM using all BEN and PEL genotypes from lakes harboring pairs of cisco ecotypes (SYMPA_BENPEL). The total number of outlier loci detected is 425 SNPs. ... 70
Figure S2. Plot of residuals of log-transformed linear morphometrics traits regressed against length (n = 676). Mean PCs scores are presented for fish caught in Algonquin Park with benthic (black dots) or pelagic (white dots) nets. Fish from L. Nipigon that were visually assigned as nigripinnis or artedi are also coloured in black and white. ... 71
Figure S3. Plot of the shape of fish caught either in benthic or pelagic nets (n = 796 fish). Fish caught in benthic nets are colored in black and fish caught in pelagic nets are colored in white. Consensus shape calculated from the average of every landmark is colored in gray and effect of each component on the shape is colored in blue. ... 72
Figure S4. K-means clustering performed on PCA of individual genotypes of ciscoes from Algonquin Provincial Park and reference lakes (6676 SNPs). Ciscoes from L. Athapapuskow are colored in yellow (n = 20). Artedi and nigripinnis from L. Nipigon are colored in purple (n = 25) and blue (n = 30). Ciscoes from L. Superior are colored in pink (n = 19). Ciscoes from L. Huron are colored in pale blue (n = 20). Ciscoes from L. Champlain are colored in green (n = 15). Ciscoes from Algonquin Park are colored in red (n = 359). Blue and green rectangles indicate groups clustering at K=2. ... 73
Figure S5. 5-fold cross-validation error from ADMIXTURE algorithm using neutral loci (6676 SNPs) and samples from Algonquin Provincial Park and L. Memesagamesing. ... 74
Figure S6. K-means clustering performed on PCA of individual genotype of the focal group of lakes (Algonquin Provincial Park and L. Memesagamesing) with neutral data set (6676 SNPs). Yellow (L. Dickson, L. Hogan and L. Craig), orange (L. Grand, L. Kioshkokwi, L. Mink and L. Memesagamesing) and red (L. Cauchon, L. Carl Wilson, L. Cedar and L. Radiant) rectangles indicate clustering groups determined by K-means clustering at K=3. 75
ix Remerciements
Je tiens d’abord à remercier Julie Turgeon, ma directrice de maîtrise, qui m’a guidé durant cette aventure. Dès les premières étapes, elle m’a accordé une très grande autonomie et j’ai apprécié cette marque de confiance. En même temps, c’est son implication au long du projet qui a été pour moi le facteur le plus formateur puisque bien souvent, mes décisions se confrontait à sa rigueur et son esprit critique. Ainsi, Julie ne m’a pas uniquement guidé dans la réalisation de ma maîtrise, elle m’a aussi formé à penser et agir en tant que scientifique. Je tiens également à remercier mon co-directeur Mark Ridgway, dont la passion contagieuse pour le Parc Algonquin m’a beaucoup encouragé. Ses conseils et son aide logistique sur le terrain ont été précieux.
Tout au long de ma maitrise, j’ai profité de la contribution d’un grand nombre de gens que je tiens à remercier. Je dois un grand merci à Allan Bell, qui a fait un travail remarquable de description des populations de nigripinnis dans le Parc Provincial Algonquin. Son plaisir à partager son expérience sur les ciscos a été grandement apprécié. Merci à Catherine Barma et à Albert Michaud qui m’ont aidé dans l’acquisition des données. Je tiens aussi à remercier Bérénice Bougas et Alysse Perreault-Payette qui m’ont conseillé durant toutes les étapes en laboratoire. Également, un grand merci à Martin Laporte, qui m’a guidé et donné de nombreux conseils pour les analyses morphométriques et génétiques. Sur le terrain, j’ai bénéficié à un moment ou un autre de l’aide de chaque employé saisonnier du Harkness
Laboratory of Fisheries Research. Sans eux, l’immense travail d’échantillonnage effectué
aurait été simplement impensable. Parmi ces gens, je veux particulièrement remercier Nick Lacombe, Courtney Taylor, Lee Scholl et Emily Cowie.
Je tiens à remercier chaleureusement ma famille et mes amis qui m’ont encouragé, conseillé et épaulé tout au long de ce parcours. J’ai toujours eu plusieurs passions dans la vie en parallèle avec la biologie et c’est grâce à l’appui indéfectible de mes proches que j’ai pu continuer à les vivre tout en faisant ma maîtrise. Merci!
x
Finalement, il me vient à l’esprit que de situer la contribution d’un projet de recherche individuel à l’intérieur de son champ scientifique permet de réellement réaliser à quel point celui-ci repose sur une masse de connaissances accumulées au fil du temps. C’est sans aucun doute ce même constat que veut nous faire réaliser Google Scholar en indiquant sous la barre de recherche : « Sur les épaules d’un géant ». En déposant ce mémoire, je suis particulièrement fier d’aider ce géant à être un tantinet plus grand. Sur ce, bonne lecture!
xi Avant-propos
Le corps de ce mémoire est constitué d’un manuscrit d’article scientifique dont je suis premier auteur. Ce projet d’article est intitulé « Evolution and diversity of two cisco forms (nigripinnis and artedi) in a proglacial outlet of Lake Algonquin » en vue d’être soumis à la revue « Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences ». Allan Bell, Mark Ridgway et Julie Turgeon sont les coauteurs de cet article.
Plusieurs éléments de ce projet proviennent des travaux d’Allan Bell. Julie Turgeon et Mark Ridgway ont initié et financé le projet et m’ont supervisé à chacune des étapes. Pour ma part, j’ai choisi les populations à étudier, mené la compagne d’échantillonnage de terrain, l’acquisition des données, les analyses, l’interprétation des résultats et la rédaction de l’article scientifique.
