Estimating connectivity in coral reef fish populations: a tool for understanding stability and resilience of marine ecosystems

Saenz-Agudelo, Pablo (2011) Estimating connectivity in coral reef fish populations: a tool for understanding stability and resilience of marine ecosystems. PhD thesis, James Cook University.

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Abstract

The extent of larval dispersal holds a crucial role for both the dynamics and evolution of spatially structured marine populations, determines the scale at which species interact with their environment, respond to perturbations and evolve. Designing effective conservation strategies such as marine reserve networks will depend to some extent in our comprehension of how marine populations are interconnected. However, measuring exchange among populations given the small size of larvae of most marine species and the high dispersal potential in the ocean matrix, remains challenging because of the difficulty of tracking individual larvae in the ocean. As a consequence, there is still little knowledge about the patterns of demographic connectivity in marine environments and the main factors that influence the shape of dispersal. The aim of this dissertation is to provide new leads on the scale of marine larval dispersal in a coastal environment and the role of the parental environment as driver of the variation in magnitude of local population replenishment. A metapopulation consisting of discrete adjacent subpopulations of the anemonefish Amphiprion polymnus along 30 km of coastline in Bootless Bay (Papua New Guinea) was used as a model system. Highly variable microsatellite loci as genetic markers and parentage analysis were used to trace back the parental origins of juvenile fish. This method allowed for the estimation of self recruitment and population connectivity within the metapopulation. This dissertation starts by exploring some methodological issues related to the use of parentage analysis in natural populations and estimates the minimal sampling effort required (in terms of number of genetic markers) to attain high parentage assignment accuracy (~94%) in this specific metapopulation. Second, larval retention within and exchange among the subpopulations previously mentioned were quantified over two consecutive years. The results of this chapter suggest that in this coastal metapopulation, self recruitment at small spatial scale (individual reefs) is low (~8% in average), highly variable among sites, but rather constant between years. At the metapopulation level, connectivity and not self recruitment seems to be the dominant pattern. Third, by using individual multi-locus profiles as natural tags, parentage analysis and field observations, it is shown for the first time in a natural marine population, that larger females in the local population contribute more than twice to local replenishment than smaller females. In addition, results from this chapter revealed that habitat degradation can have negative consequences on the reproductive output for this species. Finally, I used empirical data from previous chapters to estimate population's demographic rates (survival, fecundity and size-category transition frequency) and integrated this in a simple matrix model. In this way I was able to show that metapopulation self persistence is only achieved in this system when considering at least 50 km of coastline. In general, the results of this work reinforce the notion that in scenarios where spacing between suitable habitat patches is small, populations operate as open systems even at relatively large spatial scales. Comparison with previous studies suggests that dispersal of coral reef larvae might be more influenced by geographic settings than species specific life history traits. Finally, in a conservation perspective, these results indicate that protecting large healthy females will be crucial to population replenishment, argue for the implementation of management strategies that will restore and protect size/age structure of marine populations and highlight that, in relatively continuous habitats, a small Marine Protected Area (MPA) could not be considered as self-sustaining if populations outside the MPA are depleted.

Item ID: 18077
Item Type: Thesis (PhD)
Keywords: connectivity, population dynamics, metapopulations, coral reef fishes, population replenishment, genetic markers, coral reef fish larvae, anemonefish, anemonefish larvae, fish larvae, clownfish
Additional Information:

[French Abstract] L'étendue de la dispersion larvaire tient un rôle crucial dans la dynamique et l'évolution de la structure spatiale des populations marines. Elle détermine l'échelle à laquelle les espèces interagissent avec leur environnement, répondent aux perturbations et évoluent. La conception des stratégies de conservation efficaces telles que les réseaux de réserves marines dépend, dans une certaine mesure, de notre compréhension de la manière dont les populations marines sont reliées entre elles. Toutefois, étant donné la petite taille des larves de la plupart des espèces marines et de leur grande capacité de dispersion dans l'océan, mesurer l'échange entre différentes populations reste laborieux en raison de la difficulté à suivre les larves dans l'océan. En conséquence, le niveau de connaissances actuelles sur l’échelle de la connectivité démographique dans les environnements marins reste réduit, et l’identité des principaux facteurs responsables de la variabilité de la dispersion larvaire reste méconnue. L'objectif de cette thèse est de fournir de nouvelles informations de l'échelle de la dispersion larvaire dans un milieu côtier, et d’évaluer le rôle de l'environnement parental en tant que facteur de variation de recrutement de larves au niveau local. Le modèle d’étude choisi est une métapopulation côtière du poisson clown Amphiprion polymnus qui s’étend sur environ 30 km du littoral en Papouasie Nouvelle Guinée. Des analyses de parenté ont été utilisées pour retrouver les lieux de naissance des juvéniles de cette espèce, à l’aide des marqueurs génétiques hypervariables de type microsatellite. Cette méthode a permis ensuite d’estimer les taux d’autorecrutement et de connectivité entre sous-populations au sein de la métapopulation. Le première chapitre de ce travail a étudié certains problèmes méthodologiques liés à l’utilisation des analyses de parenté dans des populations naturelles, et a estimé l'effort d'échantillonnage minimal nécessaire (en termes de nombre de marqueurs génétiques) dans cette métapopulation en particulier, afin d’atteindre une précision des assignations parent-fils élevée (~ 94%). Dans un deuxième chapitre, l’autorecrutement et la connectivité entre souspopulations mentionnées précédemment ont été quantifiés sur deux années consécutives. Les résultats de ce chapitre indiquent que dans cette métapopulation côtière, l’autorecrutement à l’intérieur des sous-populations, est faible (~ 8% en moyenne) mais peut être très variable entre elles. Cependant, ces proportions semblent plutôt constantes dans le temps. Au niveau de la métapopulation, et à différence des études précédentes, la connectivité semble être le modèle dominant et non l’autorecrutement. Le troisième chapitre à permis de montrer pour la première fois dans une population marine, que les femelles plus grandes à l’intérieur de la metapopulation contribuent plus de deux fois au repeuplement local que les petites femelles. De même, cette approche à permit de montrer que la dégradation de l'habitat peut avoir des conséquences négatives sur la reproduction de cette espèce. Enfin, dans le dernier chapitre, des données empiriques, obtenus au cours des chapitres précédents, ont été utilisées pour estimer des paramètres démographiques de la population (survie, fécondité et fréquence de transition entre les différentes catégories de taille). En suite, ces paramètres ont été integers dans un modèle matriciel simple. Dans la suite, l’échelle spatiale à laquelle cette metapopulation devient équilibrée a été estimée à un minimum de 50 km de ligne de côte. De manière générale, les résultats de ce travail ont permis de renforcer la notion que dans des contextes géographiques où l’espacement entre populations est réduit, celles-ci fonctionnent comme des systèmes dynamiques ouverts, même à une échelle spatiale plutôt élevée. De même, la comparaison de ces résultats avec des études antérieures suggère que la dispersion larvaire chez les poissons de récifs coralliens pourrait être plus influencée par le context géographique que par la spécificité de certains traits d'histoire de vie. Enfin, dans une perspective de conservation, les résultats de cette thèse indiquent que protéger les femelles de grande taille est crucial pour le repeuplement des populations marines et sont un argument en faveur d’une mise en oeuvre de stratégies de gestion qui permettront de restaurer et de protéger la structure de taille/âge des populations marines. Cette approche a également mis en évidence que dans un habitat relativement continu, une AMP de petite taille ne pourrait pas être considéré comme autonome si les populations à l'extérieur de l’aire protégé sont épuisées.

Publications arising from this thesis are available from the Related URLs field. The publications are: Chapter 2: Saenz-Agudelo, P., G. P. Jones, S. R. Thorrold, and S. Planes. 2009. Estimating connectivity in marine populations: an empirical evaluation of assignment tests and parentage analysis under different gene flow scenarios. Molecular Ecology 18:1765-1776.

Related URLs:
Date Deposited: 28 Nov 2011 23:15
FoR Codes: 06 BIOLOGICAL SCIENCES > 0602 Ecology > 060205 Marine and Estuarine Ecology (incl Marine Ichthyology) @ 34%
06 BIOLOGICAL SCIENCES > 0602 Ecology > 060207 Population Ecology @ 33%
06 BIOLOGICAL SCIENCES > 0604 Genetics > 060411 Population, Ecological and Evolutionary Genetics @ 33%
SEO Codes: 97 EXPANDING KNOWLEDGE > 970106 Expanding Knowledge in the Biological Sciences @ 100%
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