passer domesticus passer domesticus - house...

181
Relating phenotypic and genetic variation to urbanization in avian species: a case study on house sparrows (Passer domesticus) Fenotypische en genetische variatie in relatie tot urbanizatie bij vogelsoorten: de huismus (Passer domesticus) als casestudy Carl Vangestel Universiteit Gent, 2011 Thesis submitted to obtain the degree of Doctor in Sciences (Biology) Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad van Doctor in de Wetenschappen, Biologie

Upload: others

Post on 04-Aug-2020

13 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

 

 

Relating phenotypic and genetic variation to urbanization in avian species:  

a case study on house sparrows (Passer domesticus)  Fenotypische en genetische variatie in relatie tot 

urbanizatie bij vogelsoorten:  de huismus (Passer domesticus) als case‐study 

 

Carl Vangestel 

Universiteit Gent, 2011 

 

 

 

 

 

 

 

Thesis submitted to obtain the degree of Doctor in Sciences (Biology)  

Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad van Doctor in de Wetenschappen, Biologie 

 

Page 2: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen
Page 3: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

 

Supervisor: prof. dr. Luc Lens (Ghent University) 

Co‐supervisor: dr. Joachim Mergeay (INBO) 

 

 

 

Reading committee: 

 

dr. Ruud Foppen (SOVON, Netherlands) 

prof. dr. Erik Matthysen (Antwerp University) 

prof. dr. Frederik Hendrickx (KBIN) 

 

 

 

Exam committee: 

 

prof. dr. Luc Lens (Ghent University, supervisor) 

dr. Joachim Mergeay (INBO, co‐supervisor) 

prof. dr. Koen Sabbe (Ghent University, president) 

prof. dr. Tom Moens (Ghent University) 

dr. Eduardo de la Peña (Ghent University) 

 

 

 

 

 

Please refer to this work as: 

Vangestel, C. (2011). Relating phenotypic and genetic variation to urbanization in avian species: a case study on House Sparrows  (Passer domesticus). PhD  thesis, Ghent University. 

Page 4: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen
Page 5: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

 

Contents 

  

 

Dankwoord 

 

General introduction  1

Chapter 1  Constraints  on  home  range  behaviour  affect  nutritional condition in urban house sparrows (Passer domesticus)     33

   

Chapter 2  Does fluctuating asymmetry constitute a sensitive biomarker of nutritional stress in house sparrows (Passer domesticus)?  53

   

Chapter 3    

Developmental  stability  covaries  with  genome‐wide  and single‐locus heterozygosity in house sparrows  71

   

Chapter 4  Characterizing  spatial  genetic  structure  in  contemporary house sparrow populations along an urbanization gradient    97

   

Chapter 5  Spatial  heterogeneity  in  genetic  relatedness  among  house sparrows  along  an  urban  gradient:  a  plea  for  individual‐based analysis.......     125

   

General discussion    149

   

Summary    165

   

Samenvatting    169

 

Page 6: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen
Page 7: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

 

Dankwoord  

Het leek steeds zo ver weg, maar nu is het er eindelijk: de ‘laatste pagina’, tijd om iedereen een welgemeende ‘Dank U’ te zeggen.

In de eerste plaats wil ik mijn promotor Luc bedanken. Luc, ik kan me moeilijk een betere promotor inbeelden dan diegene die jij geweest bent. Je stond altijd klaar voor mijn vragen en bekommernissen en altijd had ik het gevoel dat ik de enige was die een meeting met je had die dag (maar we weten beiden wel beter...). Bedankt ook voor de ruimte die je me liet om mijn eigen onderzoekslijnen te kiezen en ‘tussen de soep en de patatten’ nog cursussen statistiek te volgen, de talloze revisies van hoofdstukken en manuscripten, je nooit aflatend enthousiasme, maar vooral voor de aangename en relaxte manier van samenwerken. Bedankt Luc.

Mijn co-promotor Joachim wil ik vooral bedanken voor zijn kritische revisies van mijn hoofdstukken, zijn uiteenzettingen over de gevaren die bij ‘nonequilibrium populations’ om de hoek komen kijken en enorme hulp bij het genetisch scoren van allelen.

Fre, bedankt voor de geweldige momenten tijdens de stage (en het soms verliezen van de weg), de excursies (en het soms verliezen van de weg) en de practica (en...vreemd genoeg hebben we nooit de weg verloren in de Ledeganck). Bedankt voor het geduld wanneer ik voor de duizendste maal je bureau op ’t 9de zomaar binnenviel, een hypothetisch grafiekje onder je neus duwde en een statistisch “maar-wat-als” vraagje op je afvuurde. Je kan werkelijk als geen ander complexe zaken reduceren tot iets simpels.

I want to express my great appreciation for the tremendous ‘genetic’ support provided by Deborah Dawson, Terry Burke, Andy Krupa and Gavin Horsburgh (University of Sheffield).

Dank ook aan alle leden van de lees- en examencommissie voor hun correcties en nuttige suggesties.

Zonder de hulp van Viki en Hans zou deze doctoraatsscriptie nooit tot stand zijn gekomen. Viki, bedankt voor de duizende PCR’s, het testen van primers, het optimaliseren van protocols en zoveel andere dingen. Zonder jou stond ik nu nog in het labo. Hans, wie had ooit gedacht dat wij

Page 8: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

 

nog samen onderzoek zouden doen. Merci voor de vele en lange vangdagen, het ‘zoeken’ naar gezenderde vogels, het willen meedenken met mijn onderzoek, mijn persoonlijke helpdesk te willen zijn voor alle PC-problemen (bij wijlen een full-time job), mij slechts eenmaal toe te laten een mistnet te plaatsen voor een prikkeldraad onder stroom,... bedankt he moat!

Verder wil ik ook alle Master studenten bedanken die op een of andere manier een bijdrage hebben geleverd bij het vergaren van data: Christophe, Boris, Sophie, Marieke, Hanna, Lies en Patricia. Special thanks to Danielo, it has been and will always be a pleasure to work with you. Thanks for all the work and fun times in Ghent and Leicester and the many delicious self-made tortillas.

Tevens mag ik zeker Angelica, Fien en Jasmin niet vergeten voor alle hulp bij het ‘prepareren’ van veerstalen voor DNA onderzoek en gans het 9de en 10de voor de fantastische werksfeer: Johan, Lynda, Jean-Pierre, Dries, Eduardo, Rein, Val, Toon, Boris, Tom, Eva, Debbie, Martijn, Bram en Brambo, Charlotte, Greet, Liesbeth, Kevin, Nathalie, Leen, Els, Vanessa, Thijs, Kay, Dirk en de ‘nieuwe lichting’.

Tom Cammaer, bedankt voor het bijvangen van huismussen en vervolledigen van de datasets.

Jenny bedankt voor je interesse in mijn onderzoek en je logistieke hulp in de beginjaren.

Ook Andy Vierstraete en Bart Braeckman wil ik langs deze weg bedanken voor respectievelijk alle genetische hulp en het schrijven van de beeldverwerkingssoftware (inclusief bijbehorend vogelgeluidje).

Ik zou ook een aantal mensen willen bedanken voor het inlassen van enkele ontspannende momenten tussen het schrijven door. De ‘Bioloogskes’, oftewel Mie & Jer, Lena & Stoffe, Karin & Robrecht (alias Rudolf, Georges, ...) en Sofie & Reinout: we zien elkaar ietsje minder de laatste tijd, maar geen paniek, we vinden wel een manier om die babyboom van 10 klein mannen te ‘overleven’. Het ‘raft-team’ oftewel Gert, Jov, Tom C., Tom V.G., Thijs en Maarten: bedankt om me erop attent te maken dat mijn conditie ook niet meer dat is wat het geweest is. De ‘Mitchie Mitch’ oftewel Michel: bedankt voor alles en dat tripke naar Nepal komt er echt wel van... met of zonder krukken. Het ‘Boazeke’ oftewel Tom: merci voor de vriend te zijn die iedereen zoekt maar zelden vindt.

Page 9: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

 

Ik wil mijn beide ouders van harte bedanken voor de talloze keren dat zij zich om Lars bekommerden zodat ik kon verder werken aan deze scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen San en Kikke, Oma Veerle en Opa Frank en alle tantes en nonkels van Lars en Boris wil ik bedanken: Frankie en Wim, Lies en ‘konkel’ Joris, Marie en Peter. Bedankt om er steeds te zijn wanneer ons gezinnetje jullie nodig had.

San en Wim, ongelooflijk bedankt voor de layout van deze scriptie, een welgekome verlichting in deze toch wel drukke tijden.

Fien, mijn grootste dank gaat natuurlijk naar jou uit. Zonder jou zou er nooit sprake geweest zijn van dit ‘boekje’. Hoogzwanger, in vrijwel je eentje een gans gezin en huishouden runnen, een drukke job, ... je deed het allemaal en zelden hoorde ik je klagen. Bedankt zoetie!!

Als laatste, eerder een belofte dan wel een dankbetuiging. Lars, twee jaar en een papa die tracht te doctoreren, het was zeker niet altijd even makkelijk voor je (Boris, gelukkig was jij nog veel te klein). Maar ik beloof jullie beiden: vanaf nu is het ‘Lars en Boris’ time!!

Page 10: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen
Page 11: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

General introduction 

 

©Chantal Deschepper 

 

 

   

Page 12: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

As  metropolitan  areas  are  currently  sprawling  at  unprecedented  rates, urban  species  are  expected  to  comprise  a  significant  component  of  global biodiversity  in  the  future  (Chace and Walsh 2006). While  this phenomenon has nourished a  fast‐growing scientific  interest  in urban ecology, our understanding of ecological and evolutionary consequences of urban sprawl  is yet rudimentary (Marzluff  et  al.  2001).  Urbanization  affects  the  distribution  and  abundance  of species  as  it  tends  to  homogenize  urban  avifauna  by  reducing  both  species richness and evenness. While this has been true for most native species, opposite trends have been reported for densities of non‐native ones (Marzluff et al. 2001). 

For  long,  the house  sparrow  (Passer domesticus) has  represented one of the  rare exceptions  to  this pattern of declining native biodiversity  in urbanized areas. Traditionally, house sparrows have been forming commensal1 relationships with mankind allowing them to invade numerous habitats in various parts of the world  (Summers‐Smith  1963). While  they  initially  thrived  well  in  response  to urbanization,  in  recent  decades  this  species  has  suddenly  suffered  massive declines most  pronounced  in  highly  urbanized  city  centers  (Chamberlain  et  al. 2007,  De  Laet  and  Summers‐Smith  2007).  The  universal  decline  of  house sparrows in a constantly changing urban environment is not merely an intriguing biological phenomenon per se, but could potentially be a  forerunner of a  larger ecological problem, ultimately affecting entire urban ecosystems. 

The  combination  of  its  almost  obligate  relationship  with  humans (Anderson 2006),  its appearance  in a  range of diverse habitats and  the  sudden but  heterogeneous  collapse  of  house  sparrow  numbers  provides  an  excellent opportunity to explore how phenotypic and genetic characteristics of this species respond  to  urban  gradients.  Here,  I  investigate  whether  two  morphological measurements  could  function  as  bioindicators  for  the  detection  and quantification of presumed stress2 associated with  increased urbanization. Such identification  and  implementation  of  cost‐efficient  indicators  of  environmental and/or  genetic  stresses before populations become  irreversible  affected  (‘early warning  systems’  sensu Clarke  et  al.  1986,  Clarke  and McKenzie  1992,  Clarke 1995) would  be  highly  beneficial  for  conservation  purposes. Next,  using  highly polymorphic microsatellite markers  I explore how, and  to what extent,  genetic 

                                                  1 Commensalism is defined as the interaction between two species in which one species 

benefits from the relationship while the other is unaffected by it (Anderson 2006). 2 We define  ‘stress’ as the consequence of any factor that alters an organism’s energy 

budget  in  terms  of  energy  acquisition  or  allocation  to maintenance  and  reproduction  (Grime 1989, Beyers et al. 1999). 

 

Page 13: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

variation covaries with urbanization in contemporary house sparrow populations and whether putative detrimental genetic effects have already emerged. 

AN OVERVIEW OF THE HOUSE SPARROW DECLINE Until  recently  house  sparrows  were  among  the most  common  birds  in 

Europe (Summers‐Smith 1988). Numbers of breeding pairs in the UK in the early 1970’s were  estimated  between  12  and  15 million  (Crick  et  al.  2002).  To my knowledge, little information on house sparrow numbers is available for Flanders. Although  rather  rough  approximations,  the  number  of  breeding  pairs  were estimated  at  715,000  pairs  in  the mid  1970’s  and  500,000  at  1985  (VLAVICO 1989). Throughout history house  sparrows have been  regarded as pest  species damaging  standing  crops,  transmitting  diseases  and  negatively  affecting  native avifauna  after  (un)voluntary  human  introductions  (Anderson  2006).  However, nowadays it is widely acknowledged that this species has suffered major declines, shifting  its  ‘pest status’  to a  ‘near  threatened’ one  (Birdlife  International 2006). Yet, while  the majority  of  observed  trends  describe  a  substantial  decline,  this pattern  is far from consistent. For  instance, census counts suggest that not only the onset of the rural decline preceded the urban one, but that the strength and outcome of  the decline,  too, differ between both  regions.  In  the  rural area  the decline  has  stabilized whereas  the  urban decline  has  been more dramatic  and seems  to  be  still  in  progress,  transforming  (some  parts  of)  city  centers  into ‘sparrow  free’ areas  (Robinson et al. 2005; De  Laet and  Summers‐Smith 2007). Finally,  in suburban areas  (i.e., consisting of outskirts of the city and  its suburbs and  characterized  by  lower  building  density  and  larger  quantity  of  vegetation; Heij  1985),  numbers  have  been  less  affected  showing  only  minimal  signs  of population reductions (figure 1). 

This  coarse‐grained heterogeneity  in population dynamics becomes even more  complicated  as  deviating  trends  have  been  reported  both  between  and within city centers (Summers‐Smith 2003). One of the best documented declines is  the one  in Kensington Gardens where autumn counts go back as  far as 1925 (Sanderson 1996, Vincent 2005). While the local population size was estimated at 2603 birds in 1925, numbers gradually declined to 885 in 1948, most likely due to a reduction in food availability following the replacement of horses by motorized vehicles  (Summers‐Smith  1988,  Anderson  2006).  In  the  1980’s,  this  gradual population  decline was  complemented  by  a  sudden  population  collapse which resulted  in  a  census  count  of  only  eight  (!)  birds  in  2000.  Other  long‐term   

Page 14: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

Fig.  1. House  sparrow population  trends based on  census  counts between  1970  and  2000  in three different habitats. Rural abundances are based on the BTO Farmland Population  Indices; suburban  ones  represent  census  data  from  four  suburban  villages  in  the  UK  (Stockton, Crewkerne,  Tranent  and Guisborough);  urban  abundances  are  based  on  counts  performed  in London, Edinburgh, Glasgow, Hamburg and Dublin (source: De Laet 2007). 

monitoring  schemes  showed broadly  similar  trends  in  the  greater  London  area (De Laet and Summers‐Smith 2007). Likewise, house sparrows have shown a 90% decline  in  the  center  of  Edinburgh  (Dott  and  Brown  2000)  and  numbers  have been  declining  by more  than  50%  in  Hamburg  during  the  last  three  decades (Mitschke et al. 2000). Notably, most populations in Berlin and Paris seem to lack such a decline  (Summers‐Smith 2003) while,  in general,  sparrow populations  in Scotland and Wales even seem to have  increased  in numbers (Crick et al. 2002) (table  1).  Such  a  complex  pattern  complicates  the  identification  of  an  overall driving  force  behind  the  urban  collapse  but  rather  suggests  a  combination  of causal  factors. Moreover,  this  urges  for  detailed  studies  conducted  at  a  small scale to allow subtle differences within habitats to be detected. 

PUTATIVE CAUSES OF THE HOUSE SPARROW DECLINE 

Predation 

The  two most  cited  candidate  predators  that  could  substantially  affect house sparrow numbers are the domestic cat (Felis catus) and the sparrowhawk (Accipiter nisus). Depending on  the distance  from human settlements, sparrows comprised  between  9.2%  and  35%  of  the  diet  of  sparrowhawks, where  lower percentages were associated with more  remote areas  (Tinbergen 1946, Opdam 1979,  Frimer  1989). During  field work  conducted within  the  framework of  this   

Page 15: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

Table 1. Overview of European population trends (source: Shaw et al. 2008).  

  

thesis, multiple predation events of house sparrows by sparrowhawks have been observed  (see  discussion  Chapter  1).  While  in  the  past,  the  possibility  of sparrowhawks  as  a  causal  factor  of  the  sparrow  decline  has  generally  been dismissed (Newton et al. 1997, Thomson et al. 1998), recent papers (MacLeod et al.  2006,  Bell  et  al.  2010)  advocate  such  conclusions  may  have  been prematureFirstly, sparrowhawks,  like many other raptors, have shown a marked increase  in population numbers over the  last 30 years thanks to  legal protection and banning of pesticides like DDT (Lensink 1997, Anderson 2006). Secondly, the onset  of  the  urban house  sparrow  decline  corresponds  to  the  timing  at which sparrowhawks have started  to colonize  the urban habitats  (Anderson 2006, Bell et  al.  2010).  Prior  to  the  urban  invasion  of  sparrowhawks,  large  periods  of predator release may have allowed natural selection to select against behavioral strategies  associated  with  anti‐predator  defence  in  urban  house  sparrows (Blumstein  and  Daniel  2005)  rendering  them  incapable  of  instantaneously adjusting  their  behavior  in  response  to  a  sudden  predator  introduction (Steadman  2006).  Hence,  this  sudden  arrival  of  a  new  predator  may  have disproportionally  increased  the  vulnerability  of  urban  house  sparrows.  Thirdly, difference  in  timing  between  urban  and  rural  sparrowhawk  recovery matches patterns of urban and rural house sparrow decline (Bell et al. 2010). Based on a logistic model, Bell et al.  (2010)  showed  that house  sparrow numbers were on average  stable or  increasing prior  to  the  return of  sparrowhawks, but declined 

City Overall trendBerlin StableBristol DeclineDublin DeclineEdinburgh DeclineHamburg DeclineLisbon IncreaseLondon DeclineManchester StableMoscow DeclineNorwich DeclineParis StablePrague DeclineRotterdam DeclineSt. Petersburg DeclineWarsaw Slight decline

Page 16: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

strongly  afterwards. While  the  authors  focused on predation per  se,  increased occurrence  of  predators  can  also  have  indirect  detrimental  effects  on  house sparrow behavior and physiology. For instance, foraging theory predicts that birds will tend to build up fat reserves at times of unpredictable food supply to  lower the  risk  of  starvation  (Lima  1986, Houston  et  al.  1993). MacLeod  et  al.  (2006) performed a comparative study among six  islands, halve of which contained no sparrowhawks while  in the other halve this raptor was resident. While sparrows in ‘predator‐free’ islands behaved in a predictable fashion and gained body mass early  at  the  day  and  during  winter,  such  behavior  was  absent  in  predator dominated  islands. MacLeod  et  al.  (2006)  argued  that  house  sparrows  did  not regulate  fat  reserves  in  a  manner  to  minimize  the  starvation  risk  but  rather responded  to mass‐dependent  predation  risk,  with  a  trade‐off  between  flight performance  and  starvation  risk  that  rendered  them  highly  susceptible  to changes  in  the predictability of  food  supply. While both  studies are  correlative and hence only provide suggestive evidence for a link between the house sparrow decline  and  predator  incidence,  these  results  emphasize  that  predator  effects might be variable and complex.  

Domestic  cats have  also been  identified  as potential predators of house sparrows  (Churcher  and  Lawton  1987;  Woods  et  al.  2003)  as  it  has  been presumed that cats may kill up to 27 million birds in the UK in a span of 5 months only (Woods et al. 2003). In addition, Baker et al. (2005) reported predation rates of  cats  in  an  English  village  that were within  the  order  of magnitude  to  have potentially  detrimental  demographic  effects.  However,  such  generalization assumes  that preys brought  in by cats constitute a  random  sample of  the  total house  sparrow  population.  Mortality  may  not  be  driven  by  compensatory mechanisms such as age or disease in which case preys would merely represent a “doomed surplus” (Errington 1946), individuals which would have died anyway. In such instances, predation will be incapable of affecting overall population trends. Support for such a scenario was recently provided by Moller and Erritzoe (2000) who  showed  that  immunocompetence of preyed birds were  lower  than  that of non‐preyed  birds  undermining  the  importance  of  cat  predation  as  a  causal component of the sparrow decline.  

Lack of nest sites and change in habitat structure 

House  sparrows  show  a  marked  preference  for  dense  vegetation (Wilkinson  2006).  The  decline  of  house  sparrows  has  recently  been  linked  to areas with high socio‐economic status (Summers‐Smith 2003, Vincent 2005, Shaw et  al.  2008)  as  in  the  past,  affluent  areas  have  witnessed  a  substantial 

Page 17: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

transformation in habitat structure with loss of greenery and brownfield sites and ‘tidier’  gardens  with  higher  proportion  of  paving  and  non‐native  ornamental shrubs (Shaw et al. 2008). Such  increasing development and concomitant  loss of foraging habitat has had an impact on the availability of both weedy areas as well as invertebrate food. Insects provide chicks an essential protein boost a few days after  fledging  and  the  absence  of  insect  food  can  have  devastating  effects  on breeding success when availability  is  limited (see below) (Vincent 2005). Surveys have further shown a strong correlation between house sparrow abundance and the  level of social deprivation with  lowest numbers  found  in wealthy residential areas  (Robinson  et  al.  2005).  It  has  been  speculated  that  such  habitat  change could  be  compounded  by  a  lack  of  available  nesting  sites.  House  sparrows typically prefer holes or small crevices near roofs as a nesting site but modern or renovated  buildings  often  lack  such  opportunities  (Vincent  2005,  Shaw  et  al. 2008).  A  nationwide  survey  held  in  the  UK  indicated  house  sparrows  were avoiding newer buildings (build after 1985) or those that had undergo extensive roof repairs the last decade (Shaw et al. 2008). 

Diseases 

While  the  trajectory  of  a massive  and  sudden  decline  in  house  sparrow numbers is suggestive for an epidemic disease, little is known about the impact of diseases on this species, and  in bird populations  in general. One of the few well described  examples  of  how  epidemics  can  regulate  population  numbers  is  the study of mycoplasmal conjunctivitis  in house  finches  (Carpodacus mexicanus)  in the eastern half of North America. House finches experienced dramatic declines after the arrival of the epizootic but numbers have stabilized recently (Hochachka WM  and Dhondt  2000). A myriad  of  pathogens  have  been  identified  in  house sparrows (see Anderson 2006 for a detailed list) of which bacteria from the genus Salmonella  and  single‐cell  parasites  from  the  genus  Isospora  have  been frequently reported  (Anderson 2006). While  there has been anecdotal evidence that epidemic outbursts do occur  in nature and can  locally  result  in  substantial population  losses or  lower nestling condition (Kruszewicz 1991), to date there  is no  strong  support  that  disease  is  the  culprit  of  the  large‐scale  house  sparrow collapse. 