1 Introduction
La spéciation écologique
Bien que les assises théoriques fondamentales de la biologie évolutive soient des concepts maintes fois éprouvés (Darwin 1872, Huxley 1942), certaines révisions majeures ont été proposées lors des dernières décennies. Par exemple, le concept de spéciation en présence de flux géniques, qui apparaissait au mieux peu probable à observer en milieu naturel (Mayr 1963), est aujourd’hui devenu l’une des facettes incontournables de la biologie évolutive (Schluter 2009, Nosil 2012). Alors que la divergence induite par l’établissement d’isolement géographique est un phénomène bien documenté (Hewitt 1996, Avise et al. 1998, April et al. 2013), les différents mécanismes de divergence en présence de flux géniques restent sujets à débat (West-Eberhard 2003, Pfennig et al. 2010, Fitzpatrick 2012, Arnegard et al. 2014). Au cours des dernières décennies, la sélection naturelle comme moteur de divergence écologique pouvant mener à la spéciation s’est vue reconnaître un rôle proéminent (Nosil 2012, Faria et al. 2014). Notamment, l'étude de divergences répétées et indépendantes des mêmes traits phénotypiques, au travers du prisme de la sélection naturelle, a jeté un nouveau regard sur les mécanismes évolutifs (Schluter 2009, Nosil 2012). Par exemple, des lignées divergentes peuvent être étudiées en parallèle pour leurs adaptations aux mêmes ressources écologiques alternatives (Schluter 2009). Évidemment, pour que la sélection naturelle opère sur un trait, celui-ci doit être variable dans la population, au moins en partie héritable et lié à la valeur adaptative de l’individu. Également, la divergence écologique en présence de flux géniques nécessite un polymorphisme de ressources écologiques lié au(x) trait(s) divergent(s) (Losos & Glor 2003, Bernatchez 2004). Ce processus peut être également considéré comme un continuum qui s’amorce lorsque les populations divergentes démontrent une variation adaptative continue sans isolement reproducteur (Hendry 2009, Hendry et al. 2009). À l’autre extrémité de ce spectre de différenciation, les barrières reproductives pré- ou post-zygotiques peuvent représenter le caractère confirmatif ultime de la spéciation écologique (Rundel & Nosil 2005, Hendry 2009). Le processus de radiation adaptative est un cas de différenciation écologique rapide où les lignées divergentes se démarquent par des traits phénotypiques (morphologiques et/ou physiologiques) liés à l’exploitation différentielle des ressources (Schluter 2000, Seehausen
2
2004). La radiation adaptative peut s’inscrire à l’intérieur du continuum de divergence écologique et mener à la spéciation écologique.
Plusieurs taxons de poissons ont été décrits pour leur adaptation répétée aux habitats benthique et limnétique (Schluter 1996, Taylor 1999), lentique et lotique (Lucek et al. 2013), ou encore par rapport à leur régime alimentaire piscivore et planctivore (Bernatchez et al. 2016). Le Grand corégone (Coregonus clupeaformis), le Saumon rouge (Oncorhynchus
nerka) et l’Épinoche à trois épines (Gasterosteus aculeatus) sont quelques exemples
d’espèces bien étudiées pour ce type de différenciation (Hendry 2001, Bernatchez et al. 2010, Jones et al. 2012).
La glaciation du Wisconsinien
La glaciation du Wisconsinien (80 000 – 10 000 ans) a eu un impact majeur sur la diversité et la répartition des poissons en Amérique du Nord (Avise et al. 1998) en ne laissant subsister, chez les espèces d’eau douce, que des populations dans des refuges principalement situés aux marges des glaciers (Mandrak et Crossman 1992, Curry 2007). Pour certaines espèces, plusieurs populations ont persisté dans différents secteurs en situation d’isolement reproducteur et se sont différenciées génétiquement (Schluter 1996, Bernatchez & Wilson 1998). Les refuges Atlantique, Mississippien, Misourien et Béringien sont les principaux secteurs connus pour avoir rassemblé des conditions favorables à la survie de plusieurs espèces aquatiques. C’est à partir de ces différents refuges glaciaires que les poissons d’eau douce ont pu recoloniser les territoires continentaux jusqu’à occuper leur distribution actuelle (Hocutt & Wiley 1986).
Au terme de cet âge glaciaire, la fonte des glaciers a permis la recolonisation des poissons d’eau douce dans les lacs proglaciaires transitoires (Bernatchez et Wilson 1998, Dyke 2004). Ces lacs se formaient directement aux marges des glaciers en fonte, mais étaient en constante modification. D’une part, le retrait des glaciers vers le Nord ajoutait systématiquement plus d’eau à ces systèmes et ouvrait de nouveaux territoires. D’autre part, le retrait du poids des glaciers a entrainé un rebond isostatique du plateau continental qui a
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également affecté la topographie du paysage (Dyke 2004). Ainsi, les lacs proglaciaires, aux marges des glaciers, ont occupé des superficies de façon variable et dynamique dans le temps (Larsen 1987, Lewis et al. 1994). La recolonisation des habitats aquatiques continentaux s’est effectuée selon les opportunités géographiques propres à chaque refuge glaciaire et à l’écologie de chaque espèce (Hewitt 1996). Les populations provenant des différents refuges ont recolonisé le centre du continent par différentes voies principalement liées à l’eau de fonte des glaciers (Hocutt & Wiley 1986). Notamment, les lacs proglaciaires Agassiz et Algonquin ont beaucoup favorisé la dispersion des populations de poissons d’eau douce au Canada (Mandrak et Crossman 1992, Rempel et Smith 1998). Le lac Agassiz, qui a recouvert le centre du Canada pendant plus de 8 000 ans (Teller et Leverington 2004), pourrait avoir permis le passage des lignées mississippiennes de plusieurs espèces jusqu’au bassin du Mackenzie (Rempel et Smith 1998). Le lac proglaciaire Algonquin, qui à son extension maximale recouvrait le bassin actuel des lacs Huron, Michigan et Supérieur (Dyke 2004, Cronin et al. 2008, Lewis et al. 2008), a probablement favorisé la colonisation des lignées mississippiennes et atlantiques de plusieurs espèces.
Les ciscos continentaux
Les ciscos font partie de la famille des salmonidés, de la sous-famille des corégoninés et du genre Coregonus (sous-genre Leucichthys – Eshenroder et al. 2016). C’est un taxon qui a particulièrement été étudié pour sa diversité phénotypique et pour l’imbroglio taxonomique qui l’entoure (Svärdson 1949). En effet, les ciscos sont reconnus pour afficher une diversité phénotypique, écologique et génétique entre les lacs, sans critères diagnostiques ubiquitaires. Le cisco artedi, qui se maintient typiquement dans la zone pélagique des lacs (Koelz 1929), est la forme la plus répandue et est parfois accompagnée d’une ou plusieurs autres formes en sympatrie occupant les zones plus profondes. En plus de ce partitionnement selon la profondeur (Koelz 1929), les principaux axes de variation connus chez ce taxon sont la morphologie (Clarke 1973, Turgeon et al. 1999, Muir et al. 2013), la position trophique (Schmidt et al. 2011, Blanke et al. 2018) et la saison de reproduction (Koelz 1929, Smith & Todd 1984, Yule et al. 2013). Certains de ces traits, comme le nombre de branchicténies, ont constamment été utilisés pour différencier les ciscos localement, mais aucun n’a jamais été
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employé comme critère de différentiation systématique valide pour tous les lacs (Koelz 1929, Eshenroder et al. 2016).
