Population parameters and genetic structure of the harbour porpoise (Phocoena Phocoena, L. 1758) in the Northwest the Iberian Peninsula

Abstract

The main aim of this thesis was to provide information about harbour porpoises (Phocoena phocoena) in the North Western Iberian peninsula (NWIP), as they are designated as ”vulnerable” in Spain (Catálogo Nacional de Especies Amenazadas, Law 4/1989, 2000; Livro vermelho dos vertebrados de Portugal) and are included in Annex-II of the EU Habitats Directive, thus requiring the designation of Special Area of Conservation (SAC) by EU Member States in areas of critical habitat. The study of their populations is a priority issue and both IWC (International Whaling Commission) and ICES (International Council for the Exploration of the Sea) recommended studies to determine the population structure and develop appropriate management in order to reduce negative impacts on the populations. Also, the distribution, abundance and population dynamics of cetaceans are considered in some EU members as indicators of Good Environmental State (GES) of the EU’s marine waters under the Marine Strategy Framework Directive (MSFD). As conservation requires an understanding of the species´ distribution and population structure, the population structure of the harbour porpoise in the North East Atlantic and Black Sea was examined using ten DNA microsatellite markers and sequence variation from the mitochondrial control region. A Structure-based analysis of microsatellite structure identified three main genetic groups: the Iberian Peninsula, the rest of Northeast Atlantic, and the Black Sea. A median joining network of mtDNA sequences highlights the isolation of the Aegean-Marmara Sea and Black Sea populations. Neither microsatellite nor mitochondrial DNA markers detected genetic differentiation between Galicia and Portugal, nor any significant pattern of population genetic structure along the Iberian coast. However there were differences between Iberia and the rest of the populations studied. Values of genetic diversity for both markers were lower in the Iberian Peninsula than in all the other populations except those in Aegean, Marmara and Black Seas. Levels of divergence clearly cannot be explained by isolation by distance but instead are likely to be associated with population separation based upon oceanographic conditions due to the presence of upwelling conditions in West Iberia and North West Africa providing suitable conditions for porpoises. Overall the genetic data suggest that the Iberian Peninsula and West Africa should be considered as a separate population. Secondly, habitat modelling was used as it represents a potentially powerful tool for describing and predicting cetacean distributions and understanding the ecological processes determining these distributions. Two data collection methods were used by the NGO CEMMA (Coordinadora para o Estudo dos Mamíferos MAriños): 1. Targeted boat surveys were carried out in Galician coastal waters during the years 2003-2010. 2. Data from systematic monthly surveys from a series of evenly spaced observation points along the Galician coast were collected from 2003 to 2011. Results from boat surveys showed that: i) higher sea state negatively influenced the detection of porpoises, ii) field-of-view width had a positive effect; and, iii) the best boat speed for monitoring harbour porpoises is around 6 knots. There was interannual variation with a significant increase in the number of sightings in 2005 and no detections in 2006. In contrast, no significant differences in porpoise presence were seen between months or in relation to depth. Several environmental variables were found to be important to explain the presence of porpoises: i) they were mostly seen in waters with medium temperatures; ii) as chlorophyll concentration and the depth of the eutrophic zone increase there was an increase in the probability of porpoise presence; iii) finally, there were positive relationships between number of sightings and both steeper seabed slope and its facing to the South. The analysis of coastal observations showed that five variables had some influence on the observers in relation to the detection of porpoises. i) the duration of the observation; and, ii) the field of view had positive relationships with sightings; iii) there was a linear decrease in sightings as the Beaufort value increases; iv) porpoises were most frequently seen when Douglas values were