Food shortage 

In contrast to the proximate causes of the urban decline which are mostly hypothetical, those of the rural decline are well established. Substantial evidence has accumulated that the rural house sparrow decline can be attributed to lack of 

Page 18: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

overwinter food availability. Among other farmland bird species, house sparrows have  suffered  severely  from agricultural  intensification  such as  the  switch  from spring to autumn sowing, thereby reducing the availability of winter stubbles, and more efficient grain  storage  (Chamberlain et al. 2000).  Support was given by a study  on  the  population  ecology  of  rural  house  sparrows  in Oxfordshire  (Hole 2001,  Hole  et  al.  2002).  Their  comparative  study  on  stable  populations  and  a declined one (numbers decreased with 81% since 1971) indicated no variation in breeding performance among study plots while a significantly decreased monthly overwinter  survival  rate  was  only  apparent  in  the  declining  population. Experimental  support was  further provided by  the positive  response of  survival rates to supplementary feeding in the population that suffered a severe decline in house  sparrow  numbers  while  rates  remained  unaffected  in  the  other  ones. While such a scenario is unlikely to account for the urban house sparrow decline, evidence has mounted that  in the urban area summer, rather than winter, food supply may be problematic, more specifically the availability of  invertebrates for young  chicks.  Vincent  (2005)  measured  reproductive  success  along  an urbanization gradient in Leicester, UK and reported high rates of chick and whole‐brood starvation during June and July in the highly urbanized habitat. A stochastic simulation  revealed  that  in  two out of  three years  juvenile  recruitment did not reach  the  threshold  required  to  sustain  population  viability  due  to  low  chick survival and body mass at  fledging  (a well‐established predictor of post‐fledging survival  (Hole  2001)).  High  levels  of  vegetable material  in  the  diet,  low  aphid densities or high  levels of NO2 from traffic pollution were highly associated with reproductive  failure  (Peach et al. 2008). They argued  that reduced reproductive output due to low aphid abundance in the immediate vicinity of nesting sites was a  plausible  underlying mechanism  of  the  urban  decline.  Other  studies  in  the center of Hamburg have provided further support that brood starvation due to a shortage of  insects may cause population declines  (Bower 1999, Mitschke et al. 2000). 

Hole (2001) further argued that populations subjected to such strong food constraints might become ‘demographic sinks’, i.e. depending on emigration from nearby source populations with a demographic excess. He further contended that due to the sedentary nature of house sparrows,  insufficient movement between adjacent populations may result  in  local extinction causing  increased  isolation of remnant populations. Such a self‐reinforcing spiral of  local‐extinction and  loss of connectivity  could  then  “spread  as  a’contagion’  through  the  landscape”  (Hole 2001). 

Page 19: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

Environmental pollution 

Several authors have evaluated  the association between electromagnetic pollution  from  mobile  phone  base  stations  and  house  sparrow  abundance (Everaert and Bauwens 2007, Balmori and Hallberg 2007, Balmori 2009). While direct effects on avian reproduction or survival cannot be excluded, a more likely effect of mobile phone radiation  is the reduction of the reproductive capacity of insects (Balmori 2009). Census counts revealed low abundance of house sparrows with  increasing  intensity of environmental  radiation and a general avoidance of high  radiation  areas  (Everaert  and Bauwens 2007, Balmori  and Hallberg 2007). However, as the decline has been most severe in highly urbanized areas and the number of mobile base station masts has been  increased especially  in the most densely populated habitats,  such confounding associations may give  rise  to  the observed correlation without any causal link between them. Other environmental pollutants  related  to  increased  traffic  such  as  vehicle  exhaust  emissions  (NO2) have been  linked  to  sparrow declines as well  (see above).  In addition,  the  shift from  leaded to unleaded petrol coincided with the onset of the sparrow decline in  the  eighties  (Robinson  et  al.  2005).  Lead‐free  petrol  contains  the  known carcinogen and volatile oxygenate methyl  tertiary‐butyl ether  (MTBE, Summers‐Smith 2003, Robinson et al. 2005, Vincent 2005) and while both MTBE and NO2 are unlikely to affect higher organisms  in a direct way (Summers‐Smith 2003),  it may  have  an  indirect  impact  through  its  detrimental  effect  on  aphid  densities (Summers‐Smith 2003, Vincent 2005, Peach et al. 2008). However,  to date such effects on insects are not yet fully understood (Bignal et al. 2004) and it remains unclear why other species such as tits that also feed on aphids were not affected (Robinson  et  al.  2005),  apart  from  the  fact  that  species  may  differ  in  their plasticity to shift to alternative prey (Vincent 2005). 

While speculations over the exact cause(s) remain an open debate, there is little,  if any, doubt about  the existence of an urban house sparrow decline. The driving agent(s) behind the declines will undeniably increase experienced levels of stress  and  may  therefore  be  accompanied  with  phenotypic  changes (physiological,  immunological) at  the  individual  level.  In addition, as population sizes become smaller, populations will  inevitably be exposed to  increasing  levels of genetic threat. As such this may result, together with phenotypic changes,  in the  presence  of  a  phenotypic  and  genetic  signature  in  the  population.  In  the following  sections  I  briefly  review  two  phenotypic  biomarkers  of  stress (fluctuating asymmetry and ptilochronology) which have become popular tools in ornithological  studies  due  to  their  ease  of  application.  Subsequently  I  outline 

Page 20: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

10 

some of the genetic consequences and threats which declining populations may face. 

INDIVIDUAL‐BASED BIOMARKERS OF STRESS One of the main focuses of many ecologists and conservation biologists  is 

to  find  a quantitative metric  that  allows  the  early  identification of populations under  severe  stress.  The  possibility  to  detect  detrimental  changes  before populations have become  irreversibly affected (‘early warning system’, Clarke et al. 1986) will make such tools an invaluable asset to conservation managers as it will  allow  them  to  assess whether  or  not  situations  urge  for  remedial  action. Ptilochronology  and  fluctuating  asymmetry  are  two  stress  indices  which  have been  used  and  evaluated  extensively  in  the  literature.  Conservation  biologists have  conveniently  used  these  measures  to  document  differences  between individuals  and  populations,  allowing  them  to  approach  their  health  in  a  non‐invasive  manner  and  link  these  stress  indicators  to  environmental  quality, reproductive  output  and  survival  probabilities  in  an  attempt  to  assist management policies. 

Ptilochronology 

The concept of ‘ptilochronology’ was first introduced by Grubb (1989) and is best described as  the  study of growth bar  size  in  feathers  to  infer  individual body condition. Much similarity exists with dendrochronology or  the analysis of tree‐rings which uses patterns of light and dark rings to estimate the age of trees. Likewise,  growth bars  are  alternating dark  and  light bars, perpendicular  to  the rachis of a feather (figure 2).  

Fig. 2. Alternating dark (black arrow) and light (white arrow) growth bars on a tail feather.  

While  the  exact  underlying mechanism  of  such  a  pattern  remains  to  be determined (Grubb 2006), it has been proposed that a shift from a dark to a light band  is associated with a reduced blood pressure during sleep and concomitant 

Page 21: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

11 

nutritional change of the feather follicle (Riddle 1908, Jovani et al. 2010). Jovani et  al.  (2010)  showed  that  the  transition  from  light  to  dark  and  vice  versa was irrespective of  the photoperiod under which  the  feather was grown, but  rather mimics changes in physiological activity.  

Growth  bar  size  has  been  used  as  a  proxy  of  an  individual’s  nutritional condition3 where narrower growth bars reflect periods of poor nutrition  (Grubb 2006). Birds are considered to be very vulnerable to predation during moult and are  expected  to  reduce  such  periods  to  the  minimum  (Grubb  2006).  After allocating  energy  to  vital  processes  such  as  thermoregulation  and  immune response,  birds  in  better  nutritional  condition  will  be  able  to  translate  their surplus of  energy  into  a  faster  regeneration  rate  compared  to  those  in  a poor condition.  Measuring  growth  bars  on  original  or  induced  feathers  therefore allows researchers to obtain a blueprint of the energetic regime endured by the bird at the time the feather was grown. This has opened a range of opportunities and growth bar analyses have been used  in conjunction with various  topics  like habitat quality,  social behavior and  reproductive effort  (Grubb 2006). However, some essential premises need  to be met  to allow  inferring body condition  from growth bars. Firstly, exactly one pair of growth bars must resemble a 24h‐period of feather growth (Murphy and King 1991). This assumption was confirmed in an elegant  experiment  of  Brodin  (1993)  who  used  radioactive  cystine  as  a  food supplement, which  is  incorporated  into  the  keratin matrix  of  feathers  as  they grow,  and  allowed  him  to  reconstruct  the  growth  patterns  on  a  daily  basis. Recently,  other  authors  have  also  ascertained  the  relationship  by  measuring growing feathers on a daily basis in a variety of species (Grubb 2006, Jovani et al. 2010).  Secondly,  variation  in  growth  bar  size  between  individuals  needs  to accurately  reflect  relative  differences  in  net  energy  intake.  Such  a  negative association between growth bar size and food deprivation has been supported by various laboratory and field experiments (Grubb 1989, Grubb and Cimprich 1990). Body mass, or derivatives  thereof, have  likewise been used as proxies  for body condition. Grubb  (2006) argued that such  indices may be more ambiguous than daily feather growth because they are more prone to confounding factors such as daily  fluctuations  or  adaptive  foraging  strategies.  As mentioned  before,  body mass in house sparrows may sometimes better predict predation pressure rather 

                                                  3  “Nutritional  condition  is  defined  as  the  state  of  body  components  controlled  by 

nutrition and which, in turn, influences an animal’s fitness. I consider nutritional condition to be synonymous with condition, body condition and nutritional state” (Grubb 2006).

 

Page 22: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

12 

than  individual  condition  (MacLeod  et  al.  2006),  while  in  willow  tits  socially subordinate, and not dominant, birds maintained the highest weight (Ekman and Lilliendahl  1993).  Subordinates  gained more weight  in  response  to  lower  food predictability but became much  lighter  if dominant birds were removed. In both cases,  inferring nutritional condition from body mass would most  likely result  in spurious outcomes.  

Fluctuating asymmetry 

Symmetry  is  a  ubiquitous  feature  of  living  animals  although  perfect symmetry will often only be approximated and seldom reached. Although many different  forms of symmetry exist  in nature, bilateral and  radial symmetry have been studied most extensively  in the past (Graham et al. 2010). Under the most benign  conditions,  a  developmental  trajectory  results  in  the  exact  genetically predetermined phenotypic value, but under stressful conditions mechanisms that need  to  stabilize  this  pathway  loose  efficiency  and  this  results  in  aberrant phenotypes  (Clarke 1995).   Developmental  stability  refers  to  the potency of an organism to correct for minor deviations from its pathway and to restore it to the original  one.  A  way  of  estimating  developmental  stability  is  to  measure  the converse, developmental instability4 by examining the extent of random variation between  left  and  right  sides  in  a  bilateral  symmetrical  trait. As  both  sides  are under  the  control  of  a  single  genome  and  have  experienced  the  same environment,  the  phenotypic  outcome  of  both  sides  should  be  identical. However,  environmental  or  genetic  perturbations  can  cause  random  (i.e. with respect to side) fluctuations around the developmental pathway and the inability of  individuals to withstand such perturbation may result  in deviations  from  left‐right  symmetry  without  directional  component  at  population  level,  termed “fluctuating”  asymmetry  (FA)(Palmer  and  Strobeck  1986,  Palmer  1996,  Polak 2003,  Graham  et  al.  2010).  The  underlying  mechanism  of  developmental homeostasis still remains largely unknown (Lens and Eggermont 2008), but some preliminary work suggests perturbations may affect inter‐cell communication and rates  of  cell  growth  and  elongation  (Palmer  1994, McAdams  and  Arkin  1999, Fiering et al. 2000). Since the activity range of such random cellular processes  is 

                                                  4  Developmental  homeostasis  refers  to  the  stabilized  flow  along  a  developmental 

pathway within a particular environment. Developmental  instability  (=developmental noise)  is the process  that disrupts development along  the developmental  trajectory within a particular environment  and  is  what  is  being  measured  as  fluctuating  asymmetry.  Canalization  is  the process  by  which  a  target  phenotype  develops  under  different  genetic  and  environmental conditions (Polak 2003).

 

Page 23: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

13 

rather  limited  (McAdams and Arkin 1999), effects at each side would be  largely independent  and  give  rise  to  left‐right  asymmetries  (Lens  et  al.  2002). Besides fluctuating asymmetry other forms of bilateral asymmetry can be distinguished in an animal or plant. Directional asymmetry reflects a consistent larger value at one side such as the asymmetry in flatfish. This should however not be confused with plasticity in vertebrate bones causing between‐side differences due to differential use.  Antisymmetry  arises  when  asymmetry  is  the  norm  but  the  largest  value varies  among  sides,  for example  the  larger  signaling  claw  in male  fiddler  crabs which appears either on the right or left side but with equal frequency (Leary and Allendorf 1989, Polak 2003). Both antisymmetry and directional asymmetry are the  outcome  of  a  normal  development  and  are  therefore  not  applicable  as  a stress indicator (Leary and Allendorf 1989). Experimental and empirical work has suggested that increasing levels of stress, both genetic as well as environmental, have  resulted  in  a  concomitant  increase  in  levels  of  fluctuating  asymmetry (Palmer  and  Strobeck  1986,  Lens  et  al.  2002,  Lens  and  Eggermont  2008)  and therefore  fluctuating  asymmetry  has  been  a  popular  tool  to  draw  inferences about developmental homeostasis (Palmer 1996). Fluctuating asymmetry derived much  of  its  appeal  from  having  an  ideal  outcome,  e.g.  perfect  symmetry,  and even more  important,  from the belief that  it constitutes a more sensitive stress indicator  than more  traditional  fitness  estimates  (Clarke  and McKenzie  1992, Clarke  1995,  Lens  et  al.  2002).  The  opportunity  to  identify  populations  at  risk before the onset of stress‐mediated changes in fitness has gained wide approval by many  conservation  biologists  (Leary  and  Allendorf  1989,  Lens  et  al.  2002). Unfortunately,  results  on  relationships  between  fluctuating  asymmetry,  stress and  fitness have not always been consistent  in  the past which may hamper  the utility  of  fluctuating  asymmetry  as  a  universal  biomarker  of  stress.  Instead, associations with stress have been highly variable and seem to be species, stress and  trait  specific  (Bjorksten  et  al.  2000,  Lens  et  al.  2002,  Knierim  et  al.  2007, Hopton et al. 2009). For  instance, traits under sexual selection on average show enhanced  levels  of  FA,  while  natural  selection  will  enhance  the  efficiency  of buffering mechanisms controlling  the developmental pathways of  traits directly related  to  functional  performance  and  thereby  reduce  levels  of  fluctuating asymmetry  (Balmford et al. 1993, Kodric‐Brown 1997). Despite  recent advance, statistical  issues  may  also  have  been  an  important  source  of  the  observed inconsistencies  in  literature.  True  effect  sizes  in  FA  relationships  have  been typically  very  small  (Moller  and  Jennions  2002) while measurement  error may bias FA estimates. Therefore several authors recommend to increase the number of measurements per  trait and  to combine multiple  traits  in a single analysis  in 

Page 24: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

14 

attempt  to acquire an acceptable  level of power  (Van Dongen 1999, Lens et al. 2002). 

GENETIC THREATS OF SMALL POPULATIONS As  populations  become  smaller  and  more  isolated  as  a  result  of 

deterministic factors such as food shortage or predation, stochastic demographic and/or environmental processes may become more important and further reduce reproduction  rates or  increase mortality  rates  (Lande 1988,  Smith et  al. 2006). Furthermore,  because  not  all  individuals  contribute  equally  to  the  next generation in natural populations, census numbers are sometimes more than ten times larger than the genetic effective population size5 allowing genetic factors to affect  populations  while  demographic  risks  remain  negligible  (Spielman  et  al. 2004, Smith et al. 2006, but see Lande 1988). Here  I focus on stochastic genetic processes  that  may  reinforce  the  rate  of  a  population  decline  and  hence contribute  to  the  so‐called extinction  vortex  (figure 3)  (Gilpin and  Soule 1986). Firstly, as populations become smaller, some alleles will become fixed via genetic drift while others will be  lost,  reducing  the overall genetic diversity. Preserving genetic diversity  is one the major goals of the World Conservation Union (IUCN) and based on two arguments: (i) genetic variation allows populations to respond and adapt to changing environments, and is presumed to be positively associated with fitness (Reed and Frankham 2003); (ii) in small populations genetic drift may outperform selective forces and allow detrimental mutations to become fixed. As a  consequence, mean population  fitness  can decrease which  further decreases population  size  and  increases  the  extent  of  genetic  drift.  Such  a  synergistic interplay  between  mutation  accumulation  and  population  size  produces  a downward  spiral  called  a  mutational  meltdown  (Lynch  et  al.  1995)  and  has recently been  suggested as a potential  candidate  for population bottlenecks  in natural populations (Rowe and Beebee 2003). In contrast to previous factors (e.g. drift and mutation) which will affect populations only in the long‐term, inbreeding imposes an immediate threat to population persistence (Hedrick 2001, Keller and Waller 2002, Smith et al. 2006). Small populations promote mating between close 

                                                  5  The  effective  population  size  is  defined  as  the  size  of  an  idealized  Wright‐Fisher 

population which would result in exactly the same value of a specific genetic property as in the population  in question. Different measures of effective population size have been described  in the literature but two most commonly used are inbreeding effective population size and variance effective  population  size.  Inbreeding  effective population  size predicts  the  rate of decrease  in heterozygosity while the variance effective population size measures the variance of change  in gene frequency resulting from one generation of genetic sampling (Wang 2005). 

Page 25: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

15 

relatives which increases the probability that two deleterious homologous genes within an individual will become homozygous and thus phenotypically expressed. Inbreeding  depression  refers  to  the  concomitant  loss  of  fitness  in  response  to inbreeding  and  has  been  demonstrated  for  many  species  (Keller  and  Waller 2002).  Perhaps  counter‐intuitively,  lower  levels  of  inbreeding  depression  are expected  in populations which have been  small  for a  long  time as most of  the detrimental alleles will have been purged by natural selection. However, such a safety‐mechanism will  be  less  efficient  or  remain  absent  in  populations which have  suffered a  recent and  sudden  collapse  (Hedrick 2001, Reed 2009). As  the pattern  of  the  house  sparrow  decline  rather  corresponds  to  the  latter,  this species may be particularly vulnerable to immediate genetic threats. In addition, at  least on islands,  inbreeding has been shown to be high  in wild house sparrow populations  causing  a  reduction  in  recruitment  rates of progeny when parents were closely related (Jensen et al. 2007). 

Dispersal  patterns  shape  the  genetic  structure  of  populations.  As mentioned earlier, house sparrows are remarkably sedentary as  they revisit  the same breeding colony year after year, forage close to roosting and breeding sites and  disperse  over  short  distances  (Vincent  2005,  Anderson  2006). Dispersal  is almost  exclusively  done  by  juveniles  and  they  tend  to  settle  within  a  few kilometers  of  their  natal  colony  (Anderson  2006).  Anderson  (1994) measured dispersal distance as the difference between natal nest site and the  location on which an  individual was actually breeding. Mean natal dispersal distances were somewhat larger of females (arithmetic mean = 1.15 km ‐ geometric mean = 0.29 km) compared to those of males (arithmetic mean = 0.69 km ‐ geometric mean = 0.17  km).  Using  banding  records  Paradis  et  al.  (1998)  determined  dispersal distances of 531 house  sparrows  that were banded as nestlings and  recovered during a subsequent breeding period. The arithmetic mean dispersal distance was 1.7 km and the geometric mean was 0.21 km. 

STUDY AREA This study was carried out between 2003‐2009  in and around  the city of 

Ghent and the village of Zomergem, c. 12 km north‐west of Ghent, in Belgium. A grid, each cell measuring 300m x 300m, was placed over the study area in Arcgis v9.2. Using a digital layer which contained an exact outline of all houses the ratio between built‐up surface and grid size was calculated for each cell. I divided these ratios into three classes ranging from smaller than 0.10, 0.11‐0.30 and larger than 0.30. Throughout  this  thesis we will  refer  to  these classes as  respectively  rural, 

Page 26: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

16 

suburban and urban ones. Depending on  the research hypotheses  formulated,  I have applied different sampling schemes to select populations. For the first two chapters  I applied a  stratified  randomized design and  selected  four 50‐ha  rural plots, five 50‐ha suburban plots (eastern and northern populations were omitted for  logistic reasons), and  four 50‐ha urban plots. For all thirteen selected plots  I additionally  obtained  digitized maps  of  landcover  using  a  combination  of  high resolution  aerial  photographs  and  ground  truthing  (figure  4).  For  a  detailed description of each  study plot  I  refer  to Chapter 1.  In  the  last  three chapters,  I used a different approach. Here, I selected the most central urban study plot and sampled  populations  with  increasing  distance  from  this  center.  To  do  this,  I plotted six circles with increasing radius (each increment of approximately 700m) over our study area and sampled, as much as possible, two populations on each of  these  circles.  This  design  was  replicated  in  the  rural  area  (figure  5).  An   

Fig.  3.  Schematic  view of  the  extinction  vortex. Open  arrows decrease population  size, while shaded arrows stimulate population recovery (source: Smith et al. 2006). 

 

Page 27: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

17 

overview of all  locations sampled  is given  in  table 3. While sampling  individuals we  obtained  the  approximate  population  size  for  all  suburban  and  rural populations  (table  3). Within  the  city  center  of  Ghent  we  have  used  a more detailed mapping‐based survey technique to record house sparrow numbers. This survey was  repeated  three  times during  this study  (June 2005, 2006 and 2009). The area was divided  into  four blocks and each block was surveyed as a  ‘whole area search’. During  these counting sessions all accessible  routes, streets, parks and  backyards  (if  possible)  were  covered.  While  such  short‐term  monitoring schemes  do  not  allow  us  to  draw  firm  conclusions  on whether  or  not  house sparrows  have  shown  marked  reductions,  we  were  able  to  obtain  a  rough estimate of house sparrow density within the area. The number of birds/ha was estimated as 0.57 sparrows/ha which is comparable to those of other large cities, such  as  London  and  Hamburg,  which  have  well  documented  house  sparrow declines (0.1‐0.8 birds/ha) (Summers‐Smith 2000). Population sizes varied slightly over  the  years  but  a  preliminary  exploration  revealed  no  clear  association between population numbers and meteorological data (mean temperature of the preceding  summer  (June‐August),  winter  (December‐February)  and  spring (March‐May))  (see  table  2).  Figure  6  shows  the  spatial  distribution  of  house sparrow populations within the city center. Population sizes were larger along the edge of the city center although even  in these areas numbers were often much smaller  compared  to  those  of  suburban  or  rural  populations  (see  table  3)  and especially  in  the  innermost  and  southern  part  of  the  city  center  between‐population distances were largest. 

 

Table 2. Mean  temperature  (SE) of  the preceding  summer, winter  and  spring of each  census period (June). 

Year Temperature (°C) Year Temperature (°C) Year Temperature (°C) Year Temperature (°C)Summer 2004 22.23 (0.65)  Winter 2005 6.23 (0.79) Spring 2005 15.92 (1.16) June 2005 23.50 (2.50)

2005 22.53 (0.93) 2006 4.92 (0.57) 2006 13.77 (1.44) 2006 22.5 (0.86)2008 21.29 (0.52) 2009 4.83 (0.84) 2009 15.71 (1.01) 2009 22.25 (1.79)

Page 28: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

18 

Fig. 4. Example  landcover maps  for  two  locations per urbanization class  ‐  ’Urban’  (upper) and ’Suburban’ (lower). 

Page 29: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

19 

Fig. 4. Example landcover maps for two locations per urbanization class ‐ ‘Rural’.              

