Population structure, connectivity and ecological dynamics of the Antarctic silverfish, Pleuragramma antarctica

The Antarctic silverfish (Pleuragramma antarctica) is a keystone species in the continental shelf waters around the Antarctic, performing an essential role of connecting higher and lower trophic levels in the Southern Ocean ecosystem. Its early life history is dependent on the platelet ice layer found below sea ice, thus intimately intertwining its fate with that of sea ice extent. Antarctic silverfish belong to the family Nototheniidae, part of the Notothenioidei suborder whose species radiation in the Southern Ocean 24 million years ago is one of the most expansive among teleost fish. Most notothenioids inhabit a benthic niche as adults, though many experience a pelagic egg and larval phase. Antarctic silverfish are unique among notothenioids in that they are pelagic throughout their life history. Larvae develop in the platelet ice layer near the surface beneath sea ice, descending into deeper waters as they grow in size as juveniles, finally reaching their maximum depth range as adults at 400 – 700 m below the surface. While they lack a swim bladder, Antarctic silverfish manage to remain in the water column as adults by a type of paedomorphy in which they retain lipids from larval and juvenile life stages, allowing them to achieve neutral buoyancy. Despite their presence in the water column as adults, they practice a similar energy-efficient life strategy to their benthic counterparts. Their feeding strategy involves hanging in the water column and passively consuming prey. Remaining in the water column throughout their life history combined with their passive life strategy renders Antarctic silverfish especially susceptible to transport via local and circumpolar current systems. Thus, local and circumpolar current systems form the hydrographic framework in which hypotheses regarding Antarctic silverfish population connectivity must be tested. How populations of fish are defined, and the extent to which separate populations exchange individuals forms the basis of marine fish population biology. The extent to which Antarctic silverfish, which have a circumpolar distribution, represent one fully connected, panmictic population around the Antarctic continent, remains an open question. It is reasonable to presume that, given their pelagic larval phase, many species of notothenioids with a circumpolar distribution represent large, homogeneous populations. This presumption remains the null hypothesis to test when investigating population structure in notothenioids, and it is especially salient when considering the fully pelagic Antarctic silverfish. The first investigation into Antarctic silverfish population structure employed mitochondrial DNA markers on a circumpolar scale and did not find evidence to reject the null hypothesis of panmixia throughout the Southern Ocean. Intriguingly, while comparisons between regions failed to indicate differentiation, comparisons within regions between years hinted at inter-annual variation in patterns of connectivity. Genetic differentiation within the same geographic area that is lost and gained between sampling years due to variations in recruitment, mortality and hydrography is known as chaotic genetic patchiness. The extent to which chaotic genetic patchiness is relevant to understanding Antarctic silverfish population structure was further studied in a more recent investigation, restricting its geographic focus to the Antarctic Peninsula, and employing a set of highly polymorphic EST-linked microsatellite markers to understand population connectivity around the Antarctic Peninsula. Based on both its more focused regional scale and sampling scheme, as well as the use of genetic markers more adept at capturing population differentiation, this study was able to detect genetic structuring on the scale of the Antarctic Peninsula. Building upon these initial studies, this thesis aimed to characterize the circumpolar population structure of Antarctic silverfish, integrating aspects of life history and hydrography in order to describe mechanisms of connectivity between populations. The first aim was to understand the hydrography underlying life history connectivity on the scale of the Ross Sea region in order to better understand what may be occurring on the circumpolar level. Silverfish larvae were collected from areas in the Ross Sea coincident with hydrographic features hypothesized to influence their connectivity. While a microsatellite-based analysis was precluded due to the poor state of preservation of the larvae, it was possible to confirm species identification using mitochondrial sequence analysis. The genetic confirmation of species was especially important given that this study proposed a new spawning ground for silverfish in the Ross Sea based on size at collection and established growth rates from the