in the range 2 to 3, and v) the presence of bottlenose dolphins (Turisops truncatus) had a negative effect on porpoise presence. There was a temporal trend during the study period, with an increase in the number of sightings over the years. Also, there was an increase in the number of sightings later in the day, and the number of sightings increased northwards with more detections in Lugo and A Coruña (Northern stations). Environmental variables also appear to affect porpoise distribution: more porpoises were detected in waters where the depth of the eutrophic zone (ZEU) was higher, depth was more variable, seabed slope was greater and the continental shelf was narrower. Finally, stranding data from 1990 to 2013 from Galicia recorded by CEMMA and from 2000 to 2013 from Portugal recorded by Sociedade Portuguesa de Vida Selvagem (SPVS) were analysed. A total of 424 strandings of harbour porpoises were recorded in the whole area. The results showed that porpoise strandings occur throughout the year, with differences between years. The highest numbers of porpoises stranded were recorded in Galicia in 1998, and in Portugal in 2011. Also differences between months were found. In Galicia porpoise strandings were more common in winter with a peak in March and in April; and in Portugal a peak in May was detected. When analysing data from both areas together, the number of strandings is higher in winter than in summer. There was an increase in the number of porpoises stranded from North to South with two regions having the most strandings: sub-areas 5 and 9. Overall, sex ratio in strandings was close to 1:1, although the number of females was slightly lower in Portugal. The total body length ranged from 81 to 202 cm with a mean length of 146.66 cm, the Portuguese porpoises being larger than Galician, and females larger than males. Overall, 33.4% of the stranded porpoises had signs of by-catch with a higher proportion in the Portuguese coast (56.0%) than in the Galician coast (26.2%), which could be due to the difference of the gears used in each area by fishermen. Results provide evidence of an absence of genetic structure in the harbour porpoise population along the WIP and a clear isolation of this population from the populations of the North East Atlantic and Black Sea, with an important influence of the predominant oceanographic features such as currents and upwelling. These results support the recommended definition of Iberian Peninsula as a separated management unit for harbour porpoise for the MSFD and also the definition of a third subspecies, Phocoena phocoena meridionalis. Both sightings and strandings showed that porpoises are present in the area all year around with variations in the number of sightings between years, months and subareas, which leads us to think that they may move between areas. Thus, i) protected areas cannot be seasonal, because the species is present throughout the year, ii) Galicia is one of the key areas in the Iberian peninsula, with four localities with particularly high occurrence of porpoises: Punta Candieira, Vilán and Touriñán Cape, Punta Remedios (Lira) and Faro de Corrubedo, iii) the main areas used by harbour porpoises and bottlenose dolphins are different. Moreover, while a part of the bottlenose dolphin population was described as a resident population, the porpoise population does not seem to behave in the same way; therefore the same SAC is not going to be useful for both species, unless it is big enough to cover those different areas. It is well known that by-catch is one of the principal threats for small cetaceans, especially harbour porpoises, and it is of concern in an area of high fishing effort such as WIP. A higher proportion of by-caught porpoises was found on the Portuguese coast than on the Galician coasts, maybe due to the difference in the fishery arts used in each area. In any case, in both areas (Galicia and Portugal) bycatch mortality is unsustainable as the limit of mortality of 1.7 % of the best population estimate according to ASCOBANS (1997). However by-catch is not the only threat for this species, and is essential to carry out further studies to enrich the knowledge about Iberian harbour porpoises and to support its conservation.

