Phylogeny and population genetics of the fish performing the largest migratin known in freshwater, the Amazonian catfish "Brachyplatystomarousseauxii" : revelations from the upper Madera Basin

par Fernando Marcelo Carvajal

Thèse de doctorat en Evolution, Ecologie, Ressources Génétiques, Paléontologie

Sous la direction de Jean-François Renno.

  • Titre traduit

    Phylogénie et génétique des populations du poisson réalisant les plus grandes migrations connues en eaux douces, le poisson chat amazonien "Brachyplatystoma rousseauxii" : révélation pour le bassin supérieur du Madera


  • Résumé

    Le plateado ou dorado - Brachyplatystoma rousseauxii (Pimelodidae, Siluriformes) est un grand poisson-chat Amazonien d’intérêt commercial, qui présente un des cycles de vie les plus surprenants et énigmatiques, avec la plus grande migration connue en eaux douces, entre l’estuaire de l'Amazone et les têtes de fleuves en Amazonie occidentale. Le but de ce travail était de déterminer, au niveau moléculaire, la position phylogénétique du plateado dans la famille Pimelodidae ainsi que sa structure génétique dans le Haut Madera (Villa Bella–VB, Cachuella Esperanza–CE, Puerto Maldonado–PM, Rurrenabaque–RU, Puerto Villarroel–PV) et ouest de l'Amazonie (Iquitos–IQ) bassins (Bolivie et Pérou). Les relations phylogénétiques ont été définies par une analyse du maximum de vraisemblance (ML) des séquences nucléotidiques de deux gènes mitochondriaux (Région de Contrôle–RC, ~ 900 pb, 32 taxons; Cytochrome Oxydase 1-CO1, ~ 650 pb, 61 taxons), et d’un gène nucléaire (F-reticulon4–RTN4, ~ 1700 pb, 38 taxons). La structure génétique des populations a été évaluée par le polymorphisme de longueur de neuf microsatellites (284 inds) et par les variations de séquence de la RC (461 inds + 45 en provenance du Brésil, disponibles dans GenBank). Les variations de fréquences des microsatellites ont été utilisées pour identifier les unités panmictiques (clusters) les plus probables dans l'ensemble des données, à travers une approche bayésienne (BAPS), après avoir démontré une déviation significative à l'équilibre de Hardy-Weinberg (HWE) quand l’ensemble des données étaient analysé comme faisant partie d’une seule unité.L’analyse phylogénétique concaténée (ML) a montré que la famille Pimelodidae était un groupe monophylétique. Les résultats les plus notables de la phylogénie sont la monophylie peu soutenue (77%) de la tribu Brachyplatystomatini et la non-monophylie des Brachyplatystoma. Seul le sous-genre Malacobagrus (B. rousseauxii + (B. filamentosum + B. capapretum)), défini morphologiquement, s’est avéré monophylétique. Ces résultats suggèrent que le genre Brachyplatystoma pourrait contenir Platynematichthys ou pourrait être limité au sous-genre Malacobagrus.L'analyse des microsatellites sur l'ensemble des échantillons (ouest Amazone + haut Madera) a montré un écart significatif á la panmixia, ainsi que sur l'ensemble des échantillons du haut Madera. A la lumière de ces résultats, l’approche bayésienne a été développée, montrant qu'au moins trois clusters (1, 2, 3) sont présents dans les bassins du haut Madera et de l'ouest de l'Amazone, avec des répartitions qui se chevauchent partiellement. En parallèle á l'identification des clusters, il a été mis en évidence une différence significative au sein de B. rousseauxii entre l’ouest de l'Amazonie et le haut Madera bassin.L'analyse généalogique (ML) des séquences de la RC a montré une topologie en peigne, sans groupe d'haplotypes montrant une histoire commune. En revanche, l'analyse des fréquences haplotypiques a révélé l’existence de 4 haplogroupes, liés à la géographie. Un haplogroupe a été identifié le long de l'axe principal de l’Amazonas-Solimões (Belem-Brésil et Iquitos-Pérou) et 3 autres dans le haut Madera (VB; CE+MD; RU+PV), organisés selon une tendance aval - amont. Ainsi, nous observons d’un coté 3 populations (clusters) avec une distribution géographique partiellement chevauchante, et de l’autre quatre haplogroupes positionnés selon une logique géographique. Le scenario le plus probable implique un comportement de homing des individus du cluster 1 (homing à l’échelle des grands sous-bassins), qui préfèrent ou tendent à retourner dans le sous-bassin du Madera. Les 3 populations coexisteraient alors dans le haut Madera en se reproduisant à des périodes (phénologie) ou à des endroits différents (ségrégation spatiale). Enfin, les résultats sont discutés à la lumière des résultats précédemment publiés dans le bassin de l'Amazone et des menaces qui pèsent sur l'espèce dans le bassin du Madera.