Page 30: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

20 

 Fig. 5. Sampling design used for Chapters 1‐2 (A) en Chapter 3‐5 (B). Inner contour encompasses Ghent  city  centre  and  outer  contour  encompasses  surrounding  municipalities.  Filled  circles represent urban populations, open circles suburban ones and filled triangles rural populations. Abbreviations refer to populations described in table 3.  

Page 31: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

21 

Fig. 6.  Survey of house  sparrow numbers within  the  city  center of Ghent performed on  June 2005  (left), 2006  (middle) and 2009  (right). The diameter of each point  is proportional  to  the number of house sparrows. Abbreviations refer to populations described in table 3.  

Page 32: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

22 

Table  3.  An  overview  of  all  study  plots,  their  abbreviation  used  throughout  this  thesis,  the designated urbanization class (U= urban, SU= suburban, R= rural), the approximated population size  (based upon observations while sampling),  the  type of data obtained  from each plot, and the respective chapter(s) in which they occur. 

OBJECTIVES AND THESIS OUTLINE The  ultimate  aim  of  this  thesis  is  to  broaden  our  current  knowledge  on 

phenotypic and genetic variation  in avian species along an urban‐rural gradient. Quantifying  such  variation  is a prerequisite  to understanding how and  to what extent  urbanization  affects  avifauna  and  how  organisms  respond  to  different environments (Blondel et al. 2006). I contrasted different methods and measures to explore how this variation along different urbanization classes is best captured. I selected house sparrows as a model organism as this species has a long tradition of  being  a  successful  urban  resident,  although  it  experienced  a  sudden  urban collapse several decades ago, and occupies the entire range of the urbanization gradient, i.e. they can be found in both sparsely populated rural areas as well as in densely populated and highly built‐up areas.  In addition,  the reported spatial variation in demography and presumed levels of stress (Vincent 2005, Shaw et al. 2008, Peach et al. 2008) offer a unique opportunity to investigate whether i) the 

Location Abbreviation Urbanization Population size Home range Ptilochronology DNAclass (individuals) Ch.1 Ch.1,2 Ch.2 Ch.3 Ch.3,4,5

Olmweg  OW R 30‐100Meirlare  DB R >100Eiland  EI R >100Kouterken  GB R >100Haagstraat  HS R >100Meienbroek  ME R >100Merendreesesteenweg  HY R >100Moerstraat  MS R >100Petendonckstraat  PD R 30‐100Poeckstraat  PS R 30‐100Ronselestraat  RS R >100Kruisstraat  VM R 30‐100Rostraat RO R 30‐100Schoordam  SD R 30‐100Frans De Mildedreef  FM SU >100Hoogmeers  DR SU >100Houtemlaan  HL SU >100Maaltebruggestraat  MB SU 30‐100Schipperke  SC SU 30‐100Staakskensstraat  SS SU >100Watersportbaan  WB SU >100Wondelgem  WO SU 30‐100Moerlandstraat  ML SU >100Papiermolenstraat PM SU >100Duifhuisstraat DU SU 30‐100Emile Braunplein  EB U <30Patershol  PH U 30‐100Visserij  VI U <30Spanjaardstraat  SP U 30‐100

FA

Page 33: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

23 

extent of daily movements are associated to  levels of urbanization and/or  levels of nutritional  stress,  ii) urbanization  covaries with phenotypic  characteristics of environmental  and  genetic  stress,  iii)  different  urbanization  classes  represent different genetic entities and  iv) populations along an urbanization gradient are characterized by  small‐scale  spatial  variation  in population  structure.To  answer these questions we integrated data on behavioral radio‐tracking (chapter 1) with morphological stress indicators (chapter 1‐3) and genetic markers (chapter 3‐5) in house sparrows sampled along an urbanization gradient. This thesis is essentially a  compilation  of  five  chapters  which  were  either  published  or  submitted  to various  journals.  Therefore,  to  some  extent  duplication  may  be  present throughout this thesis (genetic protocols, figures of the study sites, …) although I have tried to keep this to a minimum. Table 3 visualizes the complementary data sets collected from each location. 

In  Chapter  1  I  use  radio‐telemetry  to  explore  how  and  to what  extent home  range  sizes  vary  among  different  urbanization  classes.  I  subsequently combine  this  information with  high‐resolution maps  of  landcover  and  indirect estimates of body condition (obtained from ptilochronological data). In Chapter 2 I evaluate the utility of fluctuating asymmetry as a biomarker for environmental stress. Here, I perform a correlative study between an a priori defined nutritional stress  (Chapter 1) and  levels of developmental  instability.  In  addition,  I discuss potential  pitfalls  related  to  the  application  of  such  individual‐based  proxies  of stress. Analyses are conducted at  individual and population  level and replicated for  two  morphological  traits.  Chapter  3  highlights  the  association  between fluctuating asymmetry and genetic diversity. The heterzygosity hypothesis states that  high  levels  of  genomic  diversity  result  in  a  broader  range  of  biochemical substances  which  prohibit  developmental  pathways  over  a  wider  range  of conditions  from being distorted through random perturbations.  In this chapter  I assess whether there is local or genome‐wide evidence for such a hypothesis and whether  the  strength  of  association  is  related  to  the  level  of  urbanization.  In Chapter  4  I  investigate  the  genetic  population  structure  of  26  house  sparrow populations and explore how genetic variation is hierarchically partitioned among populations and regions. Chapter 5 describes the fine‐scale relatedness structure in both the urban and rural area. I therefore use simulated distributions of known relatedness  categories  to  estimate  proportions  of  close  kin  and  assess  the geographical variation  in kinship distributions.  In a  closing  (General Discussion) chapter,  I  integrate  the  results  presented  in  chapters  1‐5,  discuss  potential implications  for  the  conservation  of  house  sparrows,  and  highlight  topics  that need further investigation.  

Page 34: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

24 

REFERENCES Anderson  TR.  1994.  Breeding  biology  of  house  sparrows  in  northern  lower 

Michigan. Wilson Bulletin 106, 537‐548. 

Anderson TR. 2006. Biology of  the ubiquitous House Sparrow. Oxford University Press. 

Baker  PJ,  Bentley  AJ,  Ansell  RJ  and  Harris  S.  2005.  Impact  of  predation  by domestic cats Felis catus in an urban area. Mammal Review 35, 302‐312. 

Balmford A,  Jones  IL and Thomas ALR. 1993. On avian asymmetry  ‐ evidence of natural‐selection  for  symmetrical  tails and wings  in birds. Proceedings of the Royal Society of London Series B‐Biological Sciences 252, 245‐251. 

Balmori A. 2009. Electromagnetic pollution from phone masts. Effects on wildlife. Pathophysiology 16, 191‐199. 

Balmori A and Hallberg O. 2007. The urban decline of the house sparrow (Passer domesticus):  a  possible  link  with  electromagnetic  radiation. Electromagnetic Biology and Medicine 26, 141‐151. 

Bell CP, Baker SW, Parkes NG, Brooke MD and Chamberlain DE. 2010. The role of the  Eurasian  sparrowhawk  (Accipiter  nisus)  in  the  decline  of  the  house sparrow (Passer domesticus) in Britain. Auk 127, 411‐420. 

Beyers DW, Rice JA and Clements WH. 1999. Evaluating biological significance of chemical  exposure  to  fish  using  a  bioenergetics‐based  stressor‐response model. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Science 56, 823‐829. 

Bignal  K,  Ashmore M  and  Power  S.  2004.  The  ecological  effects  of  diffuse  air pollution  from  road  traffic.  English  Nature  Research  Report  580, Peterborough, UK. 

Birdlife  International.  2006.  Birds  in  Europe.  Available  from: http://www.birdlife.org/datazone/userfiles/file/Species/BirdsInEuropeII/BiE2004Sp8367.pdf 

Bjorksten TA, Fowler K and Pomiankowski A. 2000. What does sexual trait FA tell us about stress? Trends in Ecology & Evolution 15, 163‐166. 

Blondel J, Thomas DW, Charmantier A, Perret P, Bourgault P and Lambrechts MM. 2006. A thirty‐year study of phenotypic and genetic variation of blue tits in Mediterranean habitat mosaics. Bioscience 56, 661‐673. 

Page 35: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

25 

Blumstein DT and Daniel JC. 2005. The  loss of anti‐predator behaviour following isolation on islands. Proceedings of the Royal Society of London 272, 1663‐1668. 

Bower  S.  1999.  Breeding,  habitat  use  and  population  structure  of  a  house sparrow flock in Hamburg. Hamburger Avifauna Beitr. 30, 91‐128.  

Brodin  A.  1993.  Radio‐ptilochronology‐  tracing  radioactively  labeled  food  in feathers. Ornis Scandinavica 24, 167‐173. 

Chamberlain  DE,  Fuller  RJ,  Bunce  RGH,  Duckworth  JC  and  Shrubb  M.  2000. Changes  in  the abundance of  farmland birds  in  relation  to  the  timing of agricultural  intensification  in  England  and  Wales.  Journal  of  Applied Ecology 37, 771‐788. 

Chamberlain DE, Toms MP, Cleary‐Mcharg R and Banks AN. 2007. House Sparrow (Passer  domesticus)  habitat  use  in  urbanized  landscapes.  Journal  of Ornithology 148, 453‐462. 

Chace  JF  and  Walsh  JJ.  2006.  Urban  effects  on  native  avifauna:  a  review. Landscape and Urban Planning 74, 46‐69. 

Churcher  PB  and  Lawton  JH.  1987.  Predation  by  domestic  cats  in  an  English village. Journal of Zoology 212, 439‐455. 

Clarke  GM,  Brand  GW  and  Whitten  MJ.  1986.  Fluctuating  asymmetry  ‐  a technique  for  measuring  developmental  stress  caused  by  inbreeding. Australian Journal of Biological Sciences 39, 145‐153. 

Clarke GM  and McKenzie  LJ.  1992.  Fluctuating  asymmetry  as  a  quality‐control indicator  for  insect  mass  rearing  processes.  Journal  of  Economic Entomology 85, 2045‐2050. 

Clarke  GM.  1995.  Relationships  between  developmental  stability  and  fitness  ‐ application for conservation biology. Conservation Biology 9, 18‐24. 

Crick H, Robinson R, Appleton G, Clark N and Richard A. 2002.  Investigation  into the causes of the decline of Starlings and House Sparrows in Great‐Britain. BTO Report Number 290 (BTO/DEFRA). 

De Laet  J and Summers‐Smith  JD. 2007. The status of  the urban house sparrow Passer  domesticus  in  North‐Western  Europe:  a  review.  Journal  of Ornithology 148, S275‐S278. 

De Laet J. 2007. De status van de huismus (Passer domesticus) of de ene mus is de andere niet. ‘t Groene Waasland 151, 22‐26. 

Page 36: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

26 

Dott HEM  and Brown AW. 2000. A major decline  in house  sparrows  in  central Edinburgh. Scottish Birds 26, 61‐68. 

Ekman  J  and  Lilliendahl  KJ.  1993.  Using  priority  to  food  access:  fattening strategies  in  dominance‐structured  willow  tit  (Parus  montanus)  flocks. Behavioral Ecology 4, 232‐238.  

Errington  PL.  1946.  Predation  and  vertebrate  populations. Quarterly  Review  of Biology 21, 144‐177, 221‐245.  

Everaert  J and Bauwens D. 2007. A possible effect of electromagnetic  radiation from  mobile  phone  base  stations  on  the  number  of  breeding  house sparrows  (Passer  domesticus).  Electromagnetic Biology  and Medicine  26, 63‐72. 

Fiering  S, Whitelaw  E  and Martin  DIK.  2000.  To  be  or  not  to  be  active:  the stochastic nature of enhancer action. Bioessays 22, 381‐387. 

Frimer O. 1989.  Food  and predation  in  suburban  sparrowhawks Accipiter  nisus during  the  breeding  season. Dansk Ornithologisk  Forenings  Tidsskrift  83, 35‐44. 

Gilpin ME and Soule ME. 1986. Conservation biology, the science of scarcity and diversity. Sinauer Associates, Sunderland, Massachusetts. 

Graham JH, Raz S, Hel‐Or H and Nevo E. 2010. Fluctuating asymmetry: methods, theory and applications. Symmetry 2, 466‐540. 

Grime  JP.  1989.  The  stress  debate:  symptom  of  impeding  synthesis? Biological Journal of the Linnean Society 37, 3‐17. 

Grubb TC. 1989. Ptilochronology ‐ feather growth bars as indicators of nutritional status. Auk 106, 314‐320. 

Grubb TC and Cimprich DA. 1990. Supplementary  food  improves  the nutritional condition  of wintering woodland  birds  ‐  evidence  from  ptilochronology. Ornis Scandinavica 21, 277‐281. 

Grubb TC. 2006. Ptilochronology: feather time and the biology of birds. New York: Oxford University Press (Oxford Ornithological Series). 

Hedrick PW. 2001. Conservation genetics: where are we now? Trends  in Ecology and Evolution 16, 629‐636. 

Heij CJ.  1985. Comparative  ecology  of  the  house  sparrow  Passer  domesticus  in rural,  suburban  and  urban  situations.  PhD  thesis,  Vrije  Universiteit Amsterdam, Nederland. 

Page 37: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

27 

Hochachka  WM  and  Dhondt  AA.  2000.  Density‐dependent  decline  of  host abundance  resulting  from  a  new  infectious  disease.  Proceedings  of  the National Academy of  Sciences of  the United  States of America 97, 5303‐5306. 

Hole  GD.  2001.  The  population  ecology  and  ecological  genetics  of  the  house sparrow  Passer  doemsticus  on  farmland  in  Oxfordshire.  PhD  thesis, University of Oxford, UK.  

Hole  DG, Whittingham MJ,  Bradbury  RB,  et  al.  2002. Widespread  local  house sparrow  extinctions  ‐  agricultural  intensification  is  blamed  for  the plummeting populations of these birds. Nature 418, 931‐932. 

Hopton ME, Cameron GN, Cramer MJ, Polak M and Uetz GW. 2009. Live animal radiography  to measure developmental  instability  in populations of small mammals after a natural disaster. Ecological Indicators 9, 883‐891. 

Houston AI, McNamara JM and Hutchinson JMC. 1993. General results concerning the  trade‐off  between  gaining  energy  and  avoiding  predation. Philosophical  Transactions  of  the  Royal  Society  of  London  ‐  Biological Sciences 341, 375‐397.  

Jensen  H,  Bremset  EM,  Ringsby  TH  and  Saether  BE.  2007.  Multilocus heterozygosity  and  inbreeding  depression  in  an  insular  house  sparrow metapopulation. Molecular Ecology 16, 4066‐4078. 

Jovani  R,  Blas  J,  Navarro  C  and Mougeot  F.  2010.  Feather  growth  bands  and photoperiod. Journal of Avian Biology 42, 1‐4. 

Keller LF and Waller DM. 2002.  Inbreeding effects  in wild populations. Trends  in Ecology and Evolution 17, 230‐241. 

Knierim U, Van Dongen  S,  Forkman B,  Tuyttens  FAM,  Spinka M, Campo  JL  and Weissengruber  GE.  2007.  Fluctuating  asymmetry  as  an  animal  welfare indicator ‐ A review of methodology and validity. Physiology & Behavior 92, 398‐421. 

Kodric‐Brown  A.  1997.  Sexual  selection,  stabilizing  selection  and  fluctuating asymmetry  in  two  populations  of  pupfish  (Cyprinodon  pecosensis). Biological Journal of the Linnean Society 62, 553‐566. 

Kruszewicz  AG.  1991.  The  effect  of  Isospora  lacazei  on  the  development  of nestling  house  sparrow  (Passer  domesticus).  In  Nestling  mortality  of granivorous  birds  due  to  microorganisms  and  toxic  substances.  Eds. Pinowski Kavanaugh and Gorski, Polish Scientific Press, Warsaw. 

Page 38: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

28 

Lande R. 1988. Genetics and demography in biological conservation. Science 241, 1455‐1460. 

Leary RF and Allendorf FW. 1989. Fluctuating Asymmetry as an Indicator of Stress ‐  Implications  for Conservation Biology.  Trends  in  Ecology &  Evolution 4, 214‐217. 

Lens L, Van Dongen S, Kark S and Matthysen E. 2002. Fluctuating asymmetry as an indicator  of  fitness:  can we  bridge  the  gap  between  studies?  Biological Review 77, 27‐38. 

Lens  L and Eggermont H. 2008. Fluctuating asymmetry as a putative marker of human‐induced  stress  in  avian  conservation.  Bird  Conservation International 18, S125‐S143.  

Lensink R. 1997. Range expansion of raptors in Britain and the Netherlands since the 1960s:  testing an  individual‐based diffusion model.  Journal of Animal Ecology 66, 811‐826. 

Lima SL. 1986. Predation risk and unpredictable feeding conditions‐determinants of body mass in birds. Ecology 67, 377‐385.  

Lynch  M,  Connery  J  and  Bürger  R.  1995.  Mutation  accumulation  and  the extinction of small populations. American Naturalist, 146, 489‐518.  

Macleod R, Barnett P, Clark J and Cresswell W. 2006. Mass‐dependent predation risk as a mechanism for house sparrow declines? Biology Letters 2, 43‐46. 

Marzluff JM, Bowman R and Donnelly R. 2001. Avian Ecology and Conservation in an Urbanizing World. Kluwer Academic Publishers. 

McAdams HH and Arkin A. 1999.  It's a noisy business! Genetic regulation at the nanomolar scale. Trends in Genetics 15, 65‐69. 

Mitschke  A,  Rathje  H  and  Baumung  S.  2000.  House  sparrows  in  Hamburg: population habitat choice and threats. Hamburger Avifauna Beitr. 30, 129‐204. 

Moller  AP  and  Erritzoe  J.  2000.  Predation  against  birds  with  low immunocompetence. Oecologia 122, 500‐504. 

Moller  AP  and  Jennions MD.  2002.  How much  variance  can  be  explained  by ecologists and evolutionary biologists? Oecologia 132, 492‐500. 

Murphy  ME  and  King  JR.  1991.  Ptilochronology  ‐  a  critical  evaluation  of assumptions and utility. Auk 108, 695‐704. 

Page 39: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

29 

Newton I, Dale L and Rothery P. 1997. Apparent lack of impact of sparrowhawks on the breeding densities of some woodland songbirds. Bird Study 44, 129‐135. 

Opdam P. 1979. Feeding ecology of a sparrowhawk population  (Accipiter nisus). Ardea 66, 137‐155. 

Palmer AR and Strobeck C. 1986. Fluctuating asymmetry ‐ measurement, analysis, patterns. Annual Review of Ecology and Systematics 17, 391‐421. 

Palmer  AR.  1994.  Fluctuating  asymmetry:  a  primer.  In:  T.  Markow  (Ed.), Developmental  instability‐Its  origins  and  evolutionary  implications. Dordrecht Kluwer Academic Publishers. 

Palmer AR. 1996. Waltzing with asymmetry. Bioscience 46, 518‐532. 

Paradis E, Baillie SR, Sutherland WJ and Gregory RD. 1998. Patterns of natal and breeding  dispersal  in breeding  birds.  Journal  of Animal  Ecology  67,  518‐536. 

Peach WJ,  Vincent  KE,  Fowler  JA  and Grice  PV.  2008.  Reproductive  success  of house sparrows along an urban gradient. Animal Conservation 11, 493‐503. 

Polak  M.  2003.  Developmental  Instability:  Causes  and  Consequences.  Oxford University Press, Oxford. 

Reed  DH  and  Frankham  R.  2003.  Correlation  between  fitness  and  genetic diversity. Conservation Biology 17, 230‐237. 

Reed DH. 2009. When it comes to inbreeding: slower is better. Molecular Ecology 18, 4521‐4522. 

Riddle O. 1908. The genesis of fault‐bars in feathers and the cause of alternation of light and dark fundamental bars. Biological Bulletin 14, 328‐370. 

Robinson RA, Siriwardena GM and Crick HQP. 2005. Size and trends of the house sparrow Passer domesticus population in Great Britain. Ibis 147, 552‐562. 

Rowe  G  and  Beebee  TJC.  2003.  Population  on  the  verge  of  a  mutational meltdown?  Fitness  costs  of  genetic  load  for  an  amphibian  in  the  wild. Evolution 57, 177‐181. 

Sanderson  RF.  1996.  Autumn  Bird  Counts  in  Kensington  Gardens.  London  Bird Report. Report Number 60. 

Shaw  LM,  Chamberlain  D  and  Evans  M.  2008.  The  house  sparrow  Passer domesticus in urban areas: reviewing a possible link between post‐decline 

Page 40: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

30 

distribution and human socioeconomic status. Journal of Ornithology 149, 293‐299. 

Smith NM, Keller  LF, Marr AB and Arcese P. 2006. Conservation and biology of small  populations.  The  song  sparrows  of  Mandarte  Island.  Oxford University Press.  

Spielman D, Brook BW  and  Frankham R. 2004. Most  species  are not driven  to extinction before genetic factors impact them. Proceedings of the  National Academy of Sciences 101, 15261‐15264. 

Steadman  DW.  2006.  Extinction  and  biogeography  of  tropical  Pacific  birds. University of Chicago Press, Chicago Illinois. 

Summers‐Smith JD. 1963. The House Sparrow. Collins, London. 

Summers‐Smith  JD.  1988.  The  Sparrows:  a  study  of  the  genus  Passer.  T &  AD Poyser. 

Summers‐Smith JD. 2000. Decline of house sparrows in large towns. British Birds 96, 256‐257. 

Summers‐Smith  JD.  2003.  The  decline  of  the  house  sparrow:  a  review.  British Birds 96, 439‐446. 

Thomson DL, Green RE, Gregory RD and Baillie SR. 1998. The widespread declines of songbirds in rural Britain do not correlate with the spread of their avian predators. Proceedings of the Royal Society of London 265, 2057‐2062. 

Tinbergen L. 1946. The sparrowhawk (Accipiter nisus L.) as a predator of Passerine birds. Ardea 34, 1‐213. 

Van  Dongen  S.  1999.  Accuracy  and  power  in  fluctuating  asymmetry  studies: effects  of  sample  size  and  number  of within‐subject  repeats.  Journal  of Evolutionary Biology 12, 547‐550. 

Vincent  K.  2005.  Investigating  the  causes  of  the  decline  of  the  urban  house sparrow Passer domesticus population  in Britain. PhD thesis, De Montfort University, UK. 

VLAVICO 1989. Vogels in Vlaanderen. Voorkomen en verspreiding. I.M.P., Bornem. 

Wang  J.  2005.  Estimation  of  effective  population  sizes  from  data  on  genetic markers.  Philosophical  Transactions  of  the  Royal  Society  ‐  Biological Sciences 360, 1395‐1409. 

Page 41: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General introduction 

31 

Wilkinson  N.  2006.  Factors  influencing  the  small‐scale  distribution  of  house sparrows Passer domesticus in a suburban environment. Bird Study 53, 39‐46. 

Woods M, McDonald  RA  and  Harris  S.  2003.  Predation  by  domestic  cats  Felis catus in Great Britain. Mammal Review 33, 174. 