O principal objectivo desta tese consistiu em fornecer informação sobre boto (Phocoena phocoena) no Nordeste da Península Ibérica (NOPI), uma vez que esta espécie é designada como “Vulnerável” em Espanha e Portugal (Catálogo Nacional de Especies Amenazadas, Lei 4/1989, 2000; Livro vermelho dos vertebrados de Portugal) e está incluida no Anexo II da Directiva Habitats, requerendo assim a designação de Áreas Especiais de Conservação (AEC) pelos estados membros da UE. O estudo das populações desta espécie é uma prioridade e tanto a IWC (International Whaling Commission) como a ICES (International Council for the Exploration of the Sea) recomendam a realização de estudos para determinar a sua estrutura populacional e desenvolver estratégias de gestão adequadas, de forma a reduzir os impactos negativos nas populações. Adicionalmente, o estudo da distribuição, abundância e dinâmica populacional de cetáceos são considerados em alguns membros da EU indicadores do “Bom Estado Ambiental” das águas marinhas europeias, segundo a Directiva Quadro Estratégia Marinha (DQEM). Como a conservação requer o conhecimento da distribuição e estrutura populacional das espécies, neste estudo a estrutura populacional do boto no nordeste Atlântico e Mar Negro foi examinada utilizando dez microsatélites e a variação da região controlo do ADN mitocondrial (mtADN). A análise de microsatélites detectou três grupos genéticos principais: a Península Ibérica, o restante nordeste Atlântico e o Mar Negro. Uma rede de haplótipos mitocondriais evidenciou o isolamento das populações do Mar Egeu-Mármara e do Mar Negro. A análise de microsatélites e de mtADN não detectou diferenças genéticas entre a Galiza e Portugal, nem qualquer padrão de estrutura genética populacional ao longo da costa Ibérica. No entanto, ocorreram diferenças entre a Península Ibérica e as restantes populações analisadas. Ambos os marcadores mostraram níveis de diversidade genética mais baixos na Península Ibérica comparativamente com outras populações, excepto as populações dos mares Egeu, Mármara e Negro. Os níveis de divergência detectados não aparentam dever-se a isolamento por distância, mas antes a segregação populacional devido a condições oceanográficas, já que os afloramentos costeiros presentes no oeste Ibérico e no nordeste Africano apresentam condições adequadas para a ocorrência de boto. Assim, os dados genéticos sugerem que os animais da Península Ibérica e do oeste Africano deverão ser considerados como uma população separada. De seguida, foram aplicadas técnicas de modelação de habitat para estudar a distribuição de boto, uma vez que representam uma ferramenta poderosa para descrever e prever a distribuição de cetáceos e compreender os processos ecológicos que influenciam essas distribuições. Foram utilizados dois métodos para a recolha de dados de distribuição de cetáceos, pela ONG CEMMA (Coordinadora para o Estudo dos Mamíferos Mariños): 1. monitorizações dedicadas de barco, realizadas em águas costeiras Galegas, de 2003-2010; 2. monitorizações mensais em pontos costeiros localizados ao longo da costa Galega, de 2003 a 2011. Os resultados das monitorizações de barco mostraram que: i) estados do mar superiores influenciaram negativamente a detecção de botos; ii) a largura do campo de visão tem um efeito positivo; iii) a melhor velocidade de barco para monitorizar boto é aproximadamente seis nós. Verificou-se a ocorrência de variação inter-anual, com um aumento significativo de observações em 2005 e ausência de detecções em 2006. Em contraste, não se verificou a influência das variáveis mês ou profundidade na presença de boto. Diversas variáveis ambientais parecem ser importantes para explicar a presença de botos, já que: i) foram maioritariamente visto em águas de temperaturas médias; ii) à medida que a concentraçao de clorofila e a profundidade da zona eutrófica (ZE) aumentam, verifica-se um aumento na probabilidade de presença de boto; iii) verificou-se uma relação positiva entre o número de avistamentos e a ocorrência de inclinações do fundo marinho mais acentuadas e viradas a sul. Por sua vez, a análise de avistamentos costeiros mostrou que cinco variáveis parecem influenciar a capacidade de detecção de botos, pelos observadores, nomeadamente: i) a duração da observação; ii) o campo de visão, que apresentou uma relação positiva com o número de avistamentos; iii) verificou-se um decréscimo linear nos avistamentos à medida que o Beaufort aumenta; iv) botos foram avistados mais frequentemente com valores de Douglas entre 2 e 3; v) a presença de roaz (Tursiops truncatus) teve um efeito negativo na presença de botos. Verificou-se um padrão temporal durante o período de estudo, com um aumento