Genetics studies of cichlid Oreochromis shiranus towards sustainable aquaculture and fisheries management in Malawi
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Oreochromis shiranus is an economically important fish species in Malawi, but levels of harvest
from the wild have declined due to overexploitation and habitat degradation. There is an urgent
need to devise strategies for sustainable utilization of this species. The aim of this study was to
understand the reproductive behaviour, geographic distribution, genetic diversity,
population structure, past demographic fluctuations and association of quantitative trait
loci (QTL) with traits of economic importance which are prerequisites for the design and
implementation of these strategies. A random sample of 306 live fish, collected across the main
water bodies in Malawi, were reared in one pond to reproduce an F1 generation in random
families. This study observed that mate selection and competition among the females for males
and mating sites resulted in only a few females (42%) and males (27%) contributing to the F1
generation. However, there was no statistically significant variation in genetic diversity
between the broodstock and the F1 generation, because of the large genetic base and participation
of broodstock from all the sampled locations. The study concluded that due to limited gene flow,
O. shiranus populations in the wild in Malawi were structured according to and within water
basins. There was evidence of population bottlenecks in the wild, which corresponded to
small effective population sizes (Ne = 104). The population bottlenecks did not result in low
genetic diversity and inbreeding depression due to isolate breaking. Finally, the association of
some QTLs for body weight in Oreochromis spp. suggest considerable evolutionary conservation and
synteny within the genus. The observed levels of genetic diversity and Ne across the main water
bodies in Malawi are adequate to increase Ne and mitigate against future bottlenecks if closed
fishing seasons and fishing net mesh size are enforced. Restocking programmes may not be necessary
at the moment unless in the event of complete desiccation. During restocking, it is
therefore recommended that, to ensure genetic diversity, broodstock for stock enhancement
should be randomly sampled from the different populations within the water body. In aquaculture,
where interest is to increase production of large fish, these findings will greatly inform
management and breeding programmes to ensure genetic diversity and increase selection efficiency by
using QTLs. Although it was not possible to determine the ideal number of individuals that should
be included as founder population for selective breeding programmes, this study recommends that a
wide genetic base is required to ensure genetic diversity. The results of this study are useful in
conservation management
of the species in the wild and the establishment of genetic improvement programs in aquaculture.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Oreochromis shiranus is 'n ekonomies belangrike visspesie in Malawi, maar die oesvlakke in die natuur het afgeneem as gevolg van oorbenutting en agteruitgang van die habitat. Dit is dringend nodig om strategieë vir die volhoubare benutting van hierdie spesie te ontwerp. Die doel van hierdie studie was om die voortplantingsgedrag, geografiese verspreiding, genetiese diversiteit, populasiestruktuur, historiese demografiese skommelinge en assosiasie van kwantitatiewe eienskap loci (KEL) met eienskappe van ekonomiese belang te verstaan, wat voorvereistes is vir die ontwerp en implementering van hierdie strategieë. 'n Ewekansige monster van 306 lewende visse wat oor die belangrikste waterliggame in Malawi versamel is, is in een dam grootgemaak om ‘n F1-generasie in ewekansige families weer te gee. In hierdie studie is opgemerk dat maatkeuse en kompetisie tussen vroulike diere vir mannetjies en paringsgebiede tot gevolg gehad het dat slegs enkele wyfies (42%) en mannetjies (27%) tot die F1-generasie bygedra het. Daar was egter geen statisties beduidende variasie in genetiese diversiteit tussen die broeidiere en die F1-generasie nie, as gevolg van die groot genetiese basis en deelname van die broeidiere van die al versamelde lokatiteite. Die studie het tot die gevolgtrekking gekom dat O. shiranus bevolkings in die natuur in Malawi as gevolg van beperkte geenvloei volgens en binne waterliggame gestruktureer is. Daar was bewyse van populasie bottelnekke in die natuur, wat ooreenstem met klein effektiewe populasiegroottes (Ne = 104). Die populasie bottelnekke het nie gelei tot lae genetiese diversiteit en inteling verval as gevolg van isolasiebreuk