 

 

Page 42: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen
Page 43: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

33 

Chapter 1 

Constraints  on  home  range  behaviour  affect  nutritional condition in urban house sparrows (Passer domesticus) 

 

Carl VANGESTEL, Bart P. BRAECKMAN, Hans MATHEVE, and Luc LENS 

 

Biological Journal of the Linnean Society (2010) 101: 41–50 

 

 

©Chantal Deschepper 

 

   

Page 44: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

34 

ABSTRACT In human‐dominated  landscapes,  (semi)natural habitats are  typically embedded in tracts of unsuitable habitat. Under such conditions, habitat characteristics and grain size of the surrounding  landscape may affect how much food, and at what cost,  is available  for sedentary species with  low home range plasticity. Here we combine  behavioural  radio‐tracking,  feather  ptilochronology  and  landscape analysis to test how nutritional condition varies with home range size in 13 house sparrow  [Passer  domesticus  (Linnaeus,  1758)]  populations  along  an  urban gradient. Urban individuals occupied smaller home ranges than conspecifics from rural areas, most distinctly if key cover was highly scattered. In urban plots, patch connectivity,  home  range  sizes  and  activity  areas  were  positively  correlated, indicating that individual ranging behaviour was related to the spatial distribution of  suitable  habitat.  Urban  house  sparrows  also  showed  the  smallest  feather growth bars, which were positively  related  to home  range  size at plot  level.  In contrast, growth bar widths and home range sizes were negatively related in rural populations, while  in  suburban  ones,  both  variables  varied  independently. We conclude  that  individuals  from  progressively  more  built‐up  areas  show  a restricted  ability  to  adjust  their  daily  ranging  behaviour  to  the  scattered distribution of critical resources. This may complement other putative causes of the widespread population decline of urban house sparrows.  

INTRODUCTION  In  human‐dominated  landscapes,  patches  of  natural  or  semi‐natural 

habitat are typically embedded in tracts of unsuitable habitat. Depending on the quality and area of these patches and the grain size of the surrounding landscape, individuals  of  habitat‐restricted  species may move  frequently  among  spatially isolated habitat patches (patchy populations sensu Harrison, 1991; Ovaskainen & Hanski,  2004)  or  populations  may  become  spatially‐dissected  and  show characteristics  of  a  metapopulation  structure  (Hanski  &  Gilpin,  1991;  Hanski, 1999).  Habitat  fragmentation,  which  is  ultimately  driving  these  population processes, is considered a key pressure on biodiversity (e.g. Vitousek et al., 1997; Eriksson & Ehrlén, 2001) often in synergy with other human‐driven effects such as climate change (Travis, 2003; Opdam & Wascher, 2004). Species may respond to habitat  fragmentation  by  genetic  or  physiological  adaptations,  or  by  adapting their  ranging  behaviour  to  the  distribution  of  critical  resources  (Opdam  & Wascher,  2004).  Both  on  theoretical  and  empirical  grounds,  more  sedentary species  (With,  Gardner  &  Turner,  1997;  Sekercioglu,  Daily  &  Ehrlich,  2004; Murgui, 2009) are expected to be most affected by shifts in resource distribution. For  instance,  non‐vagile  behaviour  and  reluctance  to  cross  habitat  gaps  are considered prime reasons why neotropical insectivorous birds (Sekercioglu et al., 

Page 45: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Constraints on home  range  behaviour affect nutritional condition 

35 

2004)  and  British  butterflies  (Thomas,  2000;  Warren  et  al.,  2001)  are  most extinction‐prone in human‐altered landscapes.  

Intense human activity  in  strongly urbanized  landscapes  typically  creates fine‐grained  and  highly‐complex  mosaics  of  semi‐natural  and  built‐up  areas (Rebele,  1994;  Blair,  2004).  In  Europe,  such  landscape  mosaics  traditionally constituted population strongholds for urban species such as the house sparrow [Passer domesticus  (Linnaeus, 1758)], which,  in contrast  to many other species, was  long assumed to respond positively, rather than negatively, to urban sprawl (Earle,  1988).  During  the  last  decades,  however,  urban  house  sparrows  have shown  steep population declines  for  reasons  that  are not  yet  fully understood (Tucker  &  Heath,  2004;  Balmori  &  Hallberg,  2007).  Rural  populations,  too, declined precipitously in much of Europe (Gregory & Baillie, 1998; Fuller, Tratalos &  Gaston,  2009),  however,  urban  ones  have  not  yet  shown  recent  signs  of recovery  (De  Laet &  Summers‐Smith,  2007)  and  inverse  relationships  between the degree of urbanization and individual body mass, size and condition (e.g. Liker et al., 2008) support the believe that urban areas currently constitute a stressful environment  for  this  species.  Because  house  sparrows  rank  among  the most sedentary  species of birds  (Heij & Moeliker, 1990; Hole et al., 2002; Anderson, 2006),  it  can  be  hypothesized  that  low  plasticity  in  home  range  behaviour prevents  individuals  from  adaptively  responding  to  rapid  changes  in  the distribution  of  critical  resources  in  urban  areas,  which  may  lead  to  reduced nutritional condition in areas with strongly scattered resources. Home ranges, i.e. the area with a defined probability of occurrence of an individual during a specific period of  time  (Millspaugh & Marzluff, 2001), determine how many and which individuals have access  to  limited  resources and, as  such, are positioned at  the interplay  between  individual  energetic  demands  and  the  spatial  distribution  of such resources (McNab, 1963; Mitchell & Powell, 2004).  

Here we  test  if,  to what  extent,  and  in which  direction  body  condition varies with home  range  size  in 13 Belgian house  sparrow populations along an urban  gradient,  by  tracking  individuals  equipped  with  light‐weight  radio‐transmitters and   measuring alternating dark and  light growth‐bars on  individual tail feathers (ptilochronology sensu Grubb, 1995). Relationships between the size and structure of home  ranges and estimates of body condition reflect whether, and  to what  extent,  individuals  can  adjust  their daily  ranging behaviour  to  the distribution  of  critical  resources,  i.e.  to minimize  energetic  or  predation  costs associated  with  movements  across  a  hostile  matrix  (McNab,  1963;  Relyea, Lawrence  &  Demarais,  2000;  Bruun  &  Smith,  2003; Mitchel  &  Powel,  2004).  

Page 46: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

36 

Estimates  of  daily  feather  growth  rate  obtained  from  ptilochronological measurements  offer  a  powerful  tool  for  assessing  the  body  condition  of  free‐ranging birds (Grubb & Cimprich, 1990; Carbonell, Perez‐Tris & Telleria, 2003; Hay et al., 2004). The method  is based on the assumptions that each pair of growth bars constitutes a 24‐hour period of  feather growth, that narrower growth bars reflect  periods  of  poor  nutrition,  and  that  any  change  in  nutritional  status  is indicated in the width of the growth bars (Grubb, 1995).  

MATERIAL AND METHODS 

Study design 

House sparrows were studied in urban and adjacent suburban areas of the city of Ghent, Belgium (156 km²; 237.000 inhabitants of which 82.584 within the 7.64 km² city centre) and in a rural area near the village of Zomergem (38.8 km²; 8.150 inhabitants) ca. 12 km NW of Ghent (figure 1.1). The ratio of built‐up area to  total  area  of  grid  cells  in  a GIS model  (each  grid  cell measuring  90000 m² on  the ground)  in Ghent and Zomergem  ranged between 0‐0.10  (henceforward referred to as ‘rural’), 0.11‐0.30 (‘suburban’) and larger than 0.30 (‘urban’) (Arcgis ver. 9.2). By applying a stratified randomized design, we selected four 50 ha rural plots, five 50 ha suburban plots (adjacent eastern and northern populations were omitted  for  logistic  reasons) and  four 50 ha urban plots  in which all patches of suitable  habitat  were  digitized  by  a  combination  of  high  resolution  aerial photographs and ground truthing (see Appendix 1.1 for a detailed description of the different study plots). 

Radio­telemetry 

Radio‐telemetry was carried out  from October  to December during  three consecutive years (2004‐2006). A total of 26 females and 23 males were tracked, distributed as follows: 2004: 8 females, 8 males; 2005: 8 females, 6 males; 2006: 10  females,  9 males  (table  1.1).  Six  tagged  birds were  replaced  during  radio‐tracking, three of which were killed by Sparrowhawks [Accipiter nisus  (Linnaeus, 1758)]  and  three  others  carrying  a  failing  transmitter.  House  sparrows  were caught  using  mistnets  operated  during  daytime,  standard  measurements  and blood  samples were  taken and one adult  female and one adult male per  study plot  were  equipped  with  a  light‐weight  Pip‐3  radio‐transmitter  (Biotrack,  UK) glued on a harness (Rappole & Tipton, 1991). The combined weight of transmitter and harness did not exceed 3% of the minimum body mass measured across all  

Page 47: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Constraints on home  range  behaviour affect nutritional condition 

37 

 Fig.  1.1.  Spatial  location  of  urban  (filled  circles),  suburban  (open  circles)  and  rural  (filled triangles)  study  plots  within  and  near  the  city  of  Ghent  (Belgium).  The  inner  contour encompasses  the  city  centre  of  Ghent,  the  outer  contour  encompasses  surrounding municipalities, the dashed line encompasses suburban area of equivalent size as the city centre. Vi=Visserij,  Sp=Spanjaardstraat,  Em=Emile  Braunplein,  Ph=Patershol,  Du=Duifhuisstraat, Wa=Watersportbaan,  Ho=Houtemlaan,  Pm=Papiermolenstraat,  Pe=Petendockstraat,  Ei=Eiland, Ro=Rostraat, Ha=Haagstraat, Fm=Frans De Milde Dreef. Suitable habitat  (grey  shading),  radio‐telemetric point fixes (black dots), OEC range (dashed line) and SIP range (solid line) are shown for a  single  individual  (upper  left box). See  text  for details. Abbreviations  refer  to populations described in table 3 (Introduction).   

Page 48: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

38 

populations.  After  release,  each  tagged  individual  was  allowed  24  hours  of habituation  before  radio‐tracking  started with  TR4  receivers  (Telonics, Arizona, USA)  and  three‐element  Yagi  antennas.  Prior  to  the  start  of  this  study,  13 individuals  had  been  captured,  tagged with  the  same  type  of  transmitter  and tracked  at  15  minute  intervals  to  determine  the  minimal  sampling  interval between  two  independent  point  fixes  (Swihart  &  Slade,  1985).  Based  on  the Schoener’s ratio (r²/t²) (Schoener, 1981) calculated in RANGES 8 (Kenward et al., 2008),  time‐to‐independence was  conservatively  estimated  at 90 min,  and  this interval was  retained during  this  study.  Individuals were  tracked during 41 ± 9 (SD)  days  on  average,  and  a  total  of  1926  point  fixes were  recorded, with  an average  of  40  ±  5  (SD)  fixes  per  individual.  All  fixes  were  plotted  on  a  high resolution, digital map of the study area. To assess the minimum number of point fixes  required  to obtain accurate home  range estimates,  incremental area plots were  drawn  for  each  individual.  As  all  home  ranges  contained more  than  the threshold value of 20 point fixes required to reach a stable size, all were retained in subsequent statistical analysis.  

 

Table  1.1.  Home  range  estimates  of  49  radio‐tagged  house  sparrows  sampled  in  urban, suburban and rural areas near Ghent, Belgium (see text for details). Patch connectivity (PPI) and nutritional stress (growth bar size) are given for each study plot.  

 

Home range estimates 

We conducted a  telemetric pilot  study  (see above)  to  select home  range models (reviewed by Worton, 1989) that best fit the ecology of house sparrows. Since  individuals  largely  restricted  their movements within a  limited number of disjunct  locations,  resulting  in discrete clumps of point  fixes, we applied cluster analysis with nearest‐neighbour distances  in RANGES 8 (Kenward et al., 2008) to 

PPI Growth bar size (mm)Study plot Nfemales Nmales Mean±SD Range Mean±SD Range Mean±SD Mean±SDUrban    Emile Braunplein 2 2 0.0039±0.0078    0.0032‐0.0049 0.58 ±0.75 0.037‐1.63 28.01±7.52 16.26±0.37    Patershol 3 2 0.091 ±0.043 0.053‐0.13 0.86 ±0.56 0.43 ‐ 1.64 76.63±12.76 16.93±0.18    Spanjaardstraat 2 2 0.030 ±0.038 0.0034‐0.086 0.29 ±0.28 0.060‐0.67 75.23±14.64         NA    Visserij 2 1 0.013 ±0.0011    0.012‐0.014 0.11 ±0.029 0.078‐0.14 77.88±16.48 16.59±0.026Suburban

    Frans De Mildedreef 1 1 0.099 ±0.041 0.070‐0.13 0.39 ±0.019 0.38‐0.40 115.85±29.07 16.88±0.15    Houtemlaan 2 2 0.10  ±0.19 0.0041‐0.39 0.73 ±1.24 0.62‐2.59 156.39±46.31 17.02±0.35    Duifhuisstraat 2 2 0.032±0.046 0.0046‐0.10 0.29 ±0.11 0.19‐0.42 130.58±3.88 16.82±0.10    Papiermolenstraat 2 2 0.032±0.027 0.0053‐0.059 0.32 ±0.29 0.028‐0.71 106.33±10.07 17.16±0.54    Watersportbaan 2 2 0.35 ±0.53 0.012‐1.13 2.38 ±3.75 0.30‐7.99 152.44±13.85 16.80±0.25Rural    Petendonckstraat 2 1 0.22 ±0.24 0.036‐0.49 1.17 ±1.48 0.13‐2.86 91.13±27.96 16.71±0.25    Eiland 2 2 0.10 ±0.056 0.046‐0.18 1.24 ±0.72 0.80‐2.32 105.81±49.38 16.69±0.12    Haagstraat 3 1 0.052±0.046 0.018‐0.10 0.77 ±0.21 0.53‐0.90 68.46±2.20 16.66±0.24    Rostraat 2 2 0.036±0.031 0.015‐0.081 0.70 ±0.21 0.42‐0.93 68.88±4.78 17.02±0.16

OEC (ha) SIP (ha)

Page 49: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Constraints on home  range  behaviour affect nutritional condition 

39 

estimate  objective  multinuclear  outlier‐exclusive  core  areas  (OEC)  for  each individual (rationale and details in Kenward et al., 2001). OEC values quantify the amount of habitat effectively used by  the  individuals during  radio‐tracking, and several  authors  recommended  to  focus  on  the  central  part  of  home  ranges  in comparative  studies   as outer contours are based on  fewer data and  therefore more  strongly  affected  by  single  outliers  (Seaman  et  al.,  1999).  Next,  we calculated single inclusive polygons (SIP) encompassing all OEC clusters. A habitat preference analysis performed in RANGES 8 (Kenward et al., 2008) indicated that 74.8%  of  all  radio‐telemetric  observations  of  house  sparrows  fell  within  the habitat  categories  “hedge”  and  “dense  bush”  (see  Summers‐Smith,  1963; Wilkinson, 2006 for similar findings on habitat preference) compared to only 2.6% within  “urban  park”  and  “lawn”  (two  other  habitat  types  that  are  considered important for house sparrows; Chamberlain et al., 2007; Murgui, 2009) (Appendix 1.1). To estimate the total area of preferred habitat within each plot as a function of patch size and distance from the home range, we therefore summed the total area  of  “hedges”  and  “dense  bushes”  within  a  radius  of  300  m  around  the centroid of each home range (value based on the size of the largest home range) 

and  calculated  a  distance‐weighted,  area‐based  isolation metric  ∑   , with 

i=1,...n  suitable  habitat  patches,  Ai  =  area  of  suitable  habitat  patchi  and  Di  = nearest neighbour distancei (PPI, patch proximity index sensu Bender, Tischendorf & Fahrig, 2003).   

Ptilochronology 

Individual nutritional condition of 206 house  sparrows was  inferred  from high‐resolution measurement of a standardized number of growth bars on their left and right fifth rectrices (counting outward) that were plucked upon capture. Assumptions underlying the technique of ptilochronology (Grubb, 1989) are that each pair of growth bars denotes a 24 hour time  interval and that healthy birds grow their feathers faster and hence show larger growth bars. Growth bar width is  therefore  believed  to  reflect  the  daily  nutritional  regime  a  bird  experienced while  growing  its  feather  (Grubb,  1989;  1995)  and  can  be  used  as  a  proxy  of nutritional  condition.  Because  ptilochronology  provides  a  measure  of  body condition  spanning  a  number  of  days,  it  eliminates  the  problem  of  condition varying  with  time  of  day,  as  occurs  with  body  mass  (Gosler,  1996).  Causal relationships between access to food resources during feather development and ptilochronological  feather marks have been  supported by  controlled  laboratory and  field  experiments  in  a wide  suite  of  bird  species  (Grubb,  1989;  Grubb  & Cimprich, 1990; but see Murphy & King, 1991). After collection, each rectrix was 

Page 50: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

40 

pinned on a separate white card and  the  total  feather  length was measured  to the nearest 0.01 mm with a digital calliper. Next, we marked each  feather at a distance of 7/10 from  its proximal end, and subsequently marked the proximate and distal ends of  five consecutive growth bars with an ultrafine mounting pin. Each marked  card was  then  scanned  (Océ OP1130)  and  growth bar  sizes were automatically measured with image analysis software (KS400 Zeiss). Analysis of a subsample  of  108  feathers  showed  high  statistical  repeatability  between  two independent  measurements  of  the  same  rectrix  (r=0.94,  p=0.0001).  To  avoid biases  in  flight  performance  (hence  home  range  behaviour)  by  plucking  tail feathers  of  radio‐tagged  individuals,  nutritional  condition  was  estimated  from growth bars collected on 9 ± 1 (SE) individuals of the same age and sex that were caught  at  the  same  location  during  the  same  season  as  the  tagged  individual. Growth  bar widths  of  individuals within  each  of  these  clusters were  strongly, positively correlated (Intraclass correlation coefficient = 0.2; p<0.001). As growth bar widths of original and regrown feathers from the same follicle were positively correlated in a pilot study on 15 individuals (r=0.63, p=0.01), original rather than induced feathers were measured in order to increase sample sizes.  

Statistical analysis 

We used a non‐parametric exact  sign  test  to  compare home  range  sizes between males and females tracked in the same plot during the same month, and a Benard‐van Elteren  test  (Benard & van Elteren, 1953)  to quantify year effects using  study  plot  as  a  block.  Heterogeneity  in  average  PPI  among  urbanization classes was tested with an ordered heterogeneity test  (Rice & Gaines, 1994). At the  individual  level, effects of urbanization on relationships between OEC values and estimates of nutritional condition were examined with general  linear mixed models,  including  sex  and  year  as  fixed  covariates  and  applying  a  sequential stepwise  backward  procedure  to  select  final models  that  contained  significant effects  only.  General  linear  mixed  models  were  used  to  assess  relationships between individual home range size and urbanization, SIP and PPI, respectively. A similar  approach  was  used  to  analyse  effects  of  urbanization  on  nutritional condition, with tarsus length included as co‐variable to correct for body size. Plot was modelled as a random variable to avoid pseudoreplication (Hurlbert, 1984). Random effects were tested with likelihood ratio tests (Verbeke & Molenberghs, 2000), while fixed effects were tested with traditional F‐tests, correcting degrees of  freedom  for  statistical  dependence  by  Satterthwaite  formulas  (Littell  et  al., 1996). Significance values of post hoc comparisons were adjusted using a  step‐down  Bonferroni  correction  (Holm,  1979).  Prior  to  analysis,  home  range  areas 

Page 51: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Constraints on home  range  behaviour affect nutritional condition 

41 

were natural  log transformed. All statistical analyses were performed  in Statxact 5  (Cytel  Software Corporation, 2001) and  SAS  (version 9.2.,  SAS  Institute 2008, Cary, NC, USA). 

RESULTS Hedges  and  dense  bushes were most  strongly  scattered  in  urban  plots, 

intermediately scattered  in rural plots and most strongly connected  in suburban plots (Pcrs=0.9975, k=3, p=0.001). Home range estimates ranged between 0.0032 ‐ 0.49 ha (OEC) and 0.028‐2.86 ha (SIP), respectively (table 1.1). SIP ranges did not significantly  differ  between  sexes  (SN=11,  p=0.83)  nor  between  years  (χ²=3.5, df=2,  p=0.17). OEC  ranges  differed  between  sexes  (SN=4,  p=0.0062)  and  years (χ²=10.2, df=2, p=0.0061), with larger values in males than in females. SIP ranges (corrected  for  year  and  sex  effects  where  relevant)  did  not  significantly  vary among plots in urban, suburban and rural areas. OEC ranges did not vary among plots in suburban and rural areas either (all p>0.05), however, they did so among urban plots (χ²=17.3, df=1, p=0.001).  

Home  range  sizes  differed  significantly  between  urban  classes  (SIP F2,12.3=6.38,  p=0.013;  OEC  F2,45=4.46,  p=0.017).  Rural  home  ranges  were significantly  larger  than urban ones  (SIP  t45=2.97, Bonferroni corrected p=0.015; OEC  t12.2=3.57,  Bonferroni  corrected  p=0.011),  while  urban‐suburban  home ranges  (SIP  t45=1.21,  p=0.23; OEC  t10.8=1.58,  p=0.14)  and  suburban‐rural  home ranges  (SIP  t45=1.88,  p=0.066; OEC  t16.5=2.01,  p=0.061)  did  not mutually  differ. OEC  ranges  were  positively  correlated  with  SIP  ranges  in  urban  (F1,39=23.4, p<0.001) and suburban  (F1,39=31.81, p<0.001) populations, but not  in  rural ones (F1,39=0.8,  p=0.38).  In  urban  populations,  OEC  ranges  increased  as  patches  of hedges  and  dense  bushes  became more  scattered  (F1,18=4.47,  p=0.048)  (figure 1.2), but this relationship was not significant in suburban (F1,38.9=1.36, p=0.25) and rural  populations  (F1,40.7=0.86,  p=0.36).  After  correction  for  body  size,  mean growth  bar  widths  significantly  differed  between  urban  (16.52  ±  0.12mm), suburban  (16.98  ±  0.088mm)  and  rural  populations  (16.77  ±  0.10mm) (F2,6.68=4.87,  p=0.049).  Individuals  from  urban  populations  showed  significantly smaller  growth bars  compared  to  those  from  suburban populations  (t8.27=3.09, Bonferroni  corrected p=0.042), while other pairwise comparisons did not  reach statistical  significance.  After  correction  for  year  and  sex  effects  (all  p>0.05), relationships  between OEC  ranges  and  growth  bar widths  differed  significantly between  urban,  suburban  and  rural  populations  (F2,  20.3=5.84  ,  p=0.0099).  

Page 52: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

42 

 Fig. 1.2. Association between patch connectivity and individual home range size in urban house sparrows. 

Fig. 1.3. Relationship between  individual home  range  size and body  condition  in urban  (filled circles,  solid  line),  suburban  (open  circles,  short‐dashed  line)  and  rural  (filled  triangles,  long‐dashed  line)  populations  of  house  sparrows  within  and  near  the  city  of  Ghent  (Belgium). Ptilochronological data were not available for some birds (see text for details).   

Page 53: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Constraints on home  range  behaviour affect nutritional condition 

43 

Relationships  were  positive  in  urban  populations  (F1,7.43  =  10.18,  p  =  0.014), negative in rural populations (F1,27=4.34, p=0.047) , and not significantly related in suburban  ones  (F1,28  =  1.37,  p  =  0.25)  (figure  1.3).  Since  OEC  ranges  were independent of body size (F1,43=1.07, p=0.31), relationships with growth bar width were not confounded by variation in body size. 