do número de avistamentos ao longo dos anos. De igual modo, verificou-se um aumento do número de avistamentos no final do dia e em localizações mais a norte, com maior número de detecções em Lugo e A Coruña. Condições ambientais também parecem afectar a distribuição de botos, a partir de pontos costeiros: foram detectados mais animais em águas onde a profundidade da ZE era superior, onde a profundidade era mais variável, onde a inclinação do fundo marinho era superior e onde a plataforma continental era mais estreita. Por último, foram analisados os arrojamentos de boto recolhidos pela CEMMA na Galiza, de 1990 a 2013, e pela Sociedade Portuguesa de Vida Selvagem (SPVS) em Portugal, de 2000 a 2013. Foram registados 424 arrojamentos desta espécie na área de estudo. Verificou-se a ocorrência de arrojamentos ao longo do ano, bem como diferenças inter-anuais, com um acréscimo no número de arrojamentos com o tempo. Os números mais elevados de arrojamentos ocorreram em 1998 na Galiza e em 2011 em Portugal. De igual modo, verificou-se a ocorrência de diferenças de diferenças no número de arrojamentos entre meses. Em particular, enquanto que na Galiza os arrojamentos foram mais comuns no Inverno, com um pico em Março e Abril, em Portugal o pico de arrojamentos foi detectado em Maio. Dados de ambas as áreas mostram um maior número de arrojamentos no Inverno comparativamente com o Verão. Verificou-se um aumento no número de arrojamentos de boto de norte para sul, com picos em duas regiões: a sub-area 5 e 9. No geral, o rácio sexual nos arrojamentos foi aproximadamente de 1:1, apesar de o número de fêmeas ser ligeiramente inferior em Portugal. O comprimento total dos animais variou de 81 a 202 cm, com um tamanho médio de 146.66 cm, com botos maiores em Portugal comparativamente com a Galiza e com as fêmeas maiores que os machos. No geral, 33.4% dos botos arrojados apresentaram evidências de captura acidental em artes de pesca, com uma proporção superior na costa Portuguesa (56.0%) comparativamente com a costa Galega (26.2%), o que poderá dever-se a diferenças no tipo de artes de pesca usadas em cada área. Os resultados do presente estudo mostram evidências de ausência de estrutura genética na população de boto no NPI e um claro isolamento desta população comparativamente com outras populações do nordeste Atlântico e Mar Negro, devido à importante influência de processos oceanográficos, como correntes e afloramento costeiro. Estes resultados suportam a recomendada definição da população de boto da Península Ibérica como uma separada unidade de gestão para a DQEM e também a definição de uma terceira sub-espécie, Phocoena phocoena meridionalis. Tanto os resultados de avistamentos como os de arrojamentos mostraram que esta espécie está presente na área de estudo durante todo o ano, com variações temporais (anos, meses) e espaciais (sub-áreas), sugerindo a movimentação dos animais entre áreas. Assim, i) as áreas protegidas não podem ser sazonais, uma vez que esta espécie está presente durante todo o ano; ii) a Galiza é uma das áreas importantes para boto na Península Ibérica, quando também pode ser o caso do Golfo de Cádiz, com quatro localizações a apresentar elevada ocorrência desta espécie: Punta Candieira, Vilán e Cabo Touriñán, Punta Remedios (Lira) e Faro de Corrubedo; iii) as áreas utilizadas por boto e roaz são distintas. Adicionalmente, enquanto que parte da população de roaz foi descrita como sendo residente, a população de boto não parece comportar-se de igual modo; assim, a mesma AEC não será útil para ambas espécies, a não ser que seja suficientemente grande para abranger as áreas utilizadas por ambas. A captura acidental em artes de pesca é uma das principais ameaças para pequenos cetáceos, especialmente boto, e constitui um factor preocupante na conservação desta espécie em áreas com elevado esforço de pesca, como NIP. Foi descrita uma maior proporção de captura acidental de boto na costa Portuguesa relativamente à Galega, potencialmente devido às diferenças nas artes de pesca usadas em cada área. De qualquer forma, em ambas as áreas (Galiza e Portugal) a mortalidade devido a captura acidental é insustentável, considerando o limite de mortalidade de 1.7% definido pela ASCOBANS (1997). No entanto, captura acidental em artes de pesca não constitui a única ameaça para esta espécie e é essencial a realização de mais estudos para enriquecer o conhecimento sobre os botos na Península Ibérica e suportar a sua conservação.

