Effects of heavy metals on the genetic diversity of wild populations of the epigeic earhworm Lumbricus rubells

Zanieczyszczenia pochodzenia antropogenicznego mogą wywierać wielki wpływ na naturalne ekosystemy i organizmy je zamieszkujące. Jednym z takich zanieczyszczeń są metale ciężkie, które szczególnie łatwo akumulują się w tkankach. Mogą one mieć wpływ na bezpośrednio zauważalne parametry życiowe, takie jak przeżywalność czy rozrodczość, lecz również na genom organizmów, powodując wzrost lub spadek różnorodności genetycznej w naturalnych populacjach. Głównym celem pracy, było zbadanie wpływu skażenia środowiska metalami śladowymi (Cd, Zn, Pb) na różnorodność genetyczną w populacjach epigeicznej dżdżownicy Lumbricus rubellus. Organizmy użyte do badań pochodziły z trzech populacji znajdujących się na transekcie o malejącym poziomie zanieczyszczenia w pobliżu huty cynku i ołowiu ,,Bolesław” nieopodal Olkusza w południowej Polsce oraz z jednej populacji kontrolnej pochodzącej z Trzemeśni, w pobliżu Myślenic. Z każdej populacji pobrano po 31 osobników do badań molekularnych. Stężenia metali oraz właściwości fizyko-chemiczne gleby z wszystkich czterech stanowisk były wcześniej zbadane na potrzeby innych badań. Różnorodność genetyczna została oszacowana na podstawie sekwencji mitochondrialnych genu COI ( oksydazy cytochromowej) wchodzącej w skład łańcucha oddechowego. Do zbadania różnorodności genetycznej populacji i zróżnicowania genetycznego pomiędzy nimi użyto szeregu parametrów. Jednym z nich był współczynnik utrwalenia (FST), opisujący dystans genetyczny między populacjami. Stwierdzono pięć istotnych statystycznie wartości wspłczynnika FST na sześć możliwych, co pokazało duże zróżnicowanie genetyczne pomiędzy populacjami L. rubellus. Kolejnym badanym parametrem była różnorodność nukleotydowa(π), różnorodność haplotypowa (Hd), dla których przeprowadzono regresję liniową ze stężeniem kadmu w glebie. Analiza ta nie wykazała istotnej statystycznie zależności różnorodności genetycznej od stopnia zanieczyszczenia: dla różnorodności haplotypowej P = 0,678, dla różnorodności nukleotydowej P = 0.502. Test Mantela oraz rozszerzony test Mantela (ang. partial Mantel test) również nie wykazały istotnych zależności od skażenia: dla testu Mantela P = 0.206 dla rozszerzonego testu Mantela P = 0.961. Wyniki badań umożliwiły obalenie hipotezy o wpływie długotrwałego zanieczyszczenia gleby metalami (Cd, Pb, Zn) na różnorodność genetyczną naturalnych populacji L. rubellus.

Anthropogenic pollution such as heavy metals can affect environment and natural populations in many ways. Heavy metals may influence life history traits like survival and reproduction. They can also play significant role in shaping evolutionary processes, including mutation, selection, migration or genetic drift. Thus, heavy metals may change genetic diversity of natural populations exposed to their elevated concentrations. The objective of this study was to investigate the effects of heavy metals (Cd, Zn, Pb) on the genetic diversity of wild populations of the epigeic earthworm Lumbricus rubellus. Earthworms (N=31 per plot) were collected from four locations in southern Poland. Three populations were collected along a well-defined metal gradient extending from the zinc and lead smelter “Bolesław” near Olkusz city. The fourth, control population was collected from Trzemeśnia, a village located close to the small town Myślenice. Genetic diversity was estimated based on sequencing the mitochondrial DNA (mtDNA) region containing COI (cytochrome oxidase) gene. Pairwise FST values estimated for all populations were significant for five out of six cases. It showed, high genetic differentiation between populations of L.rubellus. Relationship between cadmium concentration in the soil (used as an index of metal contamination) and nucleotide and haplotype diversity were tested with linear regression method and appeared statistically non significant. (for haplotype diversity P = 0,678, for nucleotide diversity P = 0.502). Mantel test and partial Mantel test also did not provide statistically significant values (for Mantel test P = 0.206, for partial Mantel test P = 0.961). Hence, the hypothesis on the effect of metal pollution on genetic diversity in populations of L. rubellus can be rejected.