Historiquement, les difficultés d’identification de ce groupe étaient telles qu’il a été partitionné en plus de 36 espèces distinctes (Hubbs & Lagler 1941, Clarke 1973). Aujourd’hui cependant, à l’échelle de l’Amérique du Nord, la taxonomie des ciscos commence à s’éclaircir (Turgeon & Bernatchez 2003, Eshenroder et al. 2016). En effet, les ciscos se distinguent d’abord en deux grands groupes phylogénétiques : les ciscos du Nord-Ouest (C. sardinella, C. laurettae et C. autumnalis) et les ciscos des Grands Lacs (Coregonus
artedi – LeSueur 1818, sensu lato – Bailey & Smith 1980, Turgeon & Bernatchez 2003) : artedi, alpanea, hoyi, kiyi, zenithicus, nigripinnis, johannae, et reighardi (Eshenroder et al.
2016). Les différents types sont considérés comme étant dérivés de l’espèce ancestrale
Coregonus artedi, mais aucun consensus n’existe quant à la dénomination taxonomique au
sein de ce complexe (Turgeon & Bernatchez 2003, Nelson et al. 2004, Page et al. 2013). Certaines formes de ciscos des Grands Lacs comme artedi et zenithicus sont réparties dans d’autres lacs au Canada alors que les autres formes sont considérées comme endémiques aux Grands Lacs. Dans un récent monographe sur ce taxon, Eshenroder et al. (2016) ont proposé une nomenclature qui contourne cette problématique en suggérant une taxonomie non pas basée sur les évidences phylogénétiques, mais plutôt sur les similitudes phénotypiques et écologiques des différentes « formes » de ciscos. Suivant ces recommandations, nous nommerons les formes ciscos au cours de ce manuscrit par leur épithète d’espèce (i.e. :
artedi, nigripinnis, zenithicus, etc.), mais sans le genre.
Parmi les ciscos continentaux, les évidences phylogénétiques ne soutiennent pas les dénominations taxonomiques traditionnelles (Turgeon & Bernatchez 2003). Par conséquent, leur origine évolutive est source de confusion depuis des décennies (Scott & Crossman 1973, Turgeon & Bernatchez 2003). À ce jour, l’hypothèse évolutive des ciscos continentaux la mieux soutenue est celle de la radiation adaptative répétée indépendamment dans chaque lac (Turgeon & Bernatchez 2003, Turgeon et al. 2016). Cependant, l’hypothèse alternative considérant que certaines formes autres que artedi auraient pu coloniser les lieux où on les
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retrouve aujourd’hui (Todd & Smith 1992, Hudson et al. 2007) reste encore plausible dans certains cas.
Plusieurs évidences soutiennent l’existence de deux refuges glaciaires chez les ciscos continentaux. Des éléments biogéographiques suggèrent une colonisation de populations à partir du refuge mississippien (McPhail & Lindsey 1970, Bailey & Smith 1981). En revanche, l’implication d’un second refuge glaciaire originaire de la région atlantique (lignée de l’Est) a été inférée à l’aide de marqueurs moléculaires mitochondriaux et microsatellites (Bernatchez & Dodson 1990, Turgeon & Bernatchez 2001a, b). Les auteurs de ces études ont suggéré un patron de dispersion des ciscos en deux temps. D’abord, le centre du continent aurait été colonisé à partir du refuge mississippien (lignée de l’Ouest). Cette lignée peut être détectée dans des populations partout au Canada, depuis l’est de la Baie d’Hudson jusqu’au bassin du Mackenzie. Ensuite, les ciscos de la lignée atlantique auraient colonisé le centre du continent d’est en ouest. En effet, cette lignée a été détectée à partir du Lac Champlain (Turgeon & Bernatchez 2001b) et jusqu’aux Grands Lacs Laurentiens – sauf dans le lac Nipigon, où les populations affichent seulement une signature de la lignée de mississippienne.
Récemment, ces mêmes lignées ont à nouveau été détectées par des marqueurs génétiques de polymorphisme de longueur de fragments amplifiés (AFLP) en utilisant des populations de artedi et de zenithicus provenant de multiples localités au Canada (Turgeon et al. 2016). Il est à noter qu’aux points de rencontre présumés de ces deux lignées (i.e. les Grands Lacs Laurentiens), ces marqueurs génétiques indiquaient la présence d’introgression (Turgeon & Bernatchez 2003, Turgeon et al. 2016).
Le cisco de type nigripinnis
Le cisco de type nigripinnis (Leucichthys nigripinnis, Milner 1874) est l’une des formes dérivées de artedi dans les Grands Lacs. Koelz (1929) décrivait que nigripinnis devait en fait être partitionné en plusieurs sous-espèces dans les Grands Lacs : L. nigripinnis
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cyanopterus (lac Supérieur) et L. nigripinnis prognathus (lac Ontario). Cette forme a
historiquement été rapportée à l’extérieur des Grands Lacs (Dymond & Pritchard 1930), sans jamais avoir été formellement confirmée (e.g. Kooyman 1970). Scott et Crossman (1973) suggéraient que cette forme soit étudiée systématiquement pour son occurrence potentielle dans les lacs intérieurs, ce qui n’a jamais été fait (COSEWIC 2007). À la suite de la révision récente effectuée par Eshenroder et al. (2016), il a été suggéré que les multiples désignations taxonomiques soient rassemblées sous le concept de « forme nigripinnis ». Aujourd’hui,
nigripinnis est rapporté comme étant complètement disparu des lacs Huron et Michigan, mais
toujours existant dans le Lac Nipigon et (COSEWIC 2007, Eshenroder et al. 2016). Cependant, il est à noter que certains auteurs considèrent que les populations du lac Nipigon sont différentes de nigripinnis ayant existé dans les Grands Lacs (Todd & Smith 1992). Dépendamment des références, ce cisco est aujourd’hui considéré comme éteint (Union International pour la Conservation de la Nature; Gimenez Dixon 1996) ou sans statut de conservation officiel étant donné le manque d’information permettant d’évaluer sa situation (COSEWIC 2007).
