Kelp genes reveal effects of subantarctic sea ice during the Last Glacial Maximum

Abstract

The end of the Last Glacial Maximum (LGM) dramatically reshaped temperate ecosystems, with many species moving poleward as temperatures rose and ice receded. Whereas reinvading terrestrial taxa tracked melting glaciers, marine biota recolonized ocean habitats freed by retreating sea ice. The extent of sea ice in the Southern Hemisphere during the LGM has, however, yet to be fully resolved, with most palaeogeographic studies suggesting only minimal or patchy ice cover in subantarctic waters. Here, through population genetic analyses of the widespread Southern Bull Kelp (Durvillaea antarctica), we present evidence for persistent ice scour affecting subantarctic islands during the LGM. Using mitochondrial and chloroplast genetic markers (COI; rbcL) to genetically characterize some 300 kelp samples from 45 Southern Ocean localities, we reveal a remarkable pattern of recent recolonization in the subantarctic. Specifically, in contrast to the marked phylogeographic structure observed across coastal New Zealand and Chile (10-to 100-km scales), subantarctic samples show striking genetic homogeneity over vast distances (10,000-km scales), with a single widespread haplotype observed for each marker. From these results, we suggest that sea ice expanded further and ice scour during the LGM impacted shallow-water subantarctic marine ecosystems more extensively than previously suggested.Durvillaea antarctica ͉ genetic ͉ phylogeography ͉ raft

Patrones de diversidad y estructura genética en especies antárticas y subantárticas de Nacella (Nacellidae)

“…El advenimiento de nuevas aproximaciones metodológicas en biología molecular y genética de poblaciones ha revolucionado los estudios en biogeografía, particularmente en la biota del Océano Austral Griffiths et al 2009;Fraser et al 2009;González-Wevar et al 2010Downey et al 2012;Pierrat et al 2013;Poulin et al 2014). El uso de distintas fuentes de información provenientes de la paleontología, paleoclimatología y de la paleogeografía, junto a aquellos obtenidos de secuencias de DNA hace posible la interpretación de los patrones actuales de distribución en un marco biogeográfico más preciso (Pearse et al 2009).…”

“…Una explicación alternativa para estos resultados implican que la colonización de Isla Marión por Nacella, más que estar relacionada a una mayor o menor permeabilidad de la CCA, se relacionaría a cambios latitudinales en la posición del Frente Polar durante los procesos glaciales del Cuaternario. Los límites de la CCA son dinámicos en el tiempo y en el espacio y su posición latitudinal ha variado durante el Cuaternario Fraser et al 2009). Estudios paleontológicos basados en depósitos de diatomeas en el Atlántico registran movimientos del Frente Polar hacía el Norte de hasta 6º de latitud.…”

“…Por un lado, la CCA actúa como una gran barrera para la mayoría de los invertebrados marinos entre provincias antárticas y subantárticas (Shaw et al 2004;Page & Linse, 2002;Griffiths et al 2009;González-Wevar et al 2012a;Poulin et al 2014). Por otro lado, a lo largo de Subantártica la CCA actúa como un importante medio de transporte entre provincias geográficamente distantes, especialmente para organismos con alta capacidad dispersiva (Gérard et al 2008;Waters, 2008;Fraser et al 2009;Díaz et al 2011) y para aquellos que viven asociados a macroalgas (Nikula et al 2010;Fraser et al 2011;Cumming et al 2014). El segundo periodo durante el Mioceno medio (~ 14 Ma) se asocia a un incremento en la formación de aguas de profundidad en el OA, la intensificación de CCA y al re-establecimiento de una capa de hielo permanente en Antártica Este y en el margen Pacífico de Península Antártica (Lawver & Gahagan, 2003;Verducci et al 2009).…”

No sex-related dispersal limitation in a dioecious, oceanic long-distance traveller: the bull kelp Durvillaea antarctica

“…Molecular studies have confirmed that long-distance dispersal of this large kelp has occurred in the subantarctic region over distances of thousands of kilometres (Fraser et al 2009(Fraser et al , 2010b. However, for a distinct clade from the continental coast of Chile, there are extensive regions (200-300 km coastline) with unique haplotypes, and there appears to be very limited exchange between these regions (Fraser et al 2010b).…”

Post-glacial redistribution and shifts in productivity of giant kelp forests

“…Effects of the glacial -interglacial transition on genetic and community structure of these ecosystems have been cross-validated using fossil-pollen records (see examples in Davis & Shaw 2001). Owing to the lack of palaeo-records of the distribution, abundance and productivity of kelps and other marine algae (Graham et al 2003), such an historical perspective is conspicuously absent for temperate benthic marine systems (but see Fraser et al 2009 for a recent genetic study of ice age biogeography of a sub-Antarctic kelp).…”