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The genetic population structure of lotic and lentic mayflies ofthe Baetis vernus group (Ephemeroptera:Baetidae)

Published online by Cambridge University Press:  09 August 2012

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Abstract

Nymphs of lotic mayflies live in environments that are expected to give riseto different degrees of population structuring. Here we investigate two taxaadapted to different lifestyles. Baetis macani Kimmins(Ephemeroptera: Baetidae) lives in flowing water; brooks that mayperiodically dry out in the summer or freeze to the bottom in winter. Baetis jaervii Savolainen is mostly found in sedge beltsalong the shores of lakes. Most insects living in flowing water show lowlevels of among-population genetic differentiation within and amongcatchments. Levels of differentiation in the lotic species are thereforeassumed to be lower than in lentic B. jaervii. Here we testthis hypothesis. Mitochondrial DNA and allele frequencies of nuclear geneswere used to detect population structure in specimens originating from anextensive area from northern Finland. The genetic differentiation amongpopulations of the lotic B. macani is more than twice thecorresponding value for the lentic B. jaervii (FST 0.33 versus 0.15, while the mean FST between species was 0.33 andsignificant). The result is congruent within the cytochrome c oxidasesubunit I gene (COI) partial gene frequencies. We argue that the significantgenetic population structure, which only was found in the lotic B. macani, is differentiated as a consequence to the unpredictableenvironment as contrasted to the stable environment in standing bodies ofwater.

Résumé

Les larves d’éphémères des eaux courantes vivent dans des environnementsqu'on croit devoir provoquer divers degrés de structuration de lapopulation. Nous examinons ici deux taxons adaptés à des styles de viedifférents. Baetis macani Kimmins (Ephemeroptera: Baetidae)vit en eau courante, dans des ruisseaux qui peuvent s'assécherpériodiquement en été ou geler jusqu'au fond en hiver. Baetis jaervii Savolainen se retrouve surtout dans les ceintures delaîches le long des rives des lacs. La plupart des insectes qui vivent eneau courante possèdent de faibles niveaux de différenciation génétique ausein des populations dans un même bassin versant et entre les bassins. Onprésume donc que les niveaux de différenciation de l'espèce d'eau courantesont plus bas que ceux de B. jaervii qui vit en eaustagnante. Nous testons cette hypothèse. L'ADN mitochondrial et lesfréquences alléliques des gènes nucléaires nous ont servi à déterminer lastructure de population chez des spécimens provenant d'une grande région dunord de la Finlande. La différenciation génétique dans les populations del'espèce lotique B. macani est plus de deux fois plusélevée que la valeur correspondante chez l'espèce lentique B. jaervii (FST 0,33 par rapport à0,15, alors que le FST moyen entre les espècesest 0,33 et significatif). Ce résultat est compatible avec les fréquencespartielles des gènes dans le cas de la sous-unité 1 du gène de la cytochromec oxydase (COI). Nous croyons que la structure génétique significative depopulation, qui se retrouve seulement chez l'espèce lotique B. macani, se développe à cause de l'environnement imprévisible,alors que l'environnement est stable dans les plans d'eau stagnante.

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Copyright © Entomological Society of Canada 2012
Figure 0

Table 1Site number (a–c = different samplings of same site), species name, species, watercourse, parish, location, habitat (B = brook, L = lake); collecting date and number of nymphs sampled; width/depth in metre for brooks (B) or area for lake (L) in ha; population substructure (Fis).

Figure 1

Fig. 1Study area and collection sites. Sites 1–13 represent the lotic Baetis macani samples and sites 14–21 the lentic Baetis jaervii samples.

Figure 2

Fig. 2Principal components analyses of allele frequencies in Baetis macani (ο: sites 1–7) and Baetisjaervii (•: sites 14–19a). Site number references as in Figure 1 and Table 1. Percentage of explained variation per axis, PC1: 46.7% and PC2: 20.9%. Global genetic differentiation between sample sites measured in Fst: 0.299.

Figure 3

Table 2Genetic differentiation of Baetis macani (sites 1–7) and Baetis jaervii (sites 14–19) populations was determined by estimating θ, a measure of the relative fixation of alternative alleles in different subpopulations (Reynolds et al. 1983).

Figure 4

Fig. 3Strict consensus cladogram of 24 equally parsimonious trees based on 627 bp of mitochondrial DNA cytochrome c oxidase subunit I gene sequences. Nucleotide changes indicated on branches, filled circles denote unique changes, open circles nonunique changes. Bremer support values are indicated above branches.