Typiquement, nigripinnis était décrit comme ayant un corps allongé, haut et comprimé latéralement (Smith 1964, Scott et Crossman 1973). Ce ciscos était aussi connu pour avoir des nageoires noires et un grand nombre de branchicténies (Koelz 1929). Smith (1964) a rapporté que nigripinnis était la forme pouvant atteindre la plus grande taille dans le lac Michigan (plus de 350 mm). Également, ce cisco faisait partie des formes qui occupaient le plus souvent les zones profondes des lacs (> 100 mètres) – à l’exception des populations du lac Nipigon, qui pouvaient se retrouver dans des profondeurs aussi faibles que 33-37 mètres (Dymond 1926). Par rapport à artedi, Koelz (1929) décrivait que
nigripinnis avait un corps plus profond, une chair plus grasse, des nageoires plus foncées et
occupait des zones plus profondes. Turgeon et al. (1999) ont également noté, en comparant ces deux mêmes formes dans le lac Nipigon, que nigripinnis possédait plus de branchicténies et se nourrissait d’une plus grande proportion de Mysis diluviana alors que artedi semblait préférer des proies de plus petite taille (cladocères et copépodes). Du point de vue génétique, Turgeon et al. (1999) n’ont détecté aucune différenciation significative entre les nigripinnis et les artedi du lac Nipigon en utilisant des marqueurs microsatellites. Aucune étude n’a tenté
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de décrire la différenciation génétique entre les types de ciscos historiques des Grands Lacs. Cependant, Schmidt et al. (2016) et Blanke et al. (2018) ont prouvé que chaque forme historique de cisco possédait une position trophique unique par rapport aux autres formes en utilisant des spécimens d’archives préservés depuis 1920. Dans ces deux études, nigripinnis et artedi affichaient des positions trophiques complètement distinctes dans tous les lacs où ils coexistaient.
Problématique générale
Les Grands Lacs Laurentiens ont toujours été reconnu comme le cœur de la diversité phénotypique des ciscos. Ils pouvaient historiquement contenir jusqu’à huit formes différentes en sympatrie (Koelz 1929, Eshenroder et al. 2016), dont plusieurs y étaient considérées comme endémiques (Scott & Crossman 1973). Les ciscos jouaient un important rôle dans le réseau trophique des Grands Lacs étant donné leur migration verticale dans la colonne d’eau (Eshenroder et al. 1998, Schmidt et al. 2011). Les formes occupant les zones profondes représentaient une part importante de l’alimentation des espèces piscivores (Dymond 1926, Koelz 1929). Cependant au XXe siècle, la croissance de la pêche commerciale et l’arrivée concomitante d’espèces envahissantes dans les Grands Lacs ont bouleversé la structure des écosystèmes aquatiques liés aux habitats en profondeurs (Schmidt et al. 2009). Ces bouleversements ont entraîné une importante perte de biodiversité des poissons de fonds dans ces écosystèmes. En effet, plusieurs formes de ciscos de profondeurs ont complètement disparu ou sont aujourd’hui hybridées (Eshenroder et al. 2016).
Contexte du projet
Aujourd’hui, les gestionnaires des écosystèmes des Grands Lacs considèrent que la réintroduction de poissons de profondeur pourrait renforcir la stabilité des interactions trophiques et ainsi rétablir la diversité fonctionnelle des Grands Lacs (Zimmerman & Krueger 2009, GLFC 2011). Pour l’industrie de la pêche, un tel rétablissement serait aussi synonyme d’une plus grande productivité et d’une plus grande diversité des ressources (Jensen 1999).
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En 2010, des ciscos correspondant partiellement à la description phénotypique du type nigripinnis (Koelz 1929, Eshenroder et al. 2016) ont été découverts dans une région reconnue comme ayant été inondée durant la déglaciation par les eaux excédentaires du lac proglaciaire Algonquin (Chapman 1954, Dadswell 1972, Larsen 1987). Cet exutoire au Lac Algonquin – nommé l’exutoire du Fossmill – aurait été en activité entre 12 500 à 11 500 ans cal. BP (Harrison 1972, Lewis et al. 2008). L’eau en provenance du Lac Algonquin se déversait dans une vallée dans le secteur Nord du Parc Provincial Algonquin et s’écoulait vers le sud-est jusque dans la vallée d’Ottawa. Étant donné que l’exutoire du Fossmill connectait le Lac Algonquin et la vallée d’Ottawa, de nombreuses espèces aquatiques tolérantes aux eaux froides s’en sont servi comme voie de dispersion (Mandrak & Crossman 1992). Par exemple, le crustacé Mysis diluviana fait partie des espèces ayant colonisé de nouveaux territoires par le déversoir Fossmill en provenance du L. Algonquin (Martin & Chapman 1965). À l’inverse, le Fossmill a pu être colonisé d’est en ouest par d’autres espèces capables de migrer à contre-courant. Par exemple, la lignée atlantique du touladi (Salvelinus
namaycush) aurait suivi ce patron de recolonisation (Halbisen 2008).
Le cisco de type artedi est également rapporté à l’intérieur de la région couverte par l’exutoire du Fossmill, en sympatrie et en allopatrie avec les populations putatives de
nigripinnis. Artedi est aussi répertorié dans de nombreux lacs de plus haute élévation que le
seuil maximal atteint par les eaux du Fossmill (environ 385 m), mais seulement dans des bassins versants qui ont été connectés à ce dernier (Ridgway et al. 2017). Dans les lacs associés au drainage du Fossmill, plusieurs informations existent déjà par rapport à
nigripinnis. En effet, la thèse réalisée par Allan Bell (2017) a permis de déterminer que la
probabilité d’occurrence de ce poisson est maximale entre 20 et 25 mètres de profondeur. Également, leur nombre de branchicténies (entre 50 et 66) est plus élevé que le nombre de branchicténies typique de artedi (entre 40 et 55, Bell 2017). Cependant, il est à noter que les
nigripinnis putatifs n’ont pas été identifiés avec des critères objectifs et n’ont pas été
9 Objectifs et hypothèses
À l’amorce de ce projet de recherche, une première étude sur les nigripinnis était déjà en cours (Bell et al., en préparation), laquelle portait sur la sélection d’habitats et sur le dénombrement des branchicténies. Cependant, l’identification des nigripinnis provenait de critères subjectifs et non systématiques. Ainsi, le premier objectif du présent mémoire était de décrire la variation phénotypique globale qui existe chez les ciscos artedi et nigripinnis présumés afin d’en confirmer la distinction à l’aide de critères objectifs. Le second objectif était de déterminer l’origine évolutive de nigripinnis en testant deux hypothèses alternatives. D’abord, considérant l’existence de l’exutoire du Fossmill, il est possible que nigripinnis ait colonisé cette région en provenance du lac proglaciaire Algonquin. Ce scénario impliquerait donc une lignée de nigripinnis distincte de artedi. Alternativement, considérant l’hypothèse évolutive dominante des formes dérivées de ciscos et considérant la colonisation du Fossmill par M. diluviana, il est possible que les populations de nigripinnis puissent provenir d’une radiation in situ. Il est à noter que d’autres scénarios évolutifs pourraient être formulés dans le présent contexte (Hudson et al. 2007). Par exemple, plusieurs invasions d’une même lignée pourraient complexifier les signaux génétiques détectés. Cependant, il est nécessaire de d’abord tester et contraster les deux hypothèses évolutives mutuellement exclusives les plus parcimonieuses.