time of hatching. Importantly, this study provided renewed support for the life history hypothesis in silverfish, emphasizing the impact of trough circulation in transporting early life stage fish from the ice shelf edge to the continental slope, where retention back towards the coast or entrainment in shelf-long currents modulates connectivity between neighboring populations of silverfish. The Ross Sea investigation was then expanded on a circumpolar scale, now carried out using a suite of highly polymorphic EST-linked microsatellite markers developed in a closely related notothenioid species and shown to successfully amplify in silverfish in a previous study. This analysis was carried out on fish collected over 25 years from six different regions: the western Ross Sea, the eastern Weddell Sea, Larsen Bay, the northern Antarctic Peninsula, the South Orkney Islands, and the western Antarctic Peninsula. The data analyzed included samples from the two previous investigations of silverfish population structure described earlier, the first using mitochondrial markers on a circumpolar scale that had not found evidence of population structuring, and the second using the same suite of microsatellite markers employed in this thesis on a regional scale around the Antarctic Peninsula. The integration of these previous datasets into the present analysis allowed for an increase in the resolving power of the previous mitochondrial marker-based study, as well as for the integration of the Antarctic Peninsular work into the greater circumpolar context. The circumpolar investigation of Antarctic silverfish population structure confirmed that the population structure of silverfish on a circumpolar scale is characterized by high levels of gene flow, and suggested that the Antarctic Slope Front and Current System (AFS) plays an integral role in connecting populations in the Southern Ocean. The importance of the AFS was evident in that reductions in gene flow were only observed in the South Orkney Islands and west Antarctic Peninsula, which were the only two areas in the study where the AFS has not been shown to arrive. This result also expanded to a circumpolar scale the earlier Ross Sea study, which had emphasized the importance of the AFS in connecting Ross Sea populations between local trough systems. It remained however, that small scale population differentiation which had been observed in the Ross Sea based on larval distributions, as well as in the eastern Weddell Sea based on the distribution of older and younger cohorts between sampling areas, was unable to be resolved using genetic techniques. Thus, the final aim of the main project of this thesis was carried out in order to resolve population structure on the regional scale, this time in the Weddell Sea, employing otolith chemistry. Analysis of trace element deposition in otolith nuclei, reflective of oceanographic conditions to which fish were exposed in early life, has been shown to delineate population structure in the Southern Ocean, in both silverfish and related notothenioids. Of the stations for which samples were available in the Weddell Sea, five stations were selected based on their locations with respect to hydrographic features hypothesized to influence population structuring in the region, in Atka Bay, Halley Bay, off of Coats Land, and west and east of the Filchner Trough. Previous studies, as well as data on biomass and abundance from the sampling expedition during which the silverfish were collected, emphasized the importance of the Filchner Trough in supporting a local population of silverfish in the eastern Weddell Sea continental shelf area. Furthermore, hydrographic data collected in the Weddell Sea emphasized the importance of warm water mass intrusion onto the continental shelf carried from the east into the Weddell Sea region by the AFS. These warm water intrusions from the AFS not only have the potential to carry fish from other regions into the Weddell Sea area, but regulate circulation patterns and the strength and directionality of coastal currents in the region, modulating local connectivity. The results of the otolith nucleus chemistry analysis revealed significant population structuring along the eastern Weddell Sea, in contrast to the structure revealed using genetics. The population structure revealed by the otolith chemistry analysis supported the importance of warm water intrusions from the AFS in transporting fish between areas, while highlighting the role of the Filchner Trough circulation in supporting a coherent population in the southeast Weddell Sea. These results emphasize the importance of the integration of multidisciplinary techniques in the context of local hydrography in addressing questions of population structure and life history connectivity in Antarctic silverfish in the Southern Ocean, and for that matter, any pelagic species inhabiting a continental shelf ecosystem.