El objetivo principal de esta tesis fue proporcionar información sobre la marsopa (Phocoena phocoena) en el noroeste de la península ibérica (NOPI), ya que está clasificadas como especie “Vulnerable” en España (Catálogo Nacional de Especies Amenazadas, Ley 4/1989, 2000; Livro vermelho dos vertebrados de Portugal) y está incluida en el Anexo-II de la Directiva Hábitats de la UE, requiriendo la designación de Areas de importancia para la Conservación (AIC) por parte de los Estados Miembros de la UE en áreas de hábitats críticos. El estudio de su población es una cuestión prioritaria y tanto la CBI (Comisión Ballenera Internacional) y el ICES (International Council for the Exploration of the Sea) recomiendan estudios que determinen la estructura poblacional y que desarrollen una gestión apropiada para reducir los impactos negativos sobre la población. Así mismo, se considera en algunos estados miembros de la EU la distribución, abundancia y dinámica poblacional de los cetáceos como indicadores de “buen estado medioambiental” de las aguas marinas de la UE bajo la Directiva Marco sobre la Estrategia Marina (DEME). Ya que la conservación requiere un conocimiento de la distribución y estructura poblacional, aquí se examinó la estructura poblacional de las marsopas del noreste Atlántico y mar Negro usando diez marcadores ADN microsatélite y la secuenciación de la variación de la región control mitocondrial. El análisis Structure del ADN microsatélite identificó 3 grupos principales: la Península Ibérica, el resto del Atlántico noreste, y el mar Negro. El análisis de median joining network destacó el aislamiento de la población del mar Egeo, Mármara y Negro. Ni los DNA microsatélite ni el DNA mitocondrial detectó diferencia alguna entre Galicia y Portugal, ni tampoco patrón significativo alguno en la estructura poblacional a lo largo de la costa ibérica. En cualquier caso, hubo diferencias entre la península ibérica y el resto de las poblaciones estudiadas. Los valores de variabilidad genética en ambos marcadores fueron más bajos en la península ibérica que en el resto de las poblaciones estudiadas, excepto las del mar Egeo, Mármara y Negro. Los niveles de divergencia claramente no explican el aislamiento por distancia, pero en cambio posiblemente puede asociarse con la separación de las poblaciones por las condiciones oceanográficas presentes por la presencia de las condiciones de upwelling en el oeste peninsular y el noroeste de África, que proporcionan unas condiciones favorables para la marsopa. En general los datos genéticos sugieren que la península ibérica y el oeste africano deberían ser considerados como una población separada. En segundo lugar, se usó la modelización del hábitat ya que representa una herramienta potencialmente potente para describir y predecir la distribución de los cetáceos y entender los procesos ecológicos que determinan esas distribuciones. Se usaron dos métodos de toma de datos por la ONG CEMMA (Coordinadora para o Estudo dos Mamíferos MAriños): 1. Emarques específicos desarrollados en aguas costeras gallegas durante los años 2003 – 2010. 2. Datos del seguimiento sistemático mensual en una serie de puntos de observación distribuidos homogéneamente a lo largo de la costa gallega recogidos de 2003 a 2011. Los resultados de los embarques mostraron que: i) valores altos de estado del mar influyen negativamente en la detección de marsopas; ii) el ancho de campo de observación tiene un efecto positivo; y, iii) la mejor velocidad del barco para el muestreo de marsopas fue de 6 nudos. Hubo variabilidad interanual con un aumento significativo del número de avistamientos en 2005 y sin detecciones en 2006. Por el contrario, no hubo diferencias significativas en la presencia de marsopas entre meses o en relación a la profundidad. Se encontró que varias variables medioambientales eran significativas para explicar la presencia de marsopa: i) se vieron principalmente en aguas con temperaturas medias; ii) al aumentar la concentración de clorofila y la profundidad de la zona eutrófica, aumenta la probabilidad de presencia de marsopa; iii) finalmente, hubo una relación positiva entre el número de avistamientos y tanto la mayor pendiente de los fondos como su orientación al sur.El análisis de las observaciones costeras mostraron que cinco variables tenían alguna influencia sobre los observadores en relación a la detección de marsopas: i) la duración de la observación, y ii) el ancho de campo, tuvieron una relación positiva con los avistamietnos; iii) hubo una disminución linear en los avistamientos al aumentar los valores de Beaufort; iv) las