Technologies de séquençage et outils génomiques
Depuis le tournant des années 2000, les technologies de séquençage ont continuellement gagné en puissance (Pareek et al. 2011). L’apparition de méthodes de séquençage à haut débit (Next Generation Sequencing; NGS) a répandu l’usage d’outils génomiques pour répondre à une large gamme de questions écologiques et évolutives. L’utilisation de marqueurs de polymorphisme nucléotidiques simple (SNPs), associés aux technologies NGS, est devenu une pratique dominante. L’attrait principal des méthodes NGS est leur capacité d’obtenir une grande quantité de marqueurs moléculaires distribués sur l’ensemble du génome et ce, même pour des espèces non-modèles. Également, ces nouvelles avancées ont considérablement réduit les efforts en laboratoire liés à la découverte de nouveaux marqueurs moléculaires. Ces nouvelles méthodes n’ont toutefois pas complètement remplacé les anciennes pratiques (e.g., séquençage de Sanger). Notamment,
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les technologies NGS peuvent impliquer un taux d’erreur plus important et un plus grand besoin de filtration bio-informatique après séquençage (Pareek et al. 2011).
À l’aide de ces récentes technologies, il est aujourd’hui possible de tester avec un plus grand pouvoir de résolution des hypothèses liées à l’histoire évolutive et à l’adaptation locale (Davey et al. 2011). En effet, les NGS facilitent la détection de loci démontrant des différences marquées de fréquences alléliques entre les populations ou fortement corrélés avec des caractéristiques phénotypiques ou environnementales. Dans certains cas, il est possible d’associer ces marqueurs spécifiques à des gènes d’organismes modèles et d’en interpréter le rôle dans la divergence locale.
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Chapter I: Evolution and diversity of two cisco forms
(nigripinnis and artedi) in a proglacial outlet of Lake
Algonquin
Chapitre I : Évolution et diversité de deux formes de ciscos (nigripinnis et artedi) dans un drainage proglaciaire du lac Algonquin
12 Résumé
La diversité des ciscos des Grands Lacs (Coregonus artedi, sensu lato) provient de multiples événements de divergence locale et est aujourd’hui grandement menacée. La forme
nigripinnis est disparue des Grands Lacs, mais existe toujours dans le lac Nipigon.
Récemment, de nouvelles populations ressemblant à la forme nigripinnis ont été découvertes en sympatrie avec artedi dans des lacs historiquement liés aux proto-Grands Lacs par le déversoir du Fossmill. Ces populations pourraient représenter la diversité historique des ciscos des Grands Lacs. Pour analyser leur origine évolutive et leur diversité, les ciscos sont partitionnés en paires selon l’habitat de capture (benthique/pélagique) et le nombre de branchicténies. Un continuum de divergence écologique, morphologique et génétique est décrit et pourrait être associé à l’utilisation de ressources alimentaires alternatives. Les analyses génétiques effectuées sur 6676 marqueurs nucléotidiques simples indiquent que les populations de nigripinnis originent de divergences in situ répétées d’une lignée atlantique ayant colonisé cette région. Cette étude contribue à décrire un segment additionnel et méconnu de la diversité des ciscos des lacs intérieurs au Canada.
13 Abstract
Great Lakes ciscoes (Coregonus artedi, sensu lato) diversity arose via repeated local adaptive divergence and is now threatened. The nigripinnis form is extirpated from the Great Lakes but remains in L. Nipigon. New putative nigripinnis populations were recently discovered with sympatric artedi in lakes historically connected with proglacial L. Algonquin through the Fossmill outlet. Hence, nigripinnis may have colonized this area as a lineage distinct from artedi and could represent a relict embodiment of the historical diversity of ciscoes. To elucidate their evolutionary origin, pairs of cisco forms were compared by habitat of capture (benthic/pelagic) and gill raker counts. A continuum of ecological, morphological and genetic differentiation is described and could be associated to alternative resources exploitation. Genetic analyses performed on 6676 SNPs demonstrate divergence of an Atlantic lineage colonizing the area. This study uncovers a new component of diversity in ciscoes of inland lakes in Canada.
14 Introduction
Adaptive radiation occurs when two or more lineages develop specific adaptations to alternative niches or resources (Schluter 2000, Givnish 2015). The last North American deglaciation was a major event influencing local divergence for several freshwater species (Schluter & Rambaut 1996, Avise et al. 1998, Bernatchez & Wilson 1998). Indeed, as the ice sheet melted, postglacial lakes that were formed offered unexploited ecological resources for fishes in recolonization process. Hence, multiple cases of in situ divergence associated with exploitation of alternative habitats and foraging strategies have been described in diverse freshwater fish taxa, including Centrarchidae, Gasterosteidae, Osmeridae, and Salmonidae (Taylor 1999, Bernatchez 2004). Moreover, phenotypic divergence among independent, replicated evolutionary lineages within a given taxon is often parallel and produced by similar ecological constraint or opportunities (Elmer & Meyer 2011).
North American ciscoes of the Coregonus artedi complex (sensus lato, Turgeon & Bernatchez 2003) are an example of this postglacial diversity, and a wealth of forms have been described (Koelz 1929, Clarke 1973, Scott & Crossman 1973, Eshenroder et al. 2016). Although ciscoes are widely distributed in North America (Behnke 1972, Clarke 1973), they have most extensively been studied in large, deep lakes, such as the Laurentian Great Lakes, where up to eight species/forms occurred in sympatry (Koelz 1929, Eshenroder et al. 2016). Sympatric ciscoes have also been described in inland lakes, but their ecology and evolution is lesser known (but see e.g. Etnier & Skelton 2003, Howland et al. 2013, Turgeon et al. 2016).