DISCUSSION   Urban  house  sparrows  occupied  significantly  smaller  home  ranges  than 

conspecifics from rural areas, most distinctly in urban plots with highly scattered and  isolated  patches  of  key  cover  habitat.  In  urban  plots,  levels  of  patch connectivity and the size of the ranging and activity areas of radio‐tagged house sparrows were  all  positively  correlated,  indicating  that  their  ranging  behaviour was related to the spatial distribution of suitable habitat. Urban house sparrows also showed the smallest growth bars in their tail feathers, which were positively related to estimates of home range size. In contrast, growth bar widths and home range  sizes were  negatively  related  in  rural  house  sparrow, while  in  suburban populations, both variables varied independently of each other.  

Based on experimental evidence  that growth bars  in bird  feathers  reflect nutritional  condition  during  feather  growth  (Grubb,  1989;  Grubb  &  Cimprich, 1990),  results  of  this  study  imply  that  urban  house  sparrows  experience nutritional stress when hedges and dense bushes become progressively scattered and  isolated.  In  urban  areas,  distances  between  key  cover  habitat  were significantly  larger  (this  study),  and  mean  flock  sizes  significantly  smaller  (C. Vangestel, unpubl.data)  than  in suburban areas, and both  factors are known  to increase individual predation risk (Lima, 1987; Kleindorfer, Sulloway & O'Connor, 2009). Although we did not systematically quantify predation risk in this study, a total of six house sparrows were killed by Sparrowhawks (Accipiter nissus) when moving  among  feeding  sites,  while  several  other  unsuccessful  attacks  were observed (C. Vangestel, unpubl. data). Suitable cover against aerial (and possibly ground) predators  is hence  likely  to offer direct  fitness benefits  in urban house sparrows, similar to what is observed in species of more natural habitats (Lima & Dill,  1990;  Zollner  &  Lima,  2005;  Amo,  Lopez  & Martin,  2007).  Indirectly,  the presence of suitable cover habitat has been shown to  increase feeding time and feeding efficiency in trade‐off with vigilance in house sparrows and other species (Lima, 1987; Whitfield, 2003; Barta, Liker & Monus, 2004). Such mechanism may underlie  the  positive  relationship  between  body  condition  and  availability  of hedges  and dense bushes which,  themselves,  are not particularly  food‐rich  for 

Page 54: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

44 

seed‐eaters. House sparrows from rural and suburban populations were in better nutritional  condition  than  urban  individuals,  likely  because  of  the  stronger clustering of suitable habitat patches and/or lower costs of moving among them. 

Apart from body condition per se, the distribution of critical resources such as suitable cover may also affect individual ranging behaviour and the strength or direction of relationships between home range size and body condition (Relyea et al., 2000; Dussault et al., 2005). In rural populations, body condition was inversely related to home range size, which is expected if individuals inhabiting high quality areas try to minimize the size of their home ranges to make them more economic or  safer  to  patrol  (McNab,  1963;  Relyea  et  al.,  2000;  Bruun  &  Smith,  2003; Mitchel &  Powel,  2004).  In  urban  populations,  however,  the  strong  scatter  of suitable habitat patches most  likely hampered such adaptive ranging behaviour, resulting  in positive, rather than negative, relationships between body condition and home range size. Further (indirect) evidence for spatial constraints on ranging behaviour  stemmed  from  the  high  level  of  variability  in  activity  range  among urban plots (hence high correlation in home range size at plot level), as opposed to suburban and rural plots. Likewise, Canadian Moose (Alces alces) consistently occupied smaller, not  larger, home ranges when  food was restricted and of  low quality during winter  (Dussault et al., 2005), presumably because  their mobility was temporarily constrained by deep snow. In areas with more modest snow fall, moose occupied  larger winter home  ranges as predicted  from optimal  foraging theory (Lynch & Morgantini, 1984; Tella et al., 1998; Whitaker et al., 2007).  

In  suburban  areas, where hedges  and dense bushes were most  strongly aggregated,  body  condition  was  independent  of  home  range  size.  Under favourable ambient conditions, body condition may vary  independently of home range  size  for  two  (non‐exclusive)  reasons.  First,  home  range  sizes  may  not primarily  be  driven  by  nutritional  requirements  but mainly  reflect  interspecific (e.g. predator avoidance) and/or  intraspecific  (e.g.  flocking behaviour, territorial defence)  interactions  (Dussault et al., 2005). Second,  if home  ranges are  small, energetic costs derived from patrolling or feeding movements are likely to be low as well, and proxies of condition that are based on energetic constraints, such as developmental  rate  (ptilochronology,  this  study)  or  developmental  precision (fluctuating  asymmetry;  Lens  &  Van  Dongen,  2002)  are  generally  buffered  in absence of  (strong) energetic stress  (Lens & Eggermont, 2008). Likewise,  in  two studies  that  studied  effects  of  dominance  status  on  feather  growth  rates  in passerines  (Grubb,  1989;  Carrascal  et  al.,  1998),  differences  in  feather  growth 

Page 55: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Constraints on home  range  behaviour affect nutritional condition 

45 

only occurred during harsh periods but not when food was supplemented or the climate was milder. 

In highly‐sedentary species such as the house sparrow, small‐scale changes in  the distribution of critical  resources such as key cover habitat  (this paper) or protein‐rich  invertebrate  food during early nestling  stages  (Peach  et al., 2008), may complement other putative causes of urban population decline, such as loss of connectivity between traditional population sources and population sinks (Hole et al., 2002), increased predation risk by domestic predators (Shaw, Chamberlain & Evans, 2008), the deteriorating effects of vehicle emissions (Bignal, Ashmore & Power, 2004) or electromagnetic pollution from mobile phone masts (Balmori & Hallberg, 2007; Everaert & Bauwens, 2007; Balmori, 2009). High resolution data on ranging behaviour and body condition, as presented in this study, may help to understand  the  underlying  causes  of  population  declines  in  species  that  are subject  to  such multiple and  synergistic  stressors of natural and anthropogenic origin,  and  to  plan  actions  that may  slow  down  and  eventually  reverse  such declines.  

ACKNOWLEDGEMENTS We are grateful to S. S. Walls, B. Cresswell and two anonymous reviewers 

for providing helpful  comments  that greatly  improved  the manuscript. We also wish to thank D. Ojeda De Vicente, J. Tavara Neves, M. De Vos and S. Boitsois for field  assistance.  This  study  was  financially  supported  by  research  project 01J01808 of Ghent University to LL. 

REFERENCES Amo L, Lopez P, Martin  J. 2007. Habitat deterioration affects body condition of 

lizards: A behavioral approach with Iberolacerta cyreni lizards inhabiting ski resorts. Biological Conservation 135: 77‐85. 

Anderson  TR.  2006.  Biology  of  the  ubiquitous  house  sparrow.  Oxford:  Oxford University Press. 

Balmori A. 2009. Electromagnetic pollution from phone masts. Effects on wildlife. Pathophysiology 16: 191‐199. 

Balmori  A, Hallberg O.  2007.  The  urban  decline  of  the  house  sparrow  (Passer domesticus):  a  possible  link  with  electromagnetic  radiation. Electromagnetic Biology and Medicine 26: 141‐151. 

Page 56: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

46 

Barta Z, Liker A, Monus F. 2004. The effects of predation risk on the use of social foraging tactics. Animal Behaviour 67: 301‐308. 

Benard A,  van  Elteren  P.  1953. A  generalization  of  the method  of m  rankings. Indagationes Mathematicae 15: 358‐369. 

Bender DJ, Tischendorf L, Fahrig L. 2003. Using patch isolation metrics to predict animal movement in binary landscapes. Landscape Ecology 18: 17‐39. 

Bignal K, Ashmore M, Power S. 2004. The ecological effects of diffuse air pollution from road traffic. English Nature Research Report 580, Peterborough, UK. 

Blair R. 2004. The effects of urban sprawl on birds at multiple levels of biological organization. Ecology and Society 9. Avaiable at: http://www.ecologyandsociety.org/vol9/iss5/art2/. 

Bruun  M,  Smith  HG.  2003.  Landscape  composition  affects  habitat  use  and foraging  flight  distances  in  breeding  European  Starlings.  Biological Conservation 114: 179‐187. 

Carbonell R, Perez‐Tris  J, Telleria  JL. 2003. Effects of habitat heterogeneity and local adaptation on the body condition of a forest passerinie at the edge of its distributional  range. Biological  Journal of  the Linnean Society 78: 479‐488. 

Carrascal  LM,  Senar  JC,  Mozetich  I,  Uribe  F,  Domenech  J.  1998.  Interactions among  environmental  stress,  body  condition,  nutritional  status,  and dominance in Great Tits. Auk 115: 727‐738. 

Chamberlain  DE,  Toms MP,  Cleary‐Mcharg  R,  Banks  AN.  2007.  House  sparrow (Passer  domesticus)  habitat  use  in  urbanized  landscapes.  Journal  of Ornithology 148: 453‐462. 

De Laet J, Summers‐Smith JD. 2007. The status of the urban house sparrow Passer domesticus in North‐Western Europe: a review. Journal of Ornithology 148: S275‐S278. 

Dussault C, Courtois R, Ouellet JP, Girard I. 2005. Space use of moose in relation to  food  availability.  Canadian  Journal  of  Zoology‐Revue  Canadienne  De Zoologie 83: 1431‐1437. 

Earle RA. 1988. Reproductive  isolation between urban and  rural populations of Cape  Sparrows  and House  sparrows. Acta XIX Congressus  Internationalis Ornithologici 2: 1778‐1786. 

Eriksson O,  Ehrlén  J.  2001.  Landscape  fragmentation  and  the  viability  of  plant 

Page 57: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Constraints on home  range  behaviour affect nutritional condition 

47 

populations.  In:  Silvertown,  J. &  Antonovics,  J.,  eds.  Integrating  ecology and evolution in a spatial context. Blackwell Science, Oxford, pp. 157‐175. 

Everaert J, Bauwens D. 2007. A possible effect of electromagnetic radiation from mobile phone base  stations on  the number of breeding house  sparrows (Passer domesticus). Electromagnetic Biology and Medicine 26: 63‐72. 

Fuller RA, Tratalos J, Gaston KJ. 2009. How many birds are there in a city of half a million people? Diversity and Distributions 15: 328‐337. 

Gosler AG. 1996. Environmental and social determinants of winter fat storage  in the Great Tit Parus major. Journal of Animal Ecology 65: 1‐17. 

Gregory  RD,  Baillie  SR.  1998.  Large‐scale  habitat  use  of  some  declining  British birds. Journal of Applied Ecology 35: 785‐799. 

Grubb TC. 1989. Ptilochronology ‐ feather growth bars as indicators of nutritional status. Auk 106: 314‐320. 

Grubb TC 1995. Ptilochronology. A  review and prospectus. Current Ornithology 12: 89‐114. 

Grubb  TC,  Cimprich  DA.  1990.  Supplementary  food  improves  the  nutritional condition  of wintering woodland  birds  ‐  evidence  from  ptilochronology. Ornis Scandinavica 21: 277‐281. 

Hanski I, Gilpin M. 1991. Metapopulation dynamics ‐ brief‐history and conceptual domain. Biological Journal of the Linnean Society 42: 3‐16. 

Hanski  I. 1999. Habitat connectivity, habitat continuity, and metapopulations  in dynamic landscapes. Oikos 87: 209‐219. 

Harrison  S.  1991.  Local  extinction  in  a  metapopulation  context:  an  empirical evaluation. Biological Journal of the Linnean Society 42: 73‐88. 

Hay  JM,  Evans  PR, Ward RM, Hamer  KC.  2004.  Poor nutritional  condition  as  a consequence of high dominance status in the Coal Tit Parus ater. Ibis 146: 103‐107. 

Heij  CJ, Moeliker  CW.  1990.  Population  dynamics  of  dutch  house  sparrows  in urban, suburban and rural habitats. In: Pinowski J, Summers‐Smith JD, eds. Granivorous birds in the agricultural landscape. Warszawa: Polish Scientific Publishers, 59‐85. 

Hole  DG, Whittingham MJ,  Bradbury  RB,  Anderson GQA,  Lee  PLM, Wilson  JD, Krebs  JR. 2002. Widespread  local house‐sparrow extinctions  ‐ agricultural intensification  is blamed  for  the plummeting populations of  these birds. 

Page 58: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

48 

Nature 418: 931‐932. 

Holm S. 1979. A simple sequential rejective multiple test procedure. Scandinavian Journal of Statistics 6: 65‐70. 

Hurlbert  SH.  1984.  Pseudoreplication  and  the  design  of  ecological  field experiments. Ecological Monographs 54: 187‐211. 

Kenward  RE,  Clarke  RT,  Hodder  KH,  Walls  SS.  2001.  Density  and  linkage estimators  of  home  range:  nearest‐neighbor  clustering  defines multinuclear cores. Ecology 82: 1905‐1920. 

Kenward RE, Walls SS, South AB, Casey NM. 2008. Ranges8: For  the analysis of tracking and location data. Anatrack Ltd. Wareham, UK. 

Kleindorfer S, Sulloway FJ, O'Connor J. 2009. Mixed species nesting associations in Darwin's  tree  finches:  nesting  pattern  predicts  predation  outcome. Biological Journal of the Linnean Society 98: 313‐324. 

Lens  L,  Eggermont  H.  2008.  Fluctuating  asymmetry  as  a  putative  marker  of human‐induced  stress  in  avian  conservation.  Bird  Conservation International 18: S125‐S143. 

Lens L, Van Dongen S. 2002. Fluctuating asymmetry as a bio‐indicator in isolated populations  of  the  Taita  thrush:  a  bayesian  perspective.  Journal  of Biogeography 29: 809‐819. 

Liker A, Papp Z, Bokony V, Lendvai AZ. 2008. Lean birds in the city: body size and condition  of  house  sparrows  along  the  urbanization  gradient.  Journal  of Animal Ecology 77: 789‐795. 

Lima  SL.  1987.  Distance  to  cover,  visual  obstructions,  and  vigilance  in  house sparrows. Behaviour 102: 231‐238. 

Lima SL, Dill LM. 1990. Behavioral decisions made under the risk of predation ‐ a review and prospectus. Canadian Journal of Zoology‐Revue Canadienne De Zoologie 68: 619‐640. 

Littell RC, Milliken WW, Stroup WW, Wolfinger RD. 1996. SAS System  for mixed models. SAS Institute Inc., Cary, NC, USA. 

Lynch GM, Morgantini LE. 1984. Sex and age differential in seasonal home‐range size of moose in northcentral Alberta, 1971‐1979. Alces 20: 61‐78. 

McNab BK. 1963. Bioenergetics and determination of home range size. American Naturalist 97: 133‐140. 

Page 59: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Constraints on home  range  behaviour affect nutritional condition 

49 

Millspaugh  JJ,  Marzluff  JM.  2001.  Radio  tracking  and  animal  populations. Academic Press, London. 

Mitchell MS, Powell RA. 2004. A mechanistic home range model for optimal use of spatially distributed resources. Ecological Modelling 177: 209‐232. 

Murgui  E.  2009.  Seasonal  patterns  of  habitat  selection  of  the  house  sparrow Passer domesticus  in  the urban  landscape of Valencia  (Spain).  Journal of Ornithology 150: 85‐94. 

Murphy ME, King JR. 1991. Ptilochronology ‐ a critical evaluation of assumptions and utility. Auk 108: 695‐704. 

Opdam P, Wascher D. 2004. Climate change meets habitat fragmentation: linking landscape and biogeographical  scale  levels  in  research and  conservation. Biological Conservation 117: 285‐297. 

Ovaskainen  O,  Hanski  I.  2004.  From  individual  behavior  to  metapopulation dynamics:  Unifying  the  patchy  population  and  classic  metapopulation models. American Naturalist 164: 364‐377. 

Peach WJ, Vincent KE, Fowler JA, Grice PV. 2008. Reproductive success of house sparrows along an urban gradient. Animal Conservation 11: 493‐503. 

Rappole  JH,  Tipton  AR.  1991.  New  harness  design  for  attachment  of  radio transmitters to small Passerines. Journal of Field Ornithology 62: 335‐337. 

Rebele F. 1994. Urban ecology and special features of urban ecosystems. Global Ecology and Biogeography Letters 4: 173‐187. 

Relyea  RA,  Lawrence  RK, Demarais  S.  2000. Home  range  of  desert mule  deer: testing  the  body‐size  and  habitat‐productivity  hypotheses.  Journal  of Wildlife Management 64: 146‐153. 

Rice  WR,  Gaines  SD.  1994.  Extending  nondirectional  heterogeneity  tests  to evaluate  simply  ordered  alternative  hypotheses.  Proceedings  of  the National Academy of Sciences of the United States of America 91: 225‐226. 

Schoener  TW. 1981. An empirically based estimate of home  range.  Theoretical Population Biology 20: 281‐325. 

Seaman  DE, Millspaugh  JJ,  Kernohan  BJ,  Brundige  GC,  Raedeke  KJ,  Gitzen  RA. 1999. Effects of  sample  size on  kernel home  range estimates.  Journal of Wildlife Management 63: 739‐747. 

Sekercioglu  CH,  Daily  GC,  Ehrlich  PR.  2004.  Ecosystem  consequences  of  bird declines. Proceedings of  the National Academy of  Sciences of  the United 

Page 60: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

50 

States of America 101: 18042‐18047. 

Shaw LM, Chamberlain D, Evans M. 2008. The house sparrow Passer domesticus in urban areas: reviewing a possible link between post‐decline distribution and human socioeconomic status. Journal of Ornithology 149: 293‐299. 

Summers‐Smith JD. 1963. The House sparrow. Collins, London. 

Swihart RK, Slade NA. 1985. Testing for  independence of observations  in animal movements. Ecology 66: 1176‐1184. 

Tella JL, Forero MG, Hiraldo F, Donazar JA. 1998. Conflicts between Lesser Kestrel conservation and european agricultural policies as identified by habitat use analyses. Conservation Biology 12: 593‐604. 

Thomas  CD.  2000.  Dispersal  and  extinction  in  fragmented  landscapes. Proceedings of the Royal Society of London Series B‐Biological Sciences 267: 139‐145. 

Travis JMJ. 2003. Climate change and habitat destruction: a deadly anthropogenic cocktail.  Proceedings  of  the  Royal  Society  of  London  Series  B‐Biological Sciences 270: 467‐473. 

Tucker GM, Heath MF. 2004. Birds  in Europe: population estimates,  trends and conservation status. BirdLife International 2004. 

Verbeke  G, Molenberghs  G.  2000.  Linear mixed models  for  longitudinal  data. Springer‐Verlag, New York. 

Vitousek PM, Mooney HA, Lubchenco J, Melillo JM. 1997. Human domination of Earth's ecosystems. Science 277: 494‐499. 

Warren MS, Hill  JK,  Thomas  JA, Asher  J,  Fox R, Huntley B, Roy DB,  Telfer MG, Jeffcoate S, Harding P, Jeffcoate G, Willis SG, Greatorex‐Davies JN, Moss D, Thomas CD. 2001. Rapid responses of British butterflies to opposing forces of climate and habitat change. Nature 414: 65‐69. 

Whitaker  DM,  Stauffer  DF, Norman  GW,  Devers  PK,  Edwards  J,  Giuliano WM, Harper C,  Igo W,  Sole  J,  Spiker H,  Tefft B. 2007.  Factors  associated with variation  in  home‐range  size  of  Appalachian  Ruffed  Grouse  (Bonasa umbellus). Auk 124: 1407‐1424. 

Whitfield DP. 2003. Redshank Tringa  totanus  flocking behaviour, distance  from cover and vulnerability to sparrowhawk Accipiter nisus predation. Journal of Avian Biology 34: 163‐169. 

Wilkinson  N.  2006.  Factors  influencing  the  small‐scale  distribution  of  house 

Page 61: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Constraints on home  range  behaviour affect nutritional condition 

51 

sparrows Passer domesticus in a suburban environment. Bird Study 53: 39‐46. 

With KA, Gardner RH, Turner MG. 1997. Landscape connectivity and population distributions in heterogeneous environments. Oikos 78: 151‐169. 

Worton  BJ.  1989.  Kernel methods  for  estimating  the  utilization  distribution  in home‐range studies. Ecology 70: 164‐168.  

Zollner PA, Lima SL. 2005. Behavioral tradeoffs when dispersing across a patchy landscape. Oikos 108: 219‐230. 

   

Page 62: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 1 

52 

APPENDIX 1.1. Landscape variables within a 300 m radius around the centroid of house sparrow home  ranges  and  habitat  preference  expressed  as  the  number  of  point  fixes within  a  given habitat, in each of 13 study plots near Ghent, Belgium. Values expressed as mean percentage ± SD, preference values indicated between brackets  

    

Built-up area (%) Bush (%) Lawn (%)

Urban Emile Braunplein 61.07 ± 1.77 (5.83 ± 2.95) 1.00 ± 0.046 (84.63 ± 11.81) 1.22 ± 0.088 (0) Patershol 42.12 ± 2.38 (30.40 ± 29.44) 3.03 ± 0.40 (66.86 ± 29.61) 6.77 ± 1.45 (0) Spanjaardstraat 31.9 ± 1.14 (0.58 ± 1.15) 2.23 ± 0.092 (59.70 ± 28.94) 5.80 ± 0.25 (4.3 ± 3.62) Visserij 41.43 ± 0.35 (2.30 ± 3.98) 1.92 ± 0.035 (67.16 ± 10.94) 8.43 ± 0.22 (2.56 ± 4.44)Suburban Frans De Mildedreef 27.85 ± 9.12 (0) 3.87 ± 0.65 (63.35 ± 40.65) 13.18 ± 1.12 (0) Houtemlaan 28.22 ± 4.47 (0.65 ± 1.30) 3.96 ± 0.064 (85.05 ± 9.36) 14.19 ± 2.24 (0.93 ± 1.85) Duifhuisstraat 24.95 ± 1.13 (0) 3.71 ± 0.20 (77.53 ± 12.99) 9.39 ± 0.40 (0.65 ± 1.30) Papiermolenstraat 24.47 ± 2.46 (0.68 ± 1.35) 2.53 ± 0.082 (57.92 ± 8.83) 18.15 ± 1.90 (10.05 ± 16.87) Watersportbaan 16.7 ± 3.26 (1.50 ± 3.00) 5.80 ± 0.50 (88.45 ± 13.01) 16.74 ± 1.22 (0)Rural Petendonckstraat 3.36 ± 0.057 (5.70 ± 5.34) 2.17 ± 0.11 (50.37 ± 27.36) 7.64 ± 0.55 (2.87 ± 2.48) Eiland 2.67 ± 0.25 (2.05 ± 1.50) 1.96 ± 0.38 (42.85 ± 9.93) 6.32 ± 1.03 (6.67 ± 5.09) Haagstraat 2.97 ± 0.17 (28.57 ± 28.60) 1.05 ± 0.062 (42.50 ± 22.87) 7.97 ± 0.74 (2.20 ± 2.15) Rostraat 1.75 ± 0.057 (33.45 ± 8.22) 1.76 ± 0.016 (30.30 ± 5.37) 3.07 ± 0.035 (3.28 ± 1.30)

Hedge (%) Meadow (%) Scrub (%)

Urban Emile Braunplein 0 0 0 Patershol 0.031 ± 0.0077 (0) 0 1.77 ± 0.039 (0) Spanjaardstraat 0.071 ± 0 (0) 0 4.17 ± 1.97 (0) Visserij 0.065 ± 0 (13.03 ± 9.58) 0 2.10 ± 0.16 (0)Suburban Frans De Mildedreef 0.23 ± 0.081 (32.05 ± 41.64) 0 0 Houtemlaan 2.76 ± 0.47 (11.2 ± 8.32) 0 2.59 ± 1.70 (0) Duifhuisstraat 0.0056 ± 0.057 (14.65 ± 7.87) 0 0 Papiermolenstraat 0.0086 ± 0.052 (10.45 ± 11.03) 5.16 ± 1.12 (0) 1.81 ± 0.74 (0) Watersportbaan 0.0086 ± 0.073 (4.95 ± 8.37) 0 1.29 ± 1.11 (0)Rural Petendonckstraat 0.0087 ± 0.00086 (16.16 ± 8.55) 50.93 ± 7.28 (2.97 ± 3.29) 1.86 ± 0.10 (0.80 ± 1.39) Eiland 0.0056 ± 0.00070 (36.32 ± 6.15) 63.59 ± 1.70 (0) 1.41 ± 0.61 (0) Haagstraat 0.013 ± 0.0011 (13.97 ± 12.62) 75.61 ± 1.51 (2.27 ± 0.06) 0.043 ± 0.0046 (0) Rostraat 0.0054 ± 0.000049 (8.75 ± 6.45) 88.21 ± 0.13 (0.53 ± 1.05) 0.32 ± 0.010 (0)

Tree (%) Brief description

Urban Emile Braunplein 1.28 ± 0.18 (8.95 ± 12.18) Mainly commercial buildings Patershol 2.58 ± 0.43 (0.58 ± 1.30) Flats with lawns in between and terraced houses Spanjaardstraat 4.03 ± 0.12 (0.90 ± 1.80) Flats, terraced houses with small gardens, old abbey Visserij 5.06 ± 0.048 (0) Terraced houses with gardens Suburban Frans De Mildedreef 0.11 ± 2.82 (4.55 ± 1.06) Mixture of terraced, semidetached and detached houses with gardens, railway Houtemlaan 0.070 ± 2.06 (0.60 ± 1.20) Deprived area, semidetached houses with gardens Duifhuisstraat 0.082 ± 0.59 (0.65 ± 1.30) Residential area, detached houses with large gardens Papiermolenstraat 0.15 ± 2.70 (18.38 ± 17.07) Semidetached and detached houses with gardens and derilict land Watersportbaan 0.060 ± 1.03 (0) Flats, commercial area, recreational area with lawnsRural Petendonckstraat 12.17 ± 0.99 (11.03 ± 15.14) Farm buildings and detached houses with gardens, and grass with livestock, Eiland 9.14 ± 1.01 (1.70 ± 2.13) Farm buildings, grass with livestock, arable farmland Haagstraat 6.15 ± 0.094 (2.27 ± 3.93) Farm buildings and detached houses with gardens, and grass with livestock Rostraat 1.82 ± 0.0093 (5.53 ± 2.91) Farm buildings and detached houses

OEC, outlier-exclusive core area; SIP, single inclusive polygons; PPI, patch proximity index.