marsopas se vieron más frecuentemente cuando los valores de Douglas estaban entre 2 y 3; y v) la presencia de delfines mulares (Turiops truncatus) tuvo un efecto negativo en la presencia de marsopas. Durante el periodo de estudio hubo una tendencia temporal con el aumento del número de avistamiento a lo largo de los años. Así mismo, hubo un aumento en el número de avistamientos al final del día, y el número de avistamientos aumentó hacia el norte con más detecciones en Lugo y A Coruña (estaciones más norteñas). Las variables medioambientales también parecieron afectar la distribución de las marsopas: se detectaron más marsopas en aguas con la profundidad de la zona eutrófica mayor, zonas de profundidad más variable, pendiente del fondo marino mayor y plataforma continental más estrecha. Finalmente, se analizaron los datos de varamientos recogidos desde 1990 a 2013 por la CEMMA en Galicia y de 2000 a 2013 por la Sociedade Portuguesa de Vida Selvagem (SPVS) en Portugal. Se registraron un total de 424 varamientos de marsopa en toda la zona. Los resultados mostraron que los varamientos de marsopa ocurren a lo largo de todo el año con diferencias entre ellos. El mayor número de varamientos registrado en Galicia fue en 1998 y en Portugal en 2011. También se detectaron diferencias entre meses. En Galicia los varamientos de marsopa fueron más comunes en invierno con un pico en Marzo y Abril, y en Portugal se detectó el pico en Mayo. Al analizar conjntamente los datos de ambas zonas, el número de varamientos es mayor en invierno que en verano. Hubo un aumento de las marsopas varadas del norte al sur, teniendo dos zonas la mayoría de los varamientos: subárea 5 y 9. En general, la proporción de sexos fue cercana a 1:1, aunque el número de hembras fue ligeramente menor en Portugal. La longitud total del cuerpo varió entre 81 a 202 cm, con una longitud media de 146.66 cm, siendo las marsopas portuguesas mayores que las gallegas, y las hembras más grandes que los machos. En total, un 33.4% de las marsopas varadas tenían signos de captura accidental, con una mayor proporción en las costas portuguesas (56.0%) que en las gallegas (26.2%), lo que podría ser debido a las artes de pesca usadas en cada zona por los marineros. Los resultados muestran evidencias de la ausencia de una estructura genética poblacional de las marsopas en la costa noroccidental peninsular y un claro aislamiento de esta población con otras del noreste atlántico y del mar Negro, con una influencia importante de las características oceánicas predominantes como las corrientes y el upwelling. Estos resultados apoyan la recomentación de la definición de la Península Ibérica como una unidad de gestión de marsopa separada para el DEME y así mismo la definición de una tercera especie, Phocoena phocoena meridionalis. Tanto los avistamientos como los varamientos mostraron que las marsopas están presentes en el area todo el año con variaciones en el número de avistamietnos entre años, meses y subáreas, lo que nos lleva pensar que deben de moverse entre zonas. Por lo tanto, i) las zonas de protección no pueden ser estacionales, al estar la especie presente a lo largo de todo el año; ii) Galicia parece ser una de las zonas clave en la Península Ibérica, junto probablemente con el golfo de Cádiz, con cuatro localidades con una particular presencia de marsopa: Punta Candieira, Cabo Vilán y Touriñán Cape, Punta Remedios (Lira) y Faro de Corrubedo; iii) las áreas principales usadas por las marsopas y los delfines mulares son diferentes. Además, mientras que parte de la población de delín mular ha sido descrita como residente, la población de marsopa no parece comportarse del mismo modo, y por lo tanto el mismo AIC no va a ser útil para ambas especies, salvo que sea lo suficientemente grande como para cubrir ambas zonas. La captura accidental es considerada como uno de los principales amenazas para los pequeños cetáceos, especialmente marsopas, y es preocupante en una zona de gran presión pesquera como la noroccidental peninsular. Se detectó una mayor proporción de capturas accidentales en las costas portuguesas que en las gallegas, tal vez debido al uso de distintas artes de pesca en cada zona. En cualquier caso, en ambas áreas (Galicia y Portugal) la mortalidad por captura accidental es insostenible según el límite de mortalidad del 1.7% de la mejor estima poblacional de acuerdo con ASCOBANS (1997). De todas formas, la captura accidental no es la única amenaza para esta especie, y es básico llevar a cabo más estudios para aumentar el conocimiento de las marsopas ibéricas y apoyar su conservación.