Ciscoes are well-known for their great extent of phenotypic variability (Clarke 1973, Lindsey 1981). Phenotypic diversity of cisco forms is characterized by multiple divergent characters, such as morphology, trophic position, depth preference, spawning habitat or season. Among these characters, gill rakers have been extensively used as one of the main traits reflecting ecophenotypic divergence (Smith & Todd 1984, reviewed in Bernatchez 2004, Præbel et al. 2013). This essential foraging apparatus for coregonines is often used to infer different feeding strategy: a high gill raker count is associated with small preys and planktivory while a low gill raker count is associated with larger preys and benthivory
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(Kahilainen et al. 2011, Howland et al. 2013). Ciscoes also display depth partitioning within lakes (Koelz 1929) that can be associated with trophic position (Schmidt et al. 2011, Blanke et al. 2018). These multiple axes of phenotypic divergence do not easily lead to clear-cut diagnostic characters and unequivocal identification of cisco forms across lakes (Eshenroder et al. 2016). In many instances, a cisco form may only be phenotypically recognizable when compared to a sympatric form (Clarke 1973, Todd & Smith 1984, Turgeon et al. 2016). The inconsistent phenotypic characteristics of cisco forms, when described among lakes, amounts to a persisting taxonomic imbroglio. Herein, we generally adopt the recently suggested nomenclature of Eshenroder et al. (2016), where cisco forms are designated by their species epithet (artedi, nigripinnis, zenithicus, etc.), and they are considered as multiple forms of a single officially recognized species (Coregonus artedi, sensu lato).
Among cisco forms, artedi is the ancestral form because it has the widest distribution across North America (Smith & Todd 1984, Turgeon & Bernatchez 2003). Two glacial lineages of artedi were probably involved in the continental postglacial recolonization: a western lineage from the Mississippian refugium in central Canada, and an eastern lineage from the Atlantic refugium (Turgeon & Bernatchez 2001a, 2001b). Both races reached the Great Lakes where extant cisco forms display a signature of admixture between these two glacial lineages (Turgeon & Bernatchez 2001b, Turgeon et al. 2016). The evolutionary origin of cisco forms has been debated for decades (Behnke 1972, Smith & Todd 1984, Todd & Smith 1992), but a consensus based on genetic evidence is emerging that cisco forms originated from repeated postglacial parallel and local divergences in the Great Lakes as well as in several inland lakes (Turgeon & Bernatchez 2003, Turgeon et al. 2016, Eshenroder et al. 2016). To our knowledge, there is currently no example supporting the alternate hypothesis of a pre-existing cisco form colonizing postglacial lakes (Behnke 1972, Todd & Smith 1992).
The in situ evolutionary origin of cisco forms is challenged by the recent discovery of ciscoes with some characteristics of nigripinnis in an area connected to the Great Lakes during deglaciation (Bell et al., in prep.). Among the different deepwater ciscoes endemic to the Great Lakes, nigripinnis was one of the most affected by predation, competition with
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non-native species and overfishing during the 20th century (Smith 1964, Roseman et al. 2009). Historically abundant in four of the Great Lakes, nigripinnis now only remains in L. Nipigon (COSEWIC 2007). The conservation status of this form is ambiguous: Gimenez Dixon (1996) reported it as completely extinct and the COSEWIC (2007) assessed it as ‘Data
Deficient’ because of the uncertainty about the distinctiveness between nigripinnis and artedi. Meanwhile, the global status of deepwater ciscoes in the Great Lakes is of concern
and ongoing efforts are attempting to re-establish their historical diversity (Zimmerman & Krueger 2009, GLFC 2011).
In 2010, nigripinnis-like populations were discovered in four lakes (Bell et al., in prep.) in Algonquin Provincial Park (less than 150 kilometers away from L. Huron). Fish with such phenotypes have not been sampled in lakes outside of the area historically covered by the Fossmill outlet, a temporary drainage of the proglacial L. Algonquin. This Fossmill outlet drained L. Algonquin into the Champlain Sea for nearly a millennium (12 500-11 500 calibrated years Before Present (cal. BP); Harrison 1972, Larsen 1987, Karrow 2004). During that time, the Fossmill outlet was a major corridor for fish dispersal (Mandrak & Crossman 1992). The historical extent of the Fossmill outlet is now identified by occurrence of crustaceans typical of proglacial L. Algonquin, such as Mysis diluviana (hereafter Mysis), within relict lakes covered by this drainage (Martin & Chapman 1965, Dadswell 1972).
The nigripinnis-like populations in Algonquin Provincial Park were recently described by Bell et al. (in prep.) and seem to share several phenotypic characteristics with historical nigripinnis from the Great Lakes (Dymond 1926, Koelz 1929). Namely, they have paired black fins, black pigment along the dorsal region and blue iridescence above the lateral line (see Koelz 1929, Eshenroder et al. 2016). Bell et al. (in prep.) also reported that their peak depth occupancy (between 20-25 m) corresponds to the depth preferences of nigripinnis in L. Nipigon (COSEWIC 2007). This depth preference contrasts with those of the Great Lakes, where Koelz (1929) reported this form at depths around 100 m. Bell et al. also reported that gill raker counts in Algonquin fish ranged from 45 to 66, exceeding the contemporary range expected for both typical artedi (40-51 in L. Nipigon; 36-52 in L. Superior; 38-52 in L. Huron; 43-55 in L. Ontario) and typical nigripinnis (42-56 in L. Nipigon; Eshenroder et
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al. 2016). Finally, gut content analysis in three lakes of Algonquin Park revealed the presence of Mysis in 50% of putative nigripinnis individuals examined. This result is consistent with the description of nigripinnis diet in the Great Lakes (Koelz 1929, Turgeon et al. 1999). Putative nigripinnis populations are not the only cisco form to occur in this region. Artedi is found within and above the area covered by the Fossmill outlet and occur in sympatry and allopatry with putative nigripinnis across the landscape. However, these two forms have not been fully compared.
The postglacial context of the Fossmill outlet and the putative co-occurrence of two cisco forms in sympatry offer a unique opportunity to test alternate evolutionary hypotheses about the origin of these forms. Indeed, nigripinnis and artedi could have colonized the Fossmill outlet as distinct and pre-existing lineages originating from proglacial L. Algonquin. According to this ‘colonization’ hypothesis, nigripinnis and artedi would each form a distinct genetic cluster recognizable across lakes and would be reciprocally monophyletic. Considering the importance of Mysis in cisco diet, nigripinnis would remain only in deeper lakes where the crustacean could persist. Artedi could prevail in most lakes, with or without
Mysis, because they can feed on pelagic zooplankton prey (Ahrenstorff et al. 2013).
Alternatively, a nigripinnis-like form could have diverged locally from the ancestral artedi where alternative resources like Mysis were available. As noted above, this corresponds to the dominant evolutionary hypothesis for ciscoes. Hence, this ‘in situ’ hypothesis predicts that the artedi and the nigripinnis-like forms would form a cluster in each lake.