Page 63: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

53 

Chapter 2 

Does fluctuating asymmetry constitute a sensitive biomarker of nutritional stress in house sparrows (Passer domesticus)? 

Carl VANGESTEL & Luc LENS 

Ecological Indicators, 2011, 11, 389–394 

 

 

©Chantal Deschepper 

 

   

Page 64: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 2 

54 

ABSTRACT Small  random  deviations  from  left‐right  symmetry  in  bilateral  traits,  termed fluctuating  asymmetry  (FA),  are  theoretically  predicted  to  increase  with environmental  stress  and  believed  to  constitute  a  potential  biomarker  in conservation. However,  reported  relationships between FA and  stress are generally weak and variable among organisms, traits and stresses. Here we test if, and to what extent,  FA  increases  with  nutritional  stress,  estimated  from  independent  feather growth  measurements,  in  free‐ranging  house  sparrows  (Passer  domesticus). Ptilochronological feather marks showed significant heterogeneity among study plots, indicating  that  house  sparrow  populations  were  exposed  to  variable  levels  of nutritional  stress  during  development.  However,  individuals  from  more  stressed populations  did  not  show  increased  levels  of  fluctuating  asymmetry  in  tarsus  or rectrix length, nor was there evidence for significant between‐trait concordance in FA at the  individual or the population  level. Lack of support for FA  in tarsus and rectrix length  as  estimator  of  nutritional  stress  in  house  sparrows  may  indicate  that developmental  instability  is  insensitive  to  nutritional  stress  in  this  species,  poorly reflected in patterns of fluctuating asymmetry due to ecological or statistical reasons, or highly context‐specific. Such uncertainty continues  to hamper  the use of FA as a biomarker tool in conservation planning. 

INTRODUCTION Conservation planners are in need of mechanistic insights into how habitat or 

landscape  change  may  drive  populations  of  conservation  concern  (Soule,  1991; Arendt, 1996). Yet, traditional endpoints of population viability, such as survival and reproduction,  are mostly  cumbersome,  time‐consuming  and  expensive  to measure and hence remain unknown  in most applied conservation studies. To overcome this problem, a broad range of individual‐based proxies of fitness have been applied, such as body size, (residual) body mass, fat‐free mass, quality or quantity of hormones and rate or precision of growth processes (Jakob et al., 1996; Takaki et al., 2001). Because the  level of  stress  sensitivity of  these, and other, biomarkers  can only be assessed post  hoc,  candidate markers  should  preferably  be  applicable  to  diverse  biological systems  and  organisms  (Huggett,  1992),  and  stress‐mediated  changes  should preferably be measurable before direct components of  fitness, such as survival and reproductive success, are compromised  (‘early warning system’; Clarke et al., 1986; Clarke and McKenzie, 1992; Clarke, 1995).  

Fluctuating asymmetry (FA, small random deviations from left‐right symmetry in bilateral traits: Ludwig, 1932) is widely believed to meet both conditions. FA refers to a pattern of bilateral variation in a sample of individuals, where the mean of right minus  left values of a  trait  is  zero and  the variation  is normally distributed around that mean  (Palmer, 1994; Polak, 2003). As corresponding body  sides  share a  single genome and are exposed to identical environmental conditions during development, 

Page 65: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Fluctuating  asymmetry as a biomarker of nutritional stress? 

55  

deviations  from  left‐right  symmetry  in  bilateral  traits  cannot  be  due  to  genetic  or environmental effects  (Reeve, 1960). Rather, observed asymmetries are believed  to reflect the  inability of  individuals to buffer their development against small, random perturbations  (‘developmental  noise’;  Palmer,  1994;  Auffray  et  al.,  1999). Mechanisms  underlying  developmental  noise  are  still  poorly  understood  but  likely involve perturbations of cellular processes or random variation in physiological rates (Palmer, 1994; McAdams and Arkin, 1999; Fiering et al., 2000). Despite  this  lack of mechanistic understanding, FA has multiple potential assets as early warning system for conservation planners. First, FA  is one of few morphological attributes for which the norm,  i.e. perfect symmetry,  is known (Palmer, 1996). Second, FA  is believed to integrate  synergistic  interactions  among  different  stressors  (Mayer  et  al.,  1992; Clarke, 1993) and comprise a more sensitive marker of stress than more traditional fitness measures (Clarke and McKenzie, 1992; Lens et al., 2002). Third, FA study does not  require  laborious  recaptures, destructive  sampling,  sophisticated equipment or the fulfillment of stringent model assumptions.  

Yet,  despite  many  informative  cases  where  bilateral  asymmetry  increased when  individuals were  exposed  to  exo‐ or  endogenous  stress  (reviewed by Moller and  Swaddle,  1997),  the  utility  of  FA  as  a  biomarker  of  stress  remains  highly controversial as  relationships with stress and  fitness are generally weak  (Leung and Forbes, 1996; Gorur, 2006) and highly variable among organisms, traits and stresses (Lens et al., 2002  ; Freeman et al., 2005; Knierim et al., 2007; Carcamo et al., 2008; Hopton et al. 2009). For example, a review of 21 experimental tests of relationships between FA and environmental stress showed a consistent increase in FA in one‐third of the case studies, a trait‐ or stress‐specific increase in another third, and no effect in the  remainder  of  the  studies  (Bjorksten  et  al.,  2000). Moreover, while  population asymmetry parameters have been  supported  in a number of  cases  (Clarke, 1998  ), between‐trait concordance of FA at  the  individual  level  is generally weak or absent (Leamy, 1993; Clarke, 1998; Gangestad and Thornhill, 1999). Given this heterogeneity in  relationships  with  FA  and  the  fact  that  results  from  laboratory  studies  cannot consistently  be  extrapolated  to  free‐ranging  populations  that  may  be  subject  to synergistic stresses of environmental, genetic and anthropogenic origin (Baker, 1995; Manel  and  Debouzie,  1995,  Ambo‐Rappe  et  al.,  2008),  the  suitability  of  FA  as  a bioassay in conservation planning requires further field validation.  

As human populations become increasingly urban (e.g. ca 10% of humans lived in cities in 1900 whereas ca 70% are predicted to do so by 2050; Brown et al., 1998), cities  cover  progressively  more  area  at  rates  that  often  exceed  those  of  urban population growth  (O’Meara, 1999). While house sparrows were originally believed 

Page 66: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 2 

56 

to  respond positively,  rather  than negatively,  to urban  sprawl  (Earle,  1988), urban house sparrow populations across Europe have steeply declined  in  recent  times  for reasons that are not yet  fully understood  (Shaw et al., 2008) but may be related to lack  of  protein‐rich  food  for  nestlings  (Peach  et  al.,  2008),  loss  of  population connectivity (Hole et al., 2002), increased predation by domestic species (Shaw et al., 2008) or deteriorating effects of vehicle emissions on invertebrate abundance (Bignal et  al.,  2004).  By  studying  individual  variation  in  home  range  size  and  tail  feather growth  (a measure of nutritional stress; Grubb, 1989, 2006), Vangestel et al.  (2010) showed  that  house  sparrows  inhabiting  strongly  built‐up  habitat  developed more slowly  than  individuals  from  more  open  habitats,  especially  in  areas  with  highly scattered cover habitat and small home ranges. Apart  from providing a mechanistic explanation for such retarded development in urban house sparrow populations, the study by Vangestel et al. (2010) also offers a strong case to evaluate FA as a potential biomarker for stress effects in free‐ranging populations, given that (nutritional) stress effects are being assessed  independently (see Eggert and Sakaluk, 1994; Lens et al., 2002  for a discussion on stress validation  in FA studies).   Building on this and other studies  (e.g. Nillson, 1994), we here test whether house sparrows  from populations exposed  to  higher  levels  of  nutritional  stress  show  higher  levels  of  growth asymmetry. Relationships between nutritional stress and  fluctuating asymmetry are studied  in  two phenotypic  traits  that can be measured accurately  in a non‐invasive way  (tarsus  length  and  rectrix  length)  and  statistically  tested  at  an  individual‐  and population level.  

MATERIAL AND METHODS 

Study site and species 

House sparrows were studied in and around the city centre of Ghent (northern Belgium) and in a rural area near the village of Zomergem, ca. 12 km NW of Ghent. In this region, 13 plots were selected that maximize variation in the ratio of built‐up to total grid cell area (range: 0.02‐0.61, median value: 0.25, each cell measuring 90,000 m² on the ground; Arcgis version 9.2.). Within these plots, a total of 684 adult house sparrows  were  trapped  by  standard mist  netting  between  2003  and  2008.  Upon capture, we sexed and aged each  individual, placed one unique metal  ring  (Belgian Ringing Scheme) and a unique combination of three colour‐rings, and measured body mass (to the nearest 0.1g), wing length (to the nearest 0.01mm) and length of the left and  right  tarsus  (to  the nearest 0.01mm;  three  repeated measurements sequenced left‐right‐left‐right‐left‐right or vice versa and with digital slide calliper reset to zero between  two  consecutive  measurements).  Between‐capture  repeatability  of  right 

Page 67: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Fluctuating  asymmetry as a biomarker of nutritional stress? 

57  

and  left  tarsus measurements  estimated  from  91  re‐trapped  individuals  equalled r=0.97 (p=0.001) for right tarsi and r=0.95 (p=0.001) for left tarsi. Before release, we collected a small sample of body feathers for DNA analysis and the left and right fifth rectrix (counting outward) of 213 individuals for analysis of feather growth.  

Feather growth (ptilochronology) analysis 

Individual nutritional  condition was  estimated  from  the width of  alternating pairs of light and dark growth bars on left and right rectrices. Each pair of growth bars reflects a 24‐hour period of feather growth (Grubb, 1989, 2006; Grubb and Cimprich, 1990) and controlled laboratory and field experiments confirmed causal relationships between access to food resources during feather development and growth bar width (Grubb,  1989;  Grubb  and  Cimprich,  1990;  but  see  Murphy  and  King,  1991).  To measure growth bars, each  rectrix was pinned on a  single  cardboard  strip and  the total feather length was measured to the nearest 0.01 mm with a digital slide calliper. Next, we marked the proximate and distal ends of five consecutive pairs of light and dark growth bars (starting at a distance of 7/10 from the proximate feather tip) and the proximal and distal end of each  feather, with a very  fine mounting pin  inserted through the rachis. Each strip was then scanned (Océ OP1130) and growth bar widths and  feather  lengths  were  automatically  measured  with  image  analysis  software (KS400 Zeiss).  Individual  feather growth  rates were  calculated by averaging growth bar widths on  left and right rectrices. After measuring all feathers, each feather was detached  and  pinned  to  a  new  cardboard  strip  twice  to  independently  re‐score growth  bar  widths  (subset  of  108  feathers)  and  feather  lengths  (all  feathers) following  the  methodology  described  above.  Independent  feather  measurements showed  high  statistical  repeatability  for  growth  bar  width  (r=0.94,  p=0.001)  and rectrix length (r=0.89, p=0.001).  

Fluctuating asymmetry analysis 

To estimate fluctuating asymmetry in tarsus and rectrix length at an individual and population level, we carried out mixed regression analysis by modelling Y = Xβ + Zµ + e where  β, µ and e are unknown vectors of  fixed effects parameters,  random effects and  random errors,  respectively, while X and Z are  known model matrices. Restricted maximum  likelihood  parameter  estimation  (REML)  was  used  to  obtain individual FA estimates  that are unbiased with  respect  to measurement error  (Van Dongen  et  al.,  1999b).  First, we  separated ME  from  variance  components  of  the random side effect (FA), and tested for the presence of directional asymmetry (fixed side  effect;  DA)  by  F‐statistics,  adjusting  the  denominator  degrees  of  freedom  by Satterthwaite's  formula  (Verbeke  and Molenberghs,  2000).  Second, we  tested  the 

Page 68: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 2 

58 

significance of FA by comparing  the  likelihood of models with and without  random side effect. Third, we  calculated unbiased  FA  values  for each  individual as  subject‐specific deviations of the fixed regression line in the mixed regression model (Palmer and  Strobeck, 1986; Van Dongen et  al., 1999b).  Fourth, we  compared  the  kurtosis levels of the signed FA values to detect antisymmetry (Knierim et al., 2007). Finally, we calculated absolute values of the signed FA values (unsigned FA estimates, further referred to as “FA”) for hypothesis testing.  

Statistical analysis 

A general  linear mixed model was applied to study between‐plot variation  in growth  bar width,  FA,  and  relationships  between  both  variables.  Individual‐based estimates  or mean  values  per  study  plot  were  used  when  testing  hypotheses  at individual and population  level,  respectively. Standardized FA values were modeled as  repeated measurements  in multiple‐trait analyses. Random effects models were applied to study individual‐ and population‐level correlations in trait asymmetry. We therefore  calculated  intraclass  correlation  coefficients  (ICC)  from  the  ratio  of  the between‐individual or between‐population variance  to  the  total variance  (Lens and Van Dongen, 1999). To test whether the strength of between‐trait correlations in FA varied with the level of nutritional stress, we divided the range of growth bar widths into  four quartiles and  tested whether  ICCs differed among  these quartiles. Month, year and study plot were included as random effects to account for a clustered data structure while trait size was added as a fixed covariate. All statistical analyses were performed with program SAS (version 9.2., SAS Institute 2008, Cary, NC, USA).  

RESULTS The  distribution  of  signed  FA  in  rectrix  length  did  not  show  a  significant 

directional component, whereas measurements of right tarsi were consistently larger than those of left ones (table 2.1). Signed FA levels in tarsus and rectrix length were  

Table  2.1.  Variance  components  and  the  distribution  of  signed  and  unsigned  FA  values  for  two phenotypic  traits  in  13  house  sparrow  populations  near  Ghent,  Belgium.  F‐statistics  refer  to directional asymmetry, chi‐square statistics refer to separation of FA from measurement error.   

 

F-test (numerator d.f.,trait N denominator d.f.) VFA VME χ2-test (d.f.=1) Kurtosis

feather 213 3.00 (1,177)NS 0,07 0,12 1815.40*** 1,50tarsus 684 194.13 (1,660)*** 0,04 0,01 3933.10*** 0,66

Not significant (NS) P > 0.05; * P < 0.05; ** P < 0.01; *** P<0.001

VFA, variance in signed FA; VME, variance in measurement error.

Page 69: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Fluctuating  asymmetry as a biomarker of nutritional stress? 

59  

not significantly correlated, differences in the size of left and right trait sides (signed FA)  could  be  significantly  separated  from  variation  due  to  measurement  error (repeated measures within each side) for both traits (LRT comparing models with and without  random  side‐effect:  all  p<0.05).  Signed  FA  of  rectrix  length  in  sparrow populations  showed  a  leptokurtic  distribution  (table  2.1). When plotting  individual unsigned FA values of rectrix length (y‐axis) on tarsus length (x‐axis), most data points were clumped in the lower left corner of the scatter plot (figure 2.1). Such pattern is distinctive for FA where most individuals typically exhibit low levels of asymmetry.  

 Table  2.2.  Population‐  and  individual‐level  correlations  in  signed  and  unsigned  FA  of  tarsus  and rectrix length in 13 house sparrow populations near Ghent, Belgium.  

  

 

Fig.  2.1.  Pairwise  relationship  between  unsigned  FA  in  tarsus  and  rectrix  length  in  158  house sparrows sampled from 13 populations. 

 

Growth bar widths significantly varied among plots (F12,170=1.93, p=0.03). FA in tarsus  length and  rectrix  length,  in contrast, did not  significantly vary among plots, also when  both  traits were modeled  as  repeated measurements  at  the  individual level  (tarsus:  F12,599=1.27,  p=0.23;  rectrix:  F12,178=0.68,  p=0.77;  multiple‐trait  FA: F12,536=1.10, p=0.36) (figure 2.2). Estimates of FA in tarsus and rectrix length were not 

signed FA unsigned FA

correlation coefficient Z-statistic p-value correlation

coefficient Z-statistic p-valuePopulation Asymmetry Parameter -0,19 -0,65 0,52 0,14 0,48 0,63Individual Asymmetry Parameter -0,01 -0,07 0,94 -0,01 -0,09 0,93

Page 70: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 2 

60 

significantly  correlated  with  growth  bar  widths  at  the  level  of  individual  house sparrows  (tarsus:  F1,142=0.28,  p=0.59;  rectrix:  F1,134=0.01,  p=0.92; multiple‐trait  FA: F1,117=0.09,  p=0.76)  nor  at  the  population  level  (tarsus:  F1,11=1.35,  p=0.27;  rectrix: F1,11=0.39, p=0.54; multiple‐trait FA: F1,11=1.26, p=0.29, figure 2.3).  

Likewise,  levels  of  FA  in  rectrix  and  tarsus  length  were  not  significantly correlated  at  the  population  level  (i.e.  no  evidence  for  a  Population  Asymmetry Parameter)  or  the  individual  level  (i.e.  no  evidence  for  an  Individual  Asymmetry Parameter) (table 2.2), nor did the strength of between‐trait correlations in FA at the 

individual level vary with nutritional stress (χ²=5.9, d.f.=3, p=0.12) (table 2.3). 

 

Table  2.3.  Individual‐level  correlation  in  signed  and  unsigned  FA  of  tarsus  and  rectrix  length  in relation to nutritional stress. Individuals were assigned to one of four quartiles based on the width of their rectrix growth bars, with classes I to IV reflecting decreasing levels of nutritional stress.  

 

DISCUSSION Ptilochronological  feather  marks  showed  significant  heterogeneity  among 

study  plots,  indicating  that  house  sparrow  populations  were  exposed  to  variable levels  of  nutritional  stress  during  feather  growth.  Contrary  to  our  expectation, individuals  from  more  stressed  populations  did  not  show  increased  levels  of fluctuating  asymmetry  in  tarsus  or  rectrix  length,  nor  was  there  evidence  for significant  between‐trait  concordance  in  FA,  also when  testing  correlations  at  the population  level.  Low  congruence  between  both  presumed  markers  of developmental  stress  in  free‐ranging  populations  of  house  sparrows  may  have multiple (non‐exclusive) causes. 

First, relationships between nutritional stress and FA may have been present but  masked  by  underlying  population  processes.  Despite  their  highly  sedentary lifestyle  (Anderson,  2006),  house  sparrows  show  limited  bi‐directional  (postnatal) dispersal among adjacent populations (Vangestel et al., unpubl.). Dispersal away from   

signed FA unsigned FAcorrelation coefficient

Z-statistic p-value correlation coefficient Z-statistic p-value

class I -0,11 -0,63 0,53 -0,10 -0,58 0,56class II -0,09 -0,47 0,64 -0,18 -0,94 0,35class III -0,02 -0,13 0,90 0,12 -0,84 0,40class IV -0,03 -0,14 0,89 -0,16 -0,89 0,37

Page 71: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Fluctuating  asymmetry as a biomarker of nutritional stress? 

61  

 Fig. 2.2. Between‐plot variation (mean value ± SE) in growth bar size (a), tarsus FA (b), and rectrix FA (c).  

 

Page 72: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 2 

62 

 

 Fig.  2.3.  Pairwise  relationships  between  average  growth  bar  size  and  standardized  FA  values  for tarsus length (filled circles) and rectrix length (open triangles).  

an  individual’s natal  site  is expected  to uncouple patterns of FA  in  tarsi, which are fully‐grown before  fledging and related  to nutritional conditions during the nestling phase, with  patterns  of  FA  in  traits  that  reflect  nutritional  conditions  experienced after dispersal. Apart from dispersal, nest studies on house sparrows earlier revealed increased rates of nestling mortality when  levels of  insect abundance were critically low  (Peach  et  al.,  2008).  If nest mortality  is  selective  in  relation  to  FA,  i.e.  if  “low quality”  individuals  show  higher  levels  of  FA  and  higher  mortality  rates,  high nutritional stress experienced as a nestling may  result  in higher,  rather  than  lower, proportions  of  individuals  with  more  symmetric  tarsi  in  adult  cohorts.  Likewise, absence of  selective mortality under nutritionally  favourable  conditions may  cause higher relative proportions of  low‐quality (i.e. more asymmetric) adults. Under such scenario,  the  lowest  levels  of  FA  would  be  expected  in  intermediately‐stressed populations  where  the majority  of  individuals  are  born  with  low  to  intermediate levels of FA and highly asymmetric ones suffer from increased mortality. Unlike tarsi, however, rectrices re‐grow after each (natural or induced) episode of feather moult, and rectrix FA can therefore be expected to be less biased due to differential survival or  dispersal  and  better  reflect  environmental  stress  effects  at  the  site  of  capture. Contrary  to  our  expectation,  however,  growth  bar  width  was  not  significantly 

Page 73: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Fluctuating  asymmetry as a biomarker of nutritional stress? 