  • Résumé

    The Plateado or Dorado - Brachyplatystoma rousseauxii (Pimelodidae, Siluriformes) is a commercial migratory catfish species with one of the most surprising and enigmatic life histories in the Amazon basin, involving the largest migration known for a freshwater species, between the estuary and the head waters in the Andean piedmont. The aim of the present work was to determine the molecular phylogenetic position of the Plateado in the Pimelodidae family and its population genetic structure in the Upper Madera (Villa Bella – VB, Cachuella Esperanza – CE, Puerto Maldonado – PM, Rurrenabaque – RU, Puerto Villarroel - PV) and Western Amazon (Iquitos - IQ) basins (Bolivia and Peru). The phylogenetic relationships were defined through a Maximum Likelihood (ML) analysis of nucleotide sequences of two mitochondrial (Control Region – CR, ~ 900 pb, 32 taxa; Cytochrome Oxidase 1 – CO1, ~ 650 bp, 61 taxa), and a nuclear fragment (F-reticulon4 - RTN4, ~1700 bp, 38 taxa). The population genetic structure was evaluated through the length polymorphism of nine microsatellites (284 inds) and CR sequence variations (461 inds + 45 from Brazil available in GenBank). Microsatellites frequencies variations were used to identify through a Bayesian approach (BAPS) the most probable panmictic units (clusters) in the whole data, after previous demonstration of a deviation to Hardy-Weinberg Equilibrium (HWE). The ML phylogenetic concatenated analysis showed the Pimelodidae family as a monophyletic group, with the genera Phractocephalus and Leiarius as basal lineages. The most notable results in the phylogeny were the not well-supported monophyly (77%) of the tribe Brachyplatystomatini and the non-monophyly of Brachyplatystoma. Only the morfologically defined subgenus Malacobagrus (B. rousseauxii + (B. filamentosum + B. capapretum)) was recovered as monophyletic. These results suggest that Brachyplatystoma could contain Platynematichthys or be restricted to the subgenus Malacobagrus, and the other species be related to distinct (earliest) genera, in agreement with another study carried out in parallel with other markers.Microsatellite analysis of the whole data (Western Amazon + Upper Madera) showed a significant departure of the HWE expectations, as well as the analysis of the whole data from the Upper Madera region. In the light of these results, the Bayesian approach has been implemented, showing that at least three clusters (1, 2, 3) are present in the Upper Madera and Western Amazon basins with partial overlapping distribution.To the margin of the cluster identification, it was evident the significant difference between Western Amazon (Iquitos region) and the Upper Madera basin.The genealogical analysis (ML) of the CR sequences showed a generalized comb-like topology without group of haplotypes with common ancestry. On the other hand, CR frequency analysis showed the conformation of four haplogroups associated to geography. One haplogroup was identified along the main axis of the Amazonas-Solimões, from Belem (Brazil) to Iquitos (Peru), and three other haplogroups were observed in the Upper Madera basin (VB; CE+PM; RU+PV), positioned in a downstream - upstream pattern.Hence, we observed on the one hand three genetic populations (clusters), distributed in partially overlapping geographical areas, and on the other hand four haplogroups, positioned according to a geographical pattern. The most probable scenario involves a homing behavior of individuals from cluster 1 (homing at the scale of large watersheds), which prefer or tend to return to the Madera basin, with the three populations coexisting within the upper Madera because they reproduce at different moments (phenology) or different places (spatial segregation). Finally, the results are discussed in the light of previous results in the Amazon basin and the threats to the species in the Madera basin (p.e. fragmentation by dams, overfishing, climate variability, among other).


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