This paper first aims to compare the morphology of ciscoes captured in benthic (nigripinnis-like) and pelagic (artedi) habitats in lakes located in and around the Fossmill drainage (and in L. Nipigon as reference). We expected to detect two sympatric forms differentiated by habitat, gill raker counts (Etnier & Skelton 2003, Häkli et al. 2017), as well as linear traits and body shape often different between fish ecotypes (Muir et al. 2013, 2014, Laporte et al. 2016, Perreault-Payette et al. 2017). We also performed population genomics analyses to test the ‘colonization’ vs. ‘in situ’ hypotheses, anticipating that nigripinnis found in the Fossmill area should belong to the same lineage(s) as fish from the Great Lakes if it originates from that area. Our study could identify relict fish populations of major
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conservation importance given the recent interest in restoring the deepwater fish fauna of the Great Lakes. Moreover, it could contribute to fill the gap of information about nigripinnis-like fish in Canada (COSEWIC 2007).
Material and methods
Samples of ciscoes
Most fish included in this study were sampled in 2016 by Bell et al. (in prep.) in Algonquin Provincial Park (Figure 1, Table 1). In the area covered by the Fossmill outlet, where Mysis occurs, ciscoes were caught in benthic nets as well as pelagic nets in five lakes (L. Mink, L. Cauchon, L. Cedar, L. Hogan and L. Radiant). In addition, ciscoes were caught in pelagic nets set in two other lakes (L. Three Mile and L. Grand), while benthic nets set during a Lake Whitefish (Coregonus clupeaformis) survey caught ciscoes in another lake (L. Kioshkokwi). Another six lakes located above the elevation of the Fossmill outlet, where
Mysis is absent, were sampled with pelagic nets (benthic nets never caught ciscoes in
previous surveys of these lakes). Benthic and pelagic ciscoes were also captured in L. Memesagamesing (Parry Sound District, Ontario), located west of Algonquin Park in an area formerly covered by L. Algonquin. All of these lakes were sampled with the methods detailed in Bell et al. (in prep) such that fish could be grouped by habitat of capture, i.e. benthic (BEN) or pelagic (PEL). Hereafter, we will refer to ‘ecotypes’ to reflect habitat of capture, and this field-based classification scheme (lake x habitat) was used as a first proxy to define putative populations. In addition, we will refer to ‘morphotypes’ to reflect the same dataset of ciscoes classified by morphological characteristics (i.e. gill raker counts – see below). Finally, the term ‘eco-morphotypes’ will be used to refer to cisco classified by both their habitat of capture and morphological characteristics.
Ciscoes from lakes outside this focal area were included as references for a subset of analyses. First, artedi and nigripinnis collected by Thomas C. Pratt (DFO, Sault Ste-Marie) in L. Nipigon in 2008 were included as this is the only extant population of nigripinnis. Genetic and linear morphometric analyses were performed on these samples (but not shape analyses). Second, lakes harboring cisco forms exhibiting genetic signature of the
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Mississippian (L. Athapapuskow and L. Nipigon) and the Atlantic (L. Champlain) glacial lineages (Turgeon & Bernatchez 2003, Turgeon et al. 2016) were included as references in the global genetic analysis to test the ‘colonization’ hypothesis. Finally, artedi from L. Huron and L. Superior were also included, because their genetic composition should represent that of a lineage colonizing the Fossmill drainage.
Morphology
Gill rakers were counted as per Bell et al. (in prep.) and included vestigial gill rakers located near the ends of the upper and lower segments. Here, we included the data from Bell et al. (in prep.) for comparison purposes with L. Memesagamesing specimens, which have never been described, and L. Nipigon, the sole extant reference for nigripinnis. A factorial analysis of variance (ANOVA) was conducted to compare the main effects of ecotypes (BEN vs. PEL) and lakes and the interaction between these effects on the gill raker counts. Within lake comparisons were performed with post-hoc Tukey's honest significance tests (hereafter, Tukey). Given the discontinuous and bimodal gill raker count distribution in L. Cedar and L. Hogan (see results), we grouped fish with low (LGR) or high gill raker counts (HGR). This resulted in two classification schemes for these two particular lakes, namely the LGR vs. HGR morphotypes and BEN vs. PEL ecotypes.
A photograph of the left size of thawed specimen was taken (up to 65 per lake and habitat – see Table 1). Following the setup described in Muir et al. (2012), fish were displayed on a mesh cradle to maintain a planar imaging surface, next to a ruler as scaling reference. A total of 22 homologous landmarks (Figure 2) were positioned using pins and digitized with tpsDig2.3.2 (Rohlf 2015). Landmarks were used to measure 23 linear traits and for geometric-morphometrics analyses (Adams et al. 2004, Zelditch et al. 2012).
Linear measurements were calculated from the coordinates of digitized landmarks. All measured traits (Sup. Mat. Table S1) were log-transformed to adjust for normality. An analysis of covariance (ANCOVA) using standard length as covariate supported the homogeneity of between-groups within lake (habitat x lake) slopes for each trait (P > 0.05). Effect of size was removed by obtaining ordinary least-square residuals of every trait against
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standard length considering all lakes combined (Reist 1985). Morphological variation between BEN and PEL was analyzed using Principal Component Analysis (PCA) in search of phenotypic traits most contributing to variation among fish. (Richman 1988, Peres-Neto et al. 2003). A factorial ANOVA was conducted to compare the main effects of ecotypes (BEN vs. PEL) and lakes and the interaction between these effects on PC1 scores of linear traits. Within lake comparisons were performed by post-hoc Tukey's honest significance tests. Linear traits differences between BEN and PEL were also examined using analysis of similarities (ANOSIM; Clarke 1993). This non-parametric test estimates the differences of mean rank similarities within and between group assemblages. To do so, we built a dissimilarity matrix from the raw linear measurements by computing the Euclidean distance between individuals. Then, the ANOSIM provided the estimated differences of mean rank similarities within and between groups (BEN/PEL), yielding an estimate between -1 and 1. A resulting R-value > 0 indicates that within group similarity is greater than the between groups similarity. Statistical significance of the observed value was estimated from a null distribution model calculated over 999 permutations. This analysis was firstly carried out to assess similarity within and between BEN/PEL assemblages among lakes. In a second step, the same procedure was performed within lakes harboring sympatric BEN and PEL fish.
Geometric-morphometrics analyses were performed using the digitized homologous landmarks in the MorphoJ software v1.06 (Klingenberg 2011). To remove information non-related to shape differences among fish (i.e., position, size and orientation), a full generalized Procrustes superimposition was performed (Dryden & Mardia 2016). First, alignment of every specimen was applied though superimposition of the two landmarks at the longitudinal extremities of the shape (L1 and L2; see Figure 2). Second, corrected shapes were superimposed on their centroids. Finally, unbending procedure was executed as suggested by Valentin et al. (2008) to counteract the arching effect of posture on body shape. A covariance matrix was generated from the Procrustes coordinates and shape variation and used in a PCA. A factorial ANOVA was conducted to compare the main effects of ecotypes (BEN vs. PEL) and lakes and the interaction between these effects on PC1 scores of body shape. Within lake comparisons were performed by post-hoc Tukey's honest significance tests.