63  

correlated with  rectrix  FA  either.  Finally,  predicted  relationships  between  FA  and growth bar size were based on presumed nutritional stress effects on adults, while nestlings might be stressed differently as they depend more strongly on insect food. Given  the  results of  the nest  studies mentioned above, however,  it  is unlikely  that nestlings in all populations were exposed to equal nutritional conditions.  

Second,  relationships  between  nutritional  stress  and  FA  may  have  been present but masked due to statistical problems. Rectrix FA in house sparrows showed a  low  signal  (FA)  to  noise  (ME)  ratio,  resulting  in  low  statistical  power  to  detect differences between treatments or relationships with other variables  (Van Nuffel et al.,  2007).  Heterogeneity  in  signal‐to‐noise  ratio  of  tarsus  and  rectrix  FA  and/or variation  in  “windows  of  opportunity”  (Clarke,  1998)  between  nutritional  stress effects on  tarsi  (nestling, pre‐dispersal)  and  rectrices  (post‐fledging, post‐dispersal) may be  responsible  for  the  low  level of between‐trait  correlation  in  individual and population level FA measured in our study. Such low concordance is in line with most empirical  studies  on  natural,  free‐living  populations  (Clarke,  1995;  Gangestad  and Thornhill, 1999; Aparicio and Bonal, 2002; Cuervo and Restrepo, 2007; but see Lens and Van Dongen, 1999; Van Dongen  et  al., 1999c) despite  the  fact  that organism‐wide asymmetry is implicitly assumed in most evolutionary models of FA (Dufour and Weatherhead, 1996). More general, Moller and  Jennions  (2002) showed  that effect sizes  in  FA  studies  do  not  differ  from  those  in  ecological  and  evolutionary  studies where the amount of variance explained by the factor of interest is often as low as 5‐7%. Under  such  conditions,  hundreds  of  samples might  be  required  to  reject  null hypotheses with high statistical power  (i.e. 80% or more). Since sample sizes  in this study were more modest  (i.e. within  the  range  expected  for  ecological  studies  on free‐ranging  populations),  small  effects may  have  remained  undetected  and  non‐significant effects should be interpreted with caution.  

Apart from low statistical power, FA also comprises a relatively weak estimator of  the  underlying  developmental  instability  (Van  Dongen,  1998; Whitlock,  1998), despite  recent  developments  in  the  statistical  analysis  of  DI  (Van  Dongen  et  al., 1999a, 1999b; Gangestad et al., 2001; Waldmann, 2004). This  is particularly true for individual‐level FA estimation, where the level of developmental instability (variance) is estimated from two data points (left and right trait values) only (Whitlock, 1996). Due to sampling variability, house sparrows with equal intrinsic ability to buffer their development against random perturbations may either show low or high levels of FA, which  inevitably  causes a downward bias  in  relationships with  FA  (Whitlock, 1996; Van  Dongen,  1998).  However,  given  the  fact  that  a  substantial  number  of  house sparrows were measured  in each study plot (mean number ± SE per plot: FA rectrix 

Page 74: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 2 

64 

15 ± 2  ind; FA  tarsus 49 ± 7  ind) and  that each of  these  individuals constituted an independent  sampling  unit  in  population‐level  comparisons  (Whitlock,  1996),  high sampling variability cannot explain the low Population Asymmetry Parameter (Soule, 1967) measured in our study. 

Third,  consistent  relationships  with  fluctuating  asymmetry  may  be  absent because FA  in  rectrix and  tarsus  length does not  constitute a  sensitive  indicator of nutritional  stress  effects  in  house  sparrows.  As  the  sensitivity  of  homeostatic processes  has  been  hypothesized  to  be  positively  related  to  the  level  of  stress endured  during  ontogeny  (Parsons,  1990,  1992;  Kodric‐Brown,  1997;  Shykoff  and Moller, 1999), FA may be insensitive as index of environmental stress in populations exposed to low or intermediate levels of nutritional stress. Here, house sparrows are unlikely to face strong energetic challenges, and all individuals ‐ including low quality ones ‐ may display low levels of FA. If this is the case, relationships with FA would be expected to be more consistent in highly‐stressed populations, due to the unmasking of  low‐quality  individuals.  However,  the  strength  of  relationships with  FA  did  not depend on nutritional stress in our study. Alternatively, the development of tarsi and rectrices  may  be  strongly  buffered  in  house  sparrows,  such  that  high  energetic constraints  do  not  result  in  loss  of  developmental  stability.  Empirical  evidence  is growing  that  traits  with  high  functional  value  are  subject  to  strong  stabilizing selection, because small deviations from the expected phenotype may already result in  substantial  fitness  loss  (Balmford and Thomas, 1992; Thomas, 1993), and  to  low levels of asymmetric development (Balmford et al., 1993; Clarke, 1995; Aparicio and Bonal, 2002; Karvonen et al., 2003). By studying traits that were directly or indirectly related  to mobility  (i.e. hopping on  the ground and maneuvering during  flight), we may unintentionally have constrained the stress sensitivity of FA indices in our study.  

In conclusion, results of our study on house sparrows do not support the use of FA in tarsus and rectrix length as a reliable estimator of nutritional stress inferred from feather growth rate (see Moller, 1996; Polo and Carrascal, 1999 and references therein  for  similar  findings),  nor  do  they  support  the  existence  of  organism‐wide asymmetry.  Rather,  our  results  suggest  that  developmental  instability  is  either insensitive  to  nutritional  stress  in  this  species,  or  poorly  reflected  in  patterns  of fluctuating asymmetry due to (population) ecological or statistical reasons, or highly trait‐ and context‐specific. Such uncertainty continues to hamper the use of FA as a robust and universal bio‐indicator in urban planning.  

Page 75: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Fluctuating  asymmetry as a biomarker of nutritional stress? 

65  

ACKNOWLEDGEMENT We wish to thank H. Matheve, T. Cammaer and C. Nuyens for field assistance, 

and  two  anonymous  reviewers  for  their  helpful  comments  that  considerably improved  the  quality  of  the manuscript.  This  study  was  financially  supported  by research project 01J01808 of Ghent University to LL. 

 REFERENCES  Ambo‐Rappe,  R.,  Lajus,  D.L.,  Schreider,  M.J.,  2008.  Increased  heavy  metal  and 

nutrient  contamination  does  not  increase  fluctuating  asymmetry  in  the seagrass Halophila ovalis. Ecol. Ind. 8, 100‐103. 

Anderson, T.R., 2006. Biology of the ubiquitous house Sparrow. Oxford Univ. Press. 

Aparicio,  J.M.,  Bonal,  R.,  2002.  Why  do  some  traits  show  higher  fluctuating asymmetry  than  others?  A  test  of  hypotheses  with  tail  feathers  of  birds. Heredity 89, 139‐144. 

Arendt, R.G., 1996. Conservation design for subdivision.  Island Press, Washington D. C.  

Auffray,  J.C.,  Renaud,  S.,  Alibert,  P.,  Nevo,  E.,  1999.  Developmental  stability  and adaptive  radiation  in  the  Spalax ehrenbergi  superspecies  in  the Near‐East.  J. Evol. Biol. 12, 207‐221. 

Baker,  M.,  1995.  Environmental  component  of  latitudinal  clutch‐size  variation  in house sparrows (Passer domesticus). Auk 112, 249‐252. 

Balmford,  A.,  Jones,  I.L.,  Thomas,  A.L.R.,  1993. On  avian  asymmetry  ‐  evidence  of natural‐selection  for symmetrical  tails and wings  in birds. Proc. R. Soc. Lond. 252, 245‐251. 

Balmford, A., Thomas, A., 1992. Swallowing ornamental asymmetry. Nature 359, 487. 

Bignal, K., Ashmore, M., Power, S., 2004. The ecological effects of diffuse air pollution from road traffic. English Nature Research Report 580, Peterborough, UK. 

Bjorksten, T.A., Fowler, K., Pomiankowski, A., 2000. What does sexual trait FA tell us about stress? Trends Ecol. Evol.15, 163‐166. 

Brown, L.R., Gardner, G., Halweil, B., 1998. Beyond Malthus:  sixteen dimensions of the  population  problem.  Worldwatch  paper  143.  Worldwatch  Institute, Washington, D. C. 

Page 76: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 2 

66 

Carcamo, H.A., Floate, K.D., Lee, B.L., Beres, B.L., Clarke, F.R., 2008. Developmental instability  in  a  stem‐mining  sawfly:  Can  fluctuating  asymmetry  detect  plant host stress in a model system? Oecologia 156, 505‐513. 

Clarke, G.M., 1993. Fluctuating asymmetry of invertebrate populations as a biological indicator of environmental quality. Environ. Pollut. 82, 207‐211. 

Clarke,  G.M.,  1995.  Relationships  between  developmental  stability  and  fitness  ‐ application for conservation biology. Conserv. Biol. 9, 18‐24. 

Clarke, G.M., 1998. The  genetic basis of developmental  stability.  IV.  Individual and population asymmetry parameters. Heredity 80, 553‐561. 

Clarke, G.M., Brand, G.W., Whitten, M.J., 1986. Fluctuating asymmetry ‐ a technique for measuring developmental stress caused by inbreeding. Aust. J. Biol. Sci. 39, 145‐153. 

Clarke,  G.M.,  McKenzie,  L.J.,  1992.  Fluctuating  asymmetry  as  a  quality‐control indicator for insect mass rearing processes. J. Econ. Entomol. 85, 2045‐2050. 

Cuervo, A.M., Restrepo, C. 2007. Assemblage and population‐level consequences of forest fragmentation on bilateral asymmetry in tropical montane birds. Biol. J. Linn. Soc. 92, 119‐133. 

Dufour, K.W., Weatherhead, P.J., 1996.  Estimation of organism‐wide  asymmetry  in red‐winged  blackbirds  and  its  relation  to  studies  of mate  selection.  Proc. R. Soc. Lond. 263, 769‐775. 

Earle,  R.A.,  1988.  Reproductive  isolation  between  urban  and  rural  populations  of Cape  sparrows  and  house  sparrows.  Acta  XIX  Congressus  Internationalis Ornithologici, 1778‐1786. 

Eggert, A.K., Sakaluk, S.K., 1994. Fluctuating asymmetry and variation  in  the  size of courtship food gifts in decorated crickets. Am. Nat. 144, 708‐716. 

Fiering, S., Whitelaw, E., Martin, D.I.K., 2000. To be or not to be active: the stochastic nature of enhancer action. Bioessays 22, 381‐387. 

Freeman,  D.C.,  Brown, M.L.,  Duda,  J.J.,  Graraham,  J.H.,  Emlen,  J.M.,  Krzysik,  A.J., Balbach,  H.,  Kovacic,  D.A.,  Zak,  J.C.,  2005.  Leaf  fluctuating  asymmetry,  soil disturbance  and  plant  stress:  a multiple  year  comparison  using  two  herbs, Ipomoea pandurata and Cnidoscolus stimulosus. Ecol. Ind. 5, 85‐95. 

Gangestad, S.W., Thornhill, R. 1999. Individual differences in developmental precision and fluctuating asymmetry: a model and its implications. J. Evol. Biol. 12, 402‐416. 

Page 77: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Fluctuating  asymmetry as a biomarker of nutritional stress? 

67  

Gangestad,  S.W.,  Bennett,  K.L.,  Thornhill,  R.  2001.  A  latent  variable  model  of developmental  instability  in  relation  to men's sexual behaviour. Proc. R. Soc. Lond. 268, 1677‐1684. 

Gorur, G., 2006. Developmental  instability  in cabbage aphid  (Brevicoryne brassicae) populations exposed to heavy metal accumulated host plants. Ecol. Ind. 6, 743‐748. 

Grubb, T.C., 1989. Ptilochronology  ‐  feather growth bars as  indicators of nutritional status. Auk 106, 314‐320. 

Grubb,  T.C.,  2006.  Ptilochronology:  feather  time  and  the  biology  of  birds.  Oxford University Press, New York. 

Grubb,  T.C.,  Cimprich,  D.A.,  1990.  Supplementary  food  improves  the  nutritional condition of wintering woodland birds  ‐ evidence from ptilochronology. Ornis Scand. 21, 277‐281. 

Hole, D.G., Whittingham, M.J., Bradbury, R.B., Anderson, G.Q.A., Lee, P.L.M., Wilson, J.D.,  Krebs,  J.R.,  2002.  Widespread  local  house  sparrow  extinctions  ‐ agricultural  intensification  is blamed for the plummeting populations of these birds. Nature 418, 931‐932. 

Hopton, M.E., Cameron, G.N., Cramer, M.J., Polak, M., Uetz, G.W., 2009. Live animal radiography  to  measure  developmental  instability  in  populations  of  small mammals after a natural disaster. Ecol. Ind. 9, 883‐891. 

Huggett,  R.J.,  Kimerle,  R.A.,  Mehrle,  P.M.J.,  Bergman,  H.L.,  1992.  Biomarkers: biochemical,  physiological,  and histological markers  of  anthropogenic  stress. Boca Raton, Lewis Publishers, Florida. 

Jakob,  E.M., Marshall,  S.D.,  Uetz,  G.W.,  1996.  Estimating  fitness:  a  comparison  of body condition indices. Oikos 77, 61‐67. 

Karvonen,  E.,  Merilä,  J.,  Rintamäki,  P.T.,  Van  Dongen,  S.,  2003.  Geography  of fluctuating asymmetry in the greenfinch, Carduelis chloris. Oikos 100, 507‐516. 

Knierim, U., Van Dongen S., Forkman, B., Tuyttens, F.A.M., Spinka, M., Campo,  J.L., Weissengruber,  G.E.,  2007.  Fluctuating  asymmetry  as  an  animal  welfare indicator ‐ A review of methodology and validity. Physiol. Behav. 92, 398‐421. 

Kodric‐Brown,  A.,  1997.  Sexual  selection,  stabilizing  selection  and  fluctuating asymmetry in two populations of pupfish (Cyprinodon pecosensis). Biol. J. Linn. Soc. 62, 553‐566. 

Page 78: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 2 

68 

Leamy,  L., 1993. Morphological  integration of  fluctuating  asymmetry  in  the mouse mandible. Genetica 89, 139‐153. 

Lens,  L., Van Dongen,  S., 1999. Evidence  for organism‐wide asymmetry  in  five bird species  of  a  fragmented  Afrotropical  forest.  Proc.  R.  Soc.  Lond.  266,  1055‐1060. 

Lens, L., Van Dongen, S., Kark, S., Matthysen, E., 2002. Fluctuating asymmetry as an indicator of fitness: can we bridge the gap between studies? Biol. Rev. 77, 27‐38. 

Leung, B., Forbes, M.R., 1996. Fluctuating asymmetry in relation to stress and fitness: effects of trait type as revealed by meta‐analysis. Ecoscience 3, 400‐413. 

Ludwig,  W.,  1932.  Das  rechts‐links‐problem  im  tierreich  und  beim  menschen. Springer, Berlin. 

Manel, S., Debouzie, D., 1995. Prediction of egg and larval development times in the field under variable temperatures. Acta Oecol.‐Int. J. Ecol. 16, 205‐218. 

Mayer,  F.L.,  Versteeg, D.J., Mckee, M.J.,  Folmar,  L.C., Graney,  R.L., McCume, D.C., Rattner, B.A., 1992. Physiological and nonspecific biomarkers, in: Huggett, R.J., Kimerle, R.A., Mehrle, P.M.J., Bergman, H.L.  (Eds.), Biomarkers: biochemical, physiological,  and  histological markers  of  anthropogenic  stress.  Boca  Raton, Lewis Publishers, Florida, pp. 5‐86. 

McAdams,  H.H.,  Arkin,  A.,  1999.  It's  a  noisy  business!  Genetic  regulation  at  the nanomolar scale. Trends Genet. 15, 65‐69. 

Moller, A.P., 1996. Development of fluctuating asymmetry in tail feathers of the barn swallow Hirundo rustica. J. Evol. Biol. 9, 677‐694. 

Moller, A.P., Swaddle, J.P., 1997. Asymmetry, developmental stability, and evolution. Oxford University Press, Oxford. 

Moller, A.P., Jennions, M.D. 2002. How much variance can be explained by ecologists and evolutionary biologists? Oecologia 132, 492‐500. 

Murphy, M.E., King,  J.R. 1991. Ptilochronology  ‐ a critical evaluation of assumptions and utility. Auk, 108, 695‐704. 

Nillson,  J.‐A.,  1994.  Energetic  stress  and  the  degree  of  fluctuating  asymmetry: implications for a long‐lasting, honest signal. Evol. Ecol. 8, 248‐255. 

O'Meara, M., 1999. Reinventing cities for people and the planet. Worldwatch paper 147. Worldwatch Institute, Washington, D. C. 

Page 79: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Fluctuating  asymmetry as a biomarker of nutritional stress? 

69  

Palmer,  A.R.,  1994.  Fluctuating  asymmetry:  a  primer,  in:  Markow,  T.  (Ed.), Developmental  instability‐  Its  origins  and  evolutionary  implications.  Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, pp. 335‐364. 

Palmer, A.R., 1996. Waltzing with asymmetry. Bioscience 46, 518‐532. 

Palmer,  A.R.,  Strobeck,  C.,  1986.  Fluctuating  asymmetry  ‐ measurement,  analysis, patterns. Annu. Rev. Ecol. Syst. 17, 391‐421. 

Parsons, P.A., 1990. Fluctuating asymmetry and stress intensity. Trends Ecol. Evol. 5, 97‐98. 

Parsons, P.A., 1992. Fluctuating asymmetry  ‐ a biological monitor of environmental and genomic stress. Heredity 68, 361‐364. 

Peach, W.J.,  Vincent,  K.E.,  Fowler,  J.A.,  Grice,  P.V.,  2008.  Reproductive  success  of house sparrows along an urban gradient. Anim. Conserv. 11, 493‐503. 

Polak,  M.  2003.  Developmental  instability:  Causes  and  consequences.  Oxford University Press, Oxford. 

Polo, V., Carrascal, L.M., 1999. Ptilochronology and fluctuating asymmetry in tail and wing feathers in coal tits Parus ater. Ardeola 46, 195‐204. 

Reeve,  E.C.R.,  1960.  Some  genetic  tests  on  asymmetry  of  sternopleural  chaeta number in Drophila. Genet. Res. 1, 151‐172. 

Shaw, L.M., Chamberlain, D., Evans, M., 2008. The house Sparrow Passer domesticus in urban areas: reviewing a possible link between post‐decline distribution and human socioeconomic status. J. Ornithol. 149, 293‐299. 

Shykoff,  J.A.,  Moller,  A.P.,  1999.  Fitness  and  asymmetry  under  different environmental conditions in the barn swallow. Oikos 86, 152‐158. 

Soulé, M.E., 1967. Phenetics of natural populations. II. Asymmetry and evolution in a lizard. Am. Nat. 101, 141‐159. 

Soulé,  M.E.,  1991.  Land‐use  planning  and  wildlife  maintenance  ‐  guidelines  for conserving wildlife in an urban landscape. J. Am. Plan. Assoc. 57, 313‐323. 

Takaki, Y., Eguchi, K., Nagata, H., 2001. The growth bars on tail feathers  in the male Styan's grasshopper warbler may indicate quality. J. Avian Biol. 32, 319‐325. 

Thomas, A.L.R., 1993. On the aerodynamics of bird tails. Philos. Trans. R. Soc. Lond. 340, 361‐380.  

Page 80: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 2 

70 

Van Dongen, S., 1998. The distribution of  individual fluctuating asymmetry: Why are the coefficients of variation of the unsigned FA so high? Ann. Zool. Fenn. 35, 79‐85. 

Van Dongen,  S.,  Lens,  L., Molenberghs, G.,  1999a. Mixture  analysis  of  asymmetry: modelling  directional  asymmetry,  antisymmetry  and  heterogeneity  in fluctuating asymmetry. Ecol. Lett. 2, 387‐396. 

Van Dongen,  S., Molenberghs, G., Matthysen,  E.,  1999b.  The  statistical  analysis  of fluctuating asymmetry: REML estimation of a mixed regression model. J. Evol. Biol. 12, 94‐102. 

Van  Dongen,  S.,  Sprengers,  E.,  Löfstedt,  C.,  1999c.  Correlated  development, organism‐wide  asymmetry  and  patterns of  asymmetry  in  two moth  species. Genetica 105, 81‐91. 

Vangestel,  C., Braeckman, B.  P., Matheve, H.,  Lens,  L.,  2010.  Constraints  on  home range behaviour affect nutritional condition  in urban house sparrows  (Passer domesticus). Biol. J. Linn. Soc., 101, 41–50. 

Van Nuffel, A., Tuyttens, F.A.M., Van Dongen, S., Talloen, W., Van Poucke, E., Sonck, B.,  Lens,  L.,  2007.  Fluctuating  asymmetry  in  broiler  chickens:  a  decision protocol  for trait selection  in seven measuring methods. Poult. Sci. 86, 2555‐2568. 

Verbeke,  G.,  Molenberghs,  G.,  2000.  Linear  mixed  models  for  longitudinal  data. Springer‐Verlag, New York. 

Waldmann,  P.  2004.  A  quantitative  genetic method  for  estimating  developmental instability. Evolution 58, 238‐244. 

Whitlock, M., 1996. The heritability of fluctuating asymmetry and the genetic control of developmental stability. Proc. R. Soc. Lond. 263, 849‐853. 

Whitlock,  M.,  1998.  The  repeatability  of  fluctuating  asymmetry:  a  revision  and extension. Proc. R. Soc. Lond. 265, 1429‐1431.  

 

 

Page 81: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

71 

Chapter 3 

Developmental stability covaries with genome‐wide and  single‐locus heterozygosity in house sparrows 

 

Carl VANGESTEL, Joachim MERGEAY, Deborah A. DAWSON, Viki VANDOMME & 

Luc LENS 

 

Plos One, submitted 

 

 

©Chantal Deschepper 

 

   

Page 82: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

72 

ABSTRACT Fluctuating  asymmetry  (FA),  a measure  of  developmental  instability,  has  been hypothesized to increase with genetic stress. Despite numerous studies providing empirical  evidence  for  associations  between  FA  and  genome‐wide  properties such as multi‐locus heterozygosity, support for single‐locus effects remains scant. Here we  test  if,  and  to what  extent,  FA  co‐varies with  single‐  and multilocus markers  of  genetic  diversity  in  house  sparrow  (Passer  domesticus)  populations along an urban gradient.  In  line with  theoretical expectations, FA was  inversely correlated  with  genetic  diversity  estimated  at  genome  level.  However,  this relationship was largely driven by variation at a single key locus. Contrary to our expectations, relationships between FA and genetic diversity were not stronger in individuals from urban populations that experience higher nutritional stress. We conclude that loss of genetic diversity adversely affects developmental stability in P.  domesticus,  and more  generally,  that  the molecular  basis  of  developmental stability  may  involve  complex  interactions  between  local  and  genome‐wide effects.  Further  study  on  the  relative  effects  of  single‐locus  and  genome‐wide effects  on  the  developmental  stability  of  populations  with  different  genetic properties, is therefore needed.  

INTRODUCTION Developmental  stability  refers  to  the ability of an organism  to achieve a 

phenotypic endpoint, predetermined by its genotype and the environment, along a  developmental  pathway  in  the  face  of  random  perturbations  [1].  Because developmental  stability  has  been  shown  to  decrease  with  environmental  and genetic stress and  to correlate with  fitness  traits such as  fecundity, competitive ability, parasite resistance and survival (see reviews in for example [1, 2, 3]), it has received much  attention  in  ecology  and  conservation  biology.  Furthermore,  as developmental instability may increase morphological variation and reveal cryptic genetic  variation  (e.g.  [4]),  it  can  affect  evolutionary  processes,  and  possibly speciation, too [5].  