L’antarctic silverfish (Pleuragramma antarctica) è una specie chiave nelle acque della piattaforma continentale antartica, dove svolge un ruolo essenziale nel collegare i diversi livelli trofici. La sua life history dipende, nella prima fase, dal cosiddetto “ghiaccio a placchette” (platelet ice), che si forma all’interfaccia tra l’acqua marina e lo strato di ghiaccio superficiale, legando strettamente il destino di questa specie all’estensione del ghiaccio antartico. L’antarctic silverfish appartiene alla famiglia Nototheniidae, che fa parte del sottordine dei Nototenioidei, la cui radiazione, avvenuta nell’oceano Antartico a partire da 24 milioni di anni fa, rappresenta una delle più spettacolari radiazioni adattative nei pesci teleostei. I nototenioidei comprendono, nella maggior parte dei casi, specie demersali in fase adulta, ma caratterizzate da uova e larve pelagiche; l’antarctic silverfish è unico sotto questo punto di vista perché è pelagico durante tutto il ciclo vitale. Le larve si sviluppano nello strato di platelet ice sotto il ghiaccio marino superficiale e scendono verso acque più profonde durante la maturazione, arrivando come adulti a profondità massime di 400 – 700 m. Nonostante l’assenza di vescica natatoria, l’antarctic silverfish riesce a mantenersi nella colonna d’acqua nello stadio adulto grazie a un tipo di pedomorfia caratterizzato dal mantenimento e dall’aumento dei lipidi presenti nelle fasi larvali e giovanili, che ne aumenta il potere di galleggiamento. Malgrado l’habitus pelagico da adulto, il silverfish è molto efficiente dal punto di vista energetico, possedendo una strategia alimentare simile alle controparti bentoniche, che consiste in questo caso nel galleggiare passivamente nella colonna d’acqua, consumando le prede che capitano nei paraggi, ma senza investire energia in una vera e propria ricerca attiva delle prede. Il fatto di rimanere nella colonna d’acqua durante tutto il ciclo vitale, in combinazione con la strategia di vita passiva, rende l’antarctic silverfish particolarmente suscettibile al trasporto da parte dei sistemi di correnti locali e circumpolari. Questo aspetto lo rende particolarmente interessante nel contesto della biologia di popolazione dei pesci marini, dove risulta importante identificare la presenza di diverse popolazioni e definire l’entità con cui popolazioni separate scambiano individui. In particolare, il fatto che l’antarctic silverfish, che ha una distribuzione circumpolare, presenti o meno una singola popolazione panmittica attorno al continente antartico, rimane una questione aperta. Dato che le fasi larvali sono pelagiche, è ragionevole presupporre che molte specie di nototenioidei siano organizzate in grandi popolazioni omogenee su scala geografica più o meno ampia. Questo presupposto fornisce l’ipotesi nulla da testare quando si investiga la struttura di popolazione di questo gruppo, ed è specialmente rilevante se si considera l’habitus pelagico dell’antarctic silverfish. Il primo studio della struttura genetica di popolazione dell’antarctic silverfish è stato svolto con marcatori del DNA mitocondriale; questa indagine, svolta su una scala circumpolare, non ha fornito evidenze tali da confutare l’ipotesi nulla di panmissia per l’intero oceano antartico. Tuttavia, mentre i confronti svolti tra diverse regioni non sono riusciti a dimostrare la presenza di differenziamento genetico, i confronti svolti entro regioni tra diversi anni di campionamento hanno suggerito l’esistenza di variazione inter-annuale del grado di connettività. Il differenziamento genetico tra anni di campionamento entro la stessa area geografica è riconducibile al fenomeno della chaotic genetic patchiness e può essere dovuto a variazioni nel tasso di reclutamento e mortalità e nell’idrografia. La presenza di differenziamento genetico di popolazione e di chaotic genetic patchiness nell’antarctic silverfish sono stati recentemente confermati mediante genotipizzazione di microsatelliti EST-linked in uno studio focalizzato su campioni provenienti dalla Penisola Antartica. In questo caso, l’utilizzo di marcatori genetici ipervariabili caratterizzati da un elevato potere risolutivo ha permesso di rilevare una significativa struttura genetica sulla scala regionale della Penisola Antartica. Questa tesi di dottorato mira a caratterizzare la struttura di popolazione circumpolare dell’antarctic silverfish, integrando l’informazione fornita dagli studi iniziali con nuovi campioni ed interpretando i risultati alla luce dei diversi aspetti di life history ed idrografia al fine di descrivere i meccanismi di connettività tra popolazioni. Nel primo studio prodotto nell’ambito di questa tesi di dottorato, sono stati analizzati dei campioni di larve dell’antarctic silverfish provenienti dal Mare di Ross, con l’obiettivo di legare l’idrografia locale alla connettività della specie. Lo stato di conservazione dei campioni non ha permesso di utilizzare marcatori molecolari nucleari (microsatelliti) per studiare il differenziamento tra siti geografici entro il Mare di Ross. Nonostante questo, è stato possibile sequenziare un frammento di DNA mitocondriale che ha permesso di identificare univocamente le larve come apparteneneti alla specie P. antarctica. Questo risultato è particolarmente rilevante perché conferma, grazie all’utilizzo di metodi genetici, la presenza di larve della specie P. antarctica in alcune aree del Mare di Ross che erano state precedentemente solo ipotizzate essere zone preferenziali di nursery del silverfish, sulla base di tempi di raccolta dal momento della schiusa delle uova e del tasso di crescita ipotizzato. Sulla base dell’idrografia locale, questo studio ipotizza che la circolazione legata alle depressioni del fondale sia essenziale per il trasporto delle fasi di vita iniziali dalle zone più costiere fino alla scarpata continentale, mentre l’idrografia costiera potrebbe controllare il trasporto lungo i margini della piattaforma continentale modulando la connettività tra popolazioni adiacenti. In un secondo studio prodotto nell’ambito di questa tesi di dottorato sono stati analizzati campioni raccolti nell’arco di 25 anni da sei regioni antartiche diverse: la parte ovest del Mare di Ross, la parte est del Mare di Weddell, la Baia di Larsen, la parte nord della Penisola Antartica, le Isole di South Orkney, e la parte ovest della Penisola Antartica. Questo studio su scala circumpolare è stato condotto utilizzando un pannello di 18 loci microsatellite isolati in precedenza per varie specie di nototenioidei antartici. Questi loci sono risultati polimorfici anche in P. antarctica e informativi per gli obiettivi di questa tesi di dottorato. Alcuni dei campioni inclusi in questo studio sono stati analizzati in due studi precedenti: un primo studio non aveva evidenziato segnali di differenziamento genetico a livello circumpolare (analisi di un marcatore mitocondriale) mentre un secondo studio, più recente e focalizzato sulla Penisola Antartica, aveva segnalato chaotic genetic patchiness e differenziamento genetico utilizzando lo stesso pannello di 18 microsatelliti genotipizzati in questa tesi di dottorato. Questo secondo studio ha confermato che la struttura di popolazione del silverfish sulla scala circumpolare è caratterizzato da alti livelli di flusso genico suggerendo che il sistema di correnti, in particolare l’Antarctic Slope Front and Current System (AFS), abbia un ruolo critico nel collegamento delle popolazioni nell’oceano Antartico. L’importanza del AFS è suggerita dal limitato flusso genico tra le aree ad ovest della Penisola Antartica e le South Orkneys, le due uniche zone non raggiunte dall’AFS. Questa considerazione è ulteriormente supportata dall’ipotesi che l’AFS mantenga la connettività tra depressioni del fondale anche nel Mare di Ross. Per comprendere se l’assenza di differenziamento nell’area ad est del Mare di Weddell fosse effettivamente un fatto biologico o fosse dovuta alla scarsa sensibilità dei marcatori microsatellite a piccole differenze, è stato condotto un ulteriore studio utilizzando l’analisi della chimica degli otoliti di silverfish. La quantificazione delle tracce di elementi deposti nel centro (nucleus) degli otoliti è indicativa delle condizioni chimiche oceanografiche alle quali gli individui sono stati esposti nelle fasi iniziali dello sviluppo. Questa metodologia permette di conseguenza di testare se gli individui siano stati esposti a masse d’acqua diverse nelle prime fasi di vita e di dimostrare l’esistenza di popolazioni con diversa origine. Tra i campioni disponibili per il Mare di Weddell, sono state scelte 5 aree sulla base degli aspetti idrografici che potrebbero influire sulla struttura di popolazione locale (Baia di Atka, Baia di Halley, vicino alla costa di Coats, ad est ed ovest del Filchner Trough). Dati di abbondanza e biomassa raccolti in parallelo durante in campionamento del silverfish nel Mare di Weddell avevano già evidenziato l’importanza del Filchner Trough nel sostenere la popolazione locale dell’antarctic silverfish. Inoltre, l’idrografia locale, attraverso l’intrusione di acqua più calda dall’AFS verso il Mare di Weddell, permetterebbe sia di trasportare il silverfish verso il Mare di Weddell sia di regolare direzionalità e tasso di connettività locale. In contrasto con quanto evidenziato dall’approccio genetico, le analisi di microchimica degli otoliti segnalano differenze statisticamente significative tra gruppi di individui all’interno del mare di Weddell, in particolare tra nordest e sudest del Mare di Weddell. Questi studi suggeriscono un ruolo chiave dell’idrografia sia su scala circumpolare che locale nel modulare la connettività delle popolazioni dell’antarctic silverfish. Inoltre, questa tesi di dottorato evidenzia come un approccio multidisciplinare possa chiarire questioni di connettività di popolazione proponendo una metodologia applicabile a diversi organismi sia antartici che non.