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Data on morphology were obtained using the above methods for ciscoes sampled in Algonquin Park and L. Memesagamesing. For L. Nipigon, data for gill raker counts and linear measurements were kindly provided by Tomas C. Pratt (DFO, Sault Ste-Marie), but shape analysis was not possible.
Population genomics
Genomic DNA was extracted on spin-column following the instructions for the Qiagen DNeasy Blood and Tissue Kit (Qiagen, Canada). DNA concentration was standardized by Accuclear ultra high sensitivity double strand DNA quantitation kit (Biotium, USA) and Spark multimode microplate reader (Tecan Group Ltd, Switzerland). Samples were randomised and genomic libraries were prepared following the methods described in Mascher et al. (2013). Genotyping by sequencing (Elshire et al. 2011) on Ion Proton sequencing platform (Life Technology) was conducted at the Institut de Biologie
Intégrative et des Systèmes (Université Laval, QC, Canada). Replicates between plates were
used to control sequencing bias (Robasky et al. 2014). These replicates resulted in 94% ± 0.5% of markers concordance across plates.
Single nucleotide polymorphism (SNPs) were identified in Stacks v1. 44 (Catchen et al. 2013) using Oncorhynchus mykiss as reference genome. Polymorphic SNPs were retained or filtered out for their quality and quantity at the locus and at the genotype levels. Every marker with a depth of coverage less than four reads (-m4) was excluded. Presence of a locus in at least 60% of all populations (habitat x lake) was required to be retained. A minor allele frequency (MAF) threshold of 0.01 at global level or 0.05 at the population level (habitat x lake) was used to avoid bias in downstream genome scan analysis (Roesti et al. 2012). Potential excessive heterozygosity due to partial genomic duplication in salmonids was controlled by filtration of maximum heterozygosity for one locus at 60% within population. To reduce potential effect of linkage disequilibrium, only one SNP per read was retained; when two or more SNPs were detected, the SNP with higher MAF was retained. Finally, six individual genotypes with more than 25% of missing data were removed. From an input file of 135 334 potential SNPs, 94.75% were filtered out and 7101 SNPs were retained for a total of 511 individuals (Table 1, Sup. Mat. Table S2). The output data file created from Stacks
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was converted in other formats with PGDspider v2.1.1.3 (Lischer & Excoffier 2012) and Plink 1.9 (Purcell et al. 2007).
Given the primary interest on lineage history (‘colonization’ vs. ‘in situ’ origin), we aimed to identify and exclude loci under divergent selection. These SNPs were detected by combining two Genotype-Environment Association approaches contrasting ecotypes and morphotypes. First, a redundancy analyses (RDA), using vegan R package (Oksanen et al. 2017), was used to analyse covariation of all loci with eco- or morpho- types (BEN/PEL or LGR/HGR). This method is thought to be sensitive for identifying adaptive loci under weak selection regime (Forester et al. 2017). SNPs with a locus score of ±3 SD from the mean score of each constrained axis were identified as outliers. Second, we used latent factor mixed model (LFMM) from the LEA R package (Frichot & François 2015) that can detect markers exhibiting high correlation with variable phenotypic traits (here, PC1 scores of linear traits) while controlling for population structure. Note that BAYESCAN 2.1 (Foll & Gaggiotti 2008) did not detect any loci putatively under selection.
Combining the RDA and LFFM methods, we detected 425 loci putatively under divergent selection (Sup. Mat. Figure S1). Once excluded from the 7101 SNPs, this yielded a dataset comprising 6676 SNPs. These include neutral loci and loci that could be under balancing selection; in this way the differentiation of sympatric cisco forms is not unduly favored.
Genetic analyses
To test the ‘colonization’ vs. ‘in situ’ hypotheses explaining the presence of benthic ciscoes (nigripinnis-like form) in the Fossmill drainage, we used the neutral loci data set for two complementary clustering methods (Linck & Battey 2017). The model-based ADMIXTURE algorithm (Alexander et al. 2009) estimates maximum likelihood individual ancestries from SNPs genotypes for an interval of possible genetic clusters (K). Using default setting of 5-fold cross-validation and 200 bootstrap replicates, the analysis was first performed from K = 1 to K = 25 with all lakes in order to identify the glacial lineages present in the focal area of Algonquin Provincial Park (and L. Memesagamesing). A second analysis
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focussed on lakes in that focal area with K = 1 to K = 16 (corresponding to the minimum and maximum expected number of genetic clusters). The model-free K-means clustering was implemented in GenoDive (Meirmans & Van Tienderen 2004) with the same datasets and intervals of K values. To overcome potential bias in K-means clustering, missing data were replaced randomly by the overall pool of allele frequency (Meirmans & Van Tienderen 2004). K-means clustering was run with 10 000 permutations and optimal value of K was determined by Bayesian Information Criterion.
Genetic structure in the focal area was evaluated with F-statistics using neutral dataset. An analysis of molecular variance (AMOVA, Excoffier et al. 1992) was performed in GenoDive, using 10 000 permutations and an infinite allele mutation model. Specifically, we compared the genetic variance explained by lakes vs. ecotypes (BEN or PEL) in nested models using these factors as top hierarchical levels (lake nested in ecotypes vs. ecotypes nested in lake). The ‘colonization’ hypothesis would predict a higher genetic variance explained by ecotypes than lakes; the opposite result would support the ‘in situ’ hypothesis.
Pairwise genetic differentiation (Fst) between putative populations (habitat x lake) was estimated in GenoDive with the AMOVA approach for lakes in the focal area. Significance of Fst was assessed with 10 000 permutations and a False Discovery Rate adjustment (α = 0.05, Supp. Mat. Table S4). Fst between sympatric ecotypes (BEN vs. PEL) and morphotypes (LGR vs. HGR) in L. Cedar and L. Hogan were also estimated and qualitatively compared to the level estimated between artedi and nigripinnis in L. Nipigon. Datasets comprised of neutral loci and only loci under selection were used to estimate Fst.
Reclassification based on habitat vs. gill raker counts
Two grouping schemes were possible in L. Cedar and L. Hogan: ecotypes defined by habitat (PEL or BEN) and morphotypes defined by gill raker counts (LGR or HGR). To determine which one better discriminates cisco forms, phenotypic and genetic data were used for reclassification into these categories. First, linear discriminant analyses (LDA) were performed in each lake using corrected linear traits or shape Procrustes coordinates. The fit of each LDA model was assessed by leave-one-out cross-validation procedure and