nie. Laastens, die assosiasie van sommige KEL's vir liggaamsgewig in Oreochromis spp. dui op aansienlike evolusionêre bewaring en sintenie binne die genus. Die waargenome vlakke van genetiese diversiteit en Ne in die belangrikste waterliggame in Malawi is voldoende om Ne te verhoog en die populasies te beskerm teen toekomstige bottelnekke as geslote visvangseisoene en die visnet groottes toegepas word. Aanvullings programme is op die oomblik miskien nie nodig nie, tensy in die geval van volledige uitdroging. Tydens die aanvulling word dus aanbeveel dat om genetiese diversiteit te verseker, broeidiere vir broeidier verbetering lukraak uit die verskillende populasies in die waterliggaam geneem moet word. In akwakultuur, waar belangstelling is om die produksie van groot visse te verhoog, sal hierdie bevindings die bestuur- en teelprogramme baie inlig om genetiese diversiteit te verseker en seleksiedoeltreffendheid te verhoog deur gebruik te maak van KEL's. Alhoewel dit nie moontlik was om die ideale aantal individue te bepaal wat opgeneem moet word as stigterpopulasie vir selektiewe teelprogramme nie, beveel hierdie studie aan dat 'n wye genetiese basis benodig word om genetiese diversiteit te verseker. Die resultate van hierdie studie is nuttig vir die bewaring van die spesies in die natuur en vir die opstel van genetiese verbeteringsprogramme in akwakultuur.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Oreochromis shiranus is 'n ekonomies belangrike visspesie in Malawi, maar die oesvlakke in die natuur het afgeneem as gevolg van oorbenutting en agteruitgang van die habitat. Dit is dringend nodig om strategieë vir die volhoubare benutting van hierdie spesie te ontwerp. Die doel van hierdie studie was om die voortplantingsgedrag, geografiese verspreiding, genetiese diversiteit, populasiestruktuur, historiese demografiese skommelinge en assosiasie van kwantitatiewe eienskap loci (KEL) met eienskappe van ekonomiese belang te verstaan, wat voorvereistes is vir die ontwerp en implementering van hierdie strategieë. 'n Ewekansige monster van 306 lewende visse wat oor die belangrikste waterliggame in Malawi versamel is, is in een dam grootgemaak om ‘n F1-generasie in ewekansige families weer te gee. In hierdie studie is opgemerk dat maatkeuse en kompetisie tussen vroulike diere vir mannetjies en paringsgebiede tot gevolg gehad het dat slegs enkele wyfies (42%) en mannetjies (27%) tot die F1-generasie bygedra het. Daar was egter geen statisties beduidende variasie in genetiese diversiteit tussen die broeidiere en die F1-generasie nie, as gevolg van die groot genetiese basis en deelname van die broeidiere van die al versamelde lokatiteite. Die studie het tot die gevolgtrekking gekom dat O. shiranus bevolkings in die natuur in Malawi as gevolg van beperkte geenvloei volgens en binne waterliggame gestruktureer is. Daar was bewyse van populasie bottelnekke in die natuur, wat ooreenstem met klein effektiewe populasiegroottes (Ne = 104). Die populasie bottelnekke het nie gelei tot lae genetiese diversiteit en inteling verval as gevolg van isolasiebreuk nie. Laastens, die assosiasie van sommige KEL's vir liggaamsgewig in Oreochromis spp. dui op aansienlike evolusionêre bewaring en sintenie binne die genus. Die waargenome vlakke van genetiese diversiteit en Ne in die belangrikste waterliggame in Malawi is voldoende om Ne te verhoog en die populasies te beskerm teen toekomstige bottelnekke as geslote visvangseisoene en die visnet groottes toegepas word. Aanvullings programme is op die oomblik miskien nie nodig nie, tensy in die geval van volledige uitdroging. Tydens die aanvulling word dus aanbeveel dat om genetiese diversiteit te verseker, broeidiere vir broeidier verbetering lukraak uit die verskillende populasies in die waterliggaam geneem moet word. In akwakultuur, waar belangstelling is om die produksie van groot visse te verhoog, sal hierdie bevindings die bestuur- en teelprogramme baie inlig om genetiese diversiteit te verseker en seleksiedoeltreffendheid te verhoog deur gebruik te maak van KEL's. Alhoewel dit nie moontlik was om die ideale aantal individue te bepaal wat opgeneem moet word as stigterpopulasie vir selektiewe teelprogramme nie, beveel hierdie studie aan dat 'n wye genetiese basis benodig word om genetiese diversiteit te verseker. Die resultate van hierdie studie is nuttig vir die bewaring van die spesies in die natuur en vir die opstel van genetiese verbeteringsprogramme in akwakultuur.
Description
Thesis (PhDAgric)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Population genetics, Cichlids Oreochromis shiranus -- Africa -- Malawi, Aquatic biodiversity conservation -- Africa -- Malawi, Cichlids -- Genetic aspects, Brood stock assessment, UCTD