Population  and  individual  levels  of  developmental  stability  are  most commonly estimated by corresponding  levels of  fluctuating asymmetry  (FA),  i.e. small,  random deviations  from perfect  left‐right symmetry  in bilateral  traits  [6]. Developmental stability and FA are inversely related to one another as high levels of  FA  reflect poor developmental  stability. Developmental  theory assumes  that left  and  right  trait  sides  reflect  two  independent  replicates  of  the  same developmental event and should therefore develop symmetrically in the absence of  random  perturbations  [3].  While  empirical  studies  revealed  positive relationships  between  FA  and  genetic  stress  (reviewed  by  [7,8]),  numerous inconclusive  examples  nourish  the  debate  over  the  generality  of  these 

Page 83: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

73  

relationships [9,10]. Relationships between FA, stress and fitness have not always been consistent in the past but seem to be highly variable and species, stress and trait specific [2,3]. Heterogeneity in the strength or direction of relationships with FA  may  result  from  complex  genotype‐environment  interactions  [11].  For example,  the  fact  that  relationships  between  FA  and  heterozygosity were  only significant under suboptimal rearing conditions  in  the  freshwater  fish Gambusia holbrooki  [12],  suboptimal  foraging  conditions  in  the  forest  bird  Turdus  helleri [13],  and  suboptimal  growing  conditions  in  the  flowering plant  Lychnis  viscaria [14], suggests that developmental stability may be traded‐off against other vital life‐history traits when individuals become energetically challenged [12,13,15].  

Based  on  developmental  and  genetic  theory,  at  least  two  hypothetical mechanisms underlying  the  genetic basis of developmental  stability have been put  forward  [7,9,]:  (i)  the heterozygosity hypothesis  states  that  individuals with high  levels  of  protein  heterozygosity  are  developmentally  stable  as  a  result  of dominance or overdominance effects  [8,16,17,18]. Genetic dominance  refers  to increased  expression  of  deleterious  recessive  alleles  in  homozygote  individuals [19], whereas genetic overdominance refers to superior biochemical efficiency of individuals that are heterozygous for genes at marker loci (‘true overdominance’) or at non‐neutral genes tightly  linked to the  latter (‘associative overdominance’) [7,20,21,22].  Both  genetic  dominance  and  ‘associative’  overdominance  imply genetic  disequilibria,  however,  the  ecological  conditions  under  which  these disequilibria occur, can differ. Genetic dominance is most strongly associated with non‐random  association  of  diploid  genotypes  in  zygotes  (identity  disequilibria) which  is  common  under  partial  inbreeding  [17]. Associative  overdominance,  in turn,  is  more  strongly  associated  with  non‐random  associations  of  alleles  at different  loci  in  gametes  (linkage  disequilibria),  which  typically  occurs  under recent  population  bottlenecks  followed  by  rapid  population  expansion  or intermixing  of  genetically  differentiated  populations;  (ii)  the  genomic  co‐adaptation hypothesis states that balanced co‐adapted gene complexes result  in higher developmental stability because natural selection favours alleles at many different  loci  that  ‘harmoniously’  interact during  the developmental process  to produce  stable  phenotypes  [7,9,16].  Strong  selection  or  outbreeding  has  been shown to break up such co‐adapted gene complexes [7,9]. 

While numerous studies have provided empirical evidence for associations between developmental stability and genome‐wide processes such as multi‐locus heterozygosity,  evidence  for  single  locus  effects  (local  effect  hypothesis  sensu [16,17,23])  is still scant. A study of  inactive/null alleles at  lactate dehydrogenase 

Page 84: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

74 

(LDH)  loci  in  rainbow  trout  (Oncorhynchus  mykiss)  showed  reduced  levels  of developmental stability in heterozygotes, probably due to a reduction in enzyme activity despite potential beneficial effects of chromosomal heterozygosity [24]. A study on blowflies (Lucilia cuprina) showed that developmental stability in bristle numbers  (but not wing  characters)  initially decreased upon exposure  to a new pesticide  but  restored  after  modification  of  the  genetic  background  through natural selection [25]. While loss of developmental stability was first explained by a disruption of co‐adapted gene complexes, further study revealed direct effects of single resistance and modifier genes [26]. Recently, transcriptional knockdown techniques demonstrated  the  involvement of heath  shock protein genes  in  the molecular  control  of  developmental  stability  in  Drosophila  melanogaster  and Arabidopsis thaliana [27,28]. 

Here we study how developmental stability in a metric trait co‐varies with indices  of  genome‐wide  and  single‐locus  genetic  diversity  in  microsatellite markers, within  and  among  26 house  sparrow  (Passer  domesticus) populations along an urban gradient. Despite the wealth of analytic tools developed for non‐coding neutral markers and  their presumed suitability  to  test  relationships with genetic  diversity,  few  studies  have  applied  such markers  to model  single‐  and multi‐locus  relationships with  developmental  stability  [29,30,31].  Based  on  the following ecological and genetic evidence, relationships between developmental stability  and  genetic  diversity  are  predicted  to  be  stronger  in more  urbanized areas.  First,  urban  house  sparrows  are more  strongly,  energetically  challenged than  suburban and  rural  individuals  [32,33]. A previous  study  confirmed  that a similar  stress  gradient was apparent within our  study area  [34].  Second, urban populations are on average smaller than suburban and rural ones  (C. Vangestel, unpublished  data).  Under  reduced  population  sizes,  variation  in  inbreeding, estimates of genome‐wide diversity based on restricted numbers of markers [21], and  statistical  power  to  detect  relationships with  developmental  stability,  are expected  to  increase.  Individual‐level  FA  and  genetic  estimates  of multi‐locus diversity  show high  sampling variability. The  former  represents variances based on  two  data  points  (e.g.  left  and  right) while  the  latter  attempts  to  estimate genome‐wide  characteristics  using  only  a  limited  number  of markers. As  such, both  estimates  may  become  very  noisy  and  are  therefore  regarded  as  weak estimates  of  complex  biological  processes  such  as  respectively  developmental stability  [35,36]  and  genome‐wide  diversity  [37].  Consequently,  associations between  both  estimates  can  be  expected  to  be  low  (see  [37]  for  a  general discussion) while  joint  analysis  of  average  values  between  groups  can  still  be done with  reasonable accuracy as  long as  the number of sampled  individuals  is 

Page 85: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

75  

high.  As  the  strength  of  relationships  between  developmental  stability  and genetic diversity may hence vary with the hierarchical  level of statistical analysis [31,39,40], hypotheses are tested at the level of populations and individuals. 

MATERIAL AND METHODS 

Ethics Statement 

All  procedures  involving  animals  were  reviewed  and  approved  by  the Animal Ethics Committee of Ghent University (Permit Number ECP 08/05). 

Study site 

House sparrows were sampled along an urban gradient  ranging  from  the city centre of Ghent  (northern Belgium) and  its suburban periphery  to  the rural village of Zomergem, located ca. 12 km NW of Ghent. Urbanization was measured as the ratio of built‐up to total grid cell area  (each cell measuring 90,000 m² on the  ground)  and  ranged  between  0‐0.10  (  ‘rural’),  0.11‐0.30  (‘suburban’)  and larger  than 0.30  (‘urban’)  (Arcgis  version 9.2.). We  selected 26 plots  along  this gradient (Figure 3.1) in which we captured a total of 690 adult house sparrows by standard mist  netting  between  2003  and  2009  (equal  sex  ratios  in majority  of plots; see Table 4.1  for a detailed outline of  the number of  individuals sampled per  year per  location). Upon  capture, each  individual was  sexed  and  aged  and body mass (to the nearest 0.1g), wing  length (to the nearest 0.5mm) and  length of  the  left  and  right  tarsus  (to  the  nearest  0.01mm;  three  repeated measurements  sequenced  left‐right‐left‐right‐left‐right  or  vice  versa  and  with digital slide calliper reset to zero between two consecutive measurements) were measured. Before release, we collected a small sample of body feathers for DNA analysis and the left and right fifth rectrix (counting outward) for feather growth analysis [34]. 

Fluctuating asymmetry analysis 

To estimate FA  in  tarsus  length at an  individual and population  level, we carried  out  mixed  regression  analysis  with  restricted  maximum  likelihood parameter  estimation  (REML)  to  obtain  unbiased  individual  FA  estimates  [41]. “Side” was modelled  as  a  fixed  effect, while  “individual”  and  “individual*side” were modelled as  random effects.  Individual  FA estimates were obtained  from the  individual  random  effects  (“individual*side”).  First,  we modelled  separate variances  in  measurement  errors  (ME)  for  each  bird  bander  as  the  level  of   

Page 86: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

76 

  Fig. 3.1. Geographical  location of urban  (filled circles), suburban  (open circles) and rural  (filled triangles) study plots within and near  the city of Ghent  (Belgium).  Inner contour encompasses Ghent  city  centre,  outer  contour  encompasses  surrounding  municipalities  and  grey  shading represents built‐up area. 

 

accuracy between banders might differ.  Second we  tested  for  the presence of directional  asymmetry  (fixed  “side”  effect;  DA)  by  F‐statistics,  adjusting  the denominator  degrees  of  freedom  by  Satterthwaite's  formula  [42].  The distribution  of  signed  FA  in  tarsus  length  showed  a  significant  directional component  in all bird banders as measurements of right  tarsi were consistently larger  than  those of  left ones. These differences were attributed  to  the specific handling of a bird when measuring both tarsi and therefore do not compromise the  FA  values as  the mixed  regression model  corrects  for  this  systemic bias by estimating subject‐specific deviations  from  the  fixed  regression slope. Third, we tested  the  significance  of  FA  by  comparing  the  likelihood  of models with  and without  random  “individual*side”  effect. Variation  in  length between  repeated 

Page 87: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

77  

measurements within each side  (ME) was significantly separated  from variation 

between both trait sides (signed FA) (χ²= 8454.7, d.f.=1, p<0.001) and resulted in strong signal‐to‐noise  ratios  (all σFA²/σME² >9.4). Fourth, we calculated unbiased 

signed  FA  values  (subject  specific  slope  deviations  from  the  fixed  regression represented  the amount of asymmetry after correcting  for DA and ME). Finally, we  calculated  absolute  values of  the  signed  FA  values  (unsigned  FA  estimates, further  referred  to  as  “FA”)  for  hypothesis  testing.  These  individual  estimates were used for individual‐based analyses while population mean values were used for analyses  conducted at  the population  level.Fifth, we  compared  the  kurtosis levels of  the  signed FA values  to detect antisymmetry  [43]. Visual  inspection of signed FA values did not  indicate  the presence of antisymmetry as platycurtotic distributions were absent. 

DNA extraction, PCR and genotyping 

Genomic  DNA  was  extracted  from  ten  plucked  body  feathers  using  a Chelex  resin‐based method  (InstaGene Matrix, Bio‐Rad)  [44].  Polymerase  chain reactions  were  organized  in  four multiplex‐sets  and  included  both  traditional ‘anonymous’  microsatellites  as  well  as  those  developed  based  on  expressed sequence  tags.  For  all  loci  full  sequence  length,  chromosome  location  on  the zebra  finch  genome  and  the  nearest  known  zebra  finch  gene  are  given  in  an appendix 3.1.  (genome  locations were assigned using WU‐BLAST 2.0  software). The first multiplex reaction contained Pdoµ1 [45], Pdo32, Pdo47 [46] and TG04‐012 [47]; the second one contained Pdoµ3 [45], Pdoµ5 [48], TG13‐017 and TG07‐022 [47]; the third multiplex reaction contained Pdo10 [48], Pdo16, Pdo19, Pdo22 [46] and TG01‐040 [47]; the last set consisted of Pdo9 [48], TG01‐148 and TG22‐001  [47].  PCR  reactions  were  performed  on  a  2720  Thermal  Cycler  (Applied Biosystems)  in 9 µL volumes and contained approximately 3 µL genomic DNA, 3 µL  QIAGEN  Multiplex  PCR  Mastermix  (QIAGEN)  and  3  µL  primermix (concentrations  were  0.1  µM  (Pdoµ1),  0.12  µM  (TG01‐148),  0.16  µM  (Pdo10, Pdo19,  Pdo22,  Pdo32,  TG04‐012)  and  0.2  µM  (Pdoµ3,  Pdoµ5,  Pdo9,  Pdo16, Pdo47,  TG01‐040,  TG07‐022,  TG13‐017,  TG22‐001)).  The  applied  PCR  profile contained an initial denaturation step of 15 min at 95°C, followed by 35 cycli of 30 s at 94°C, 90 s at 57°C and 60 s at 72°C. Finally, an additional elongation step of 30 min  at  60°C  and  an  indefinite  hold  at  4°C  was  allowed.  Prior  to  genotyping samples were quantified using a ND1000 spectrometer (Nanodrop technologies) and adjusted to a final concentration of 10 ng/µL. Negative and positive controls were employed during extraction and PCR to rule out contamination of reagents and  ensure  adequate  primer  aliquot working,  respectively.  PCR  products were 

Page 88: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

78 

visualized on an ABI3730 Genetic Analyzer (Applied Biosystems), an  internal LIZ‐600 size standard was applied to determine allele size, known standard samples were added to align different runs and fragments were scored using the software package  GENEMAPPER  4.0.  Only  individuals  for  which  at  least  10  markers successfully amplified were selected for subsequent analyses. 

Genetic data analysis 

Because  the genotyping of noninvasive DNA  samples  is potentially prone to artefacts [49,50] we tested  for scoring errors due to stuttering or differential amplification of size‐variant alleles that may cause  drop‐out of large alleles using MICRO‐CHECKER  [51]. The same program was also used  to assess  the observed and expected frequency of null alleles by comparing frequencies of observed and Monte  Carlo  simulated  homozygotes  [52].  All  microsatellite  loci  (n=16)  were checked for Hardy‐Weinberg and  linkage equilibrium with GENEPOP 4.0 [53,54]. Mean  unbiased  expected  heterozygosity  across  all  populations  (He  [55])  was computed  for  each  locus  using  FSTAT  2.9.3.2.  [56].  Individual  genetic  diversity was  estimated  by  (i)  standardized  multilocus  heterozygosity  (hereafter  called 

MLH  [57]),  (ii)  Ritland  inbreeding  coefficients  ( f),  [58])  and  (iii)  squared 

differences in allele size (d², [59,60]). 

(i) MLH was calculated as the ratio of the proportion of typed loci for which a given  individual was heterozygote over  the mean heterozygosity of  those  loci [57],  thereby  eliminating  possible  confounding  effects  of  unbalanced  datasets. Individual MLH estimates were calculated using Rhh [61], an extension package of R (http://www.r‐project.org), which also provides two additional heterozygosity‐based  indices,  i.e.  homozygosity  by  loci  (HL  [62])  and  internal  relatedness  (IR 

[63]). HL weighs the contribution of each locus and is calculated as HL = ∑

∑ ∑, 

where Eh and Ej represent the expected heterozygosities of the homozygous and heterozygous  loci,  respectively.  IR  on  the  other  hand  incorporates  allele frequencies  to  estimate  levels  of  homozygosity.  IR  =  2 ∑ /(2N‐∑ , where H represents the number of homozygous  loci, N the total number of  loci and fi the frequency of the  ith allele  in the genotype. Positive values reflect high levels  of  homozygosity  while  negative  values  are  indicative  for  high heterozygosity.  As  all  three  indices  were  strongly  correlated  (all  |r|>0.97; p<0.001) (Figure 3.2a) and results remained unaffected when based on MLH, IR or HL  (despite  differences  in  the  relative  weight  given  to  alleles  or  loci  when estimating heterozygosity [62]), only results of analyses with MLH are reported. 

Page 89: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

79  

 

Fig. 3.2. Correlation matrix between multi‐locus (a) heterozygosity‐based  indices (MLH, HL and 

IR; see text for details) and (b) genetic diversity indices (MLH, d² and  f)). 

  (ii)  Ritland  estimates were  obtained  from  the  software  program MARK 

(available  at  http://genetics.forestry.ubc.ca/ritland/programs.html)  and 

calculated  as  )(,

2

∑ −=

liil

ilil

ppS

f)

/ )1( −∑l ln , where  i  and  l  represent  alleles  and 

loci,  respectively; Sil equals 1  if both alleles are allele  i or 0 otherwise, Pil  is  the frequency of allele i at locus l and nl denotes the number of alleles at locus l [58]. This unbiased method‐of‐moment estimator  is  thought  to be particularly useful for highly variable markers since precision of the estimate  is proportional to the number of alleles per locus [64].  

(iii) Mean squared distances between two alleles within an individual were calculated as mean  

∑=

−=

n

i niid

1

212 )²(, where  i1 and  i2 are  the  length  in  repeat units of allele 1 

and allele 2 at locus i and n is the number of loci analyzed. By dividing all d² values by the maximum observed value at that locus, effects of highly variable loci were accounted for [63,65]. This estimator is thought to allow inference about the time since coalescence of two alleles, given that alleles of more similar length are more likely  related  by  common  ancestry  [60,65]  and  has  proven  to  be  a  valuable measure in the event of recent admixture of highly differentiated populations and superior fitness of hybrid descendant due to heterosis. Under such conditions, d² is  hypothesized  to  be  the  most  optimal  fitness  predictor  asit  integrates  the migration signature  into  its estimate [65], unlike the other heterozygosity‐based indices. 

Page 90: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

80 

To  test whether  the  number  of  genetic markers  used  in  our  study was sufficient  to make valid  inferences on genome‐wide heterozygosity, we divided our  marker  set  in  two  random  subsets  and  calculated  individual  multilocus heterozygosity  indices  for  each  subset with  the  program  Rhh  [61].  In  order  to make  the  claim  of  genome‐wide  heterozygosity  tenable,  both  subsets  should yield  comparable  estimates  of  individual  multilocus  heterozygosity.  Hence, individual multilocus heterozygosity estimates should be positively correlated and this procedure was repeated 1000 times to obtain confidence intervals for mean heterozygosity‐heterozygosity correlations.  

Statistical analysis 

We  used  Pearson  correlation  coefficients  to  quantify  the  strength  of 

associations between d², MLH and  f), and general  linear models with Gaussian 

error  structure  to  study  between‐plot  variation  in  genetic  diversity  and relationships with  tarsus FA. Observer was added as a  covariate  to account  for possible  confounding  effects  of  between‐observer  heterogeneity  and  analyses were tested at two hierarchical levels: among individuals and among populations (using mean values). Individual‐based analyses were conducted in two ways. First, associations  between  FA  and  genetic  diversity  were  estimated  for  each population  using  an  ANCOVA  model  (population,  genetic  diversity  and  their interaction were modelled as fixed factors). An average within‐population effect was  estimated  using  a  contrast  statement.  Second,  individuals  were  pooled across  all  populations.  While  in  the  former  model  differences  between populations are  ignored, results from the  latter model should resemble those of the  population‐level  analysis  if  strong  population  effects  are  present.  Initially, models  were  run  for  all  markers  combined  (genome‐wide  effects).  Next,  the procedure  was  repeated  per  locus  (unstandardized  heterozygosity  and  d² estimates)  and  the  relationship  between  genetic  variability  and  strength, measured  as  total  variance  explained,  of  these  (single‐locus)  genotype‐FA associations was assessed. Positive Spearman rank correlation coefficients  imply that more heterozygous markers are more informative [23]. Finally, we applied a general linear mixed model to test whether associations between FA and genetic diversity  varied  with  urbanization.  Genetic  diversity,  urbanization,  their interaction  and bird bander were  included  as  fixed  factors.  Study plot  and  the interaction with each index of genetic variation were modelled as random effects. Degrees  of  freedom were  estimated  by  Satterthwaite  formulas  to  account  for statistical dependence  [66]. Per multi‐locus genetic diversity  index a Bonferroni correction  [67] was  applied  to  account  for multiple  comparisons. All  statistical 

Page 91: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

81  

analyses  were  performed  with  program  SAS  (version  9.2.,  SAS  Institute  2008, Cary, NC, USA). 

RESULTS 

Genetic diversity 

All  loci  were  highly  polymorphic  and  most  locus  by  population combinations were  in Hardy‐Weinberg equilibrium, yet some deviations reached significance  after  Bonferroni  correction  (three  populations  for  Pdo47,  two populations for Pdoµ5 and one for resp. Pdo32, Pdo9 and TG13‐017). There was no evidence that scoring errors due to large allele drop‐out or stutter contributed to  this nonequilibrium. To ascertain  that  these deviations did not  influence our results we ran all analyses with and without these five markers. Removing these loci did not alter any of the overall conclusions, hence only results based on the total  dataset  are  reported.  There  was  no  evidence  for  linkage  disequilibrium between  any  pair  of  loci.  Standard  statistics  for  each marker  are  presented  in Table  3.1.  Estimates  of  genetic  diversity  were  significantly  correlated  at  the 

individual  level, most  strongly between  f) and MLH  ( f

)‐MLH:  r=‐0.77, p<0.001; 

d²‐MLH: r=0.52, p<0.001; d²‐ f): r=‐0.40, p<0.001) (Figure 3.2b). MLH was a weak 

predictor  of  genome‐wide  heterozygosity  as  independent  random  sets  of  loci resulted  in  low  (but  significant)  positive  heterozygosity‐heterozygosity 

correlations (mean r= 0.16, 95% CI= [0.10‐0.22]). MLH and  f) significantly varied 

among populations (resp. F25,502=2.35, p=0.0003 and F25,502=2.00, p=0.0031) while d² showed a near‐significant trend (F25,502=1.52, p=0.053). 

Multi­locus association between FA and genetic diversity 

Genetic  diversity  estimated  by MLH  and  f) was  significantly  associated 

with  tarsus  FA  modeled  across  all  individuals.  Highly  homozygous  individuals showed higher levels of FA compared to more heterozygous ones. However, MLH 

and  f) explained only little variation in FA (MLH: F1,517=6.59, p=0.01, R²=0.049;  f

): 

F1,517=4.70,  p=0.03,  R²=0.046)  (Table  3.2).  When  tested  in  each  population 

separately, a similar (non‐significant) trend occurred (MLH: F1,467=1.73, p=0.19;  f)

:  F1,  467=0.70,  p=0.40).  As  opposed  to  the  weak  associations measured  at  the 

individual level, mean values of MLH and  f) were strongly associated with mean 

levels  of  FA  across  all  populations  (MLH:  F1,24=12.31,  p=0.001,  R²=0.34;  f): 

Page 92: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

82 

F1,24=7.88,  p=0.009,  R²=0.25)  (Figure  3.3;  Table  3.2).  In  contrast,  d²  was  not correlated with FA at the individual nor population level (all p>0.15).  

 Table 3.1. Locus specific descriptive statistics for 16 microsatellite markers. 

 

Single­locus association between FA and genetic diversity 

Single‐locus effects at the individual level were in concordance with those based on multiple loci, i.e. individual genotypes failed to explain variation in FA at each locus (all R²≤0.06). When analyzing each microsatellite locus separately, the association between heterozygosity and FA at population  level was strongest at loci Pdoµ1, Pdo16 and TG04‐012, whereas mean differences  in allelic size were strongest  at  locus  Pdo16.  After  sequential  Bonferroni  correction  for  multiple testing, the association at locus Pdoµ1 remained significant (Table 3.3).  

As  all  loci were  in  linkage  equilibrium  and  heterozygosity‐heterozygosity correlations  were  low,  FA  was  modeled  as  a  multiple  regression  with  mean heterozygosity  at  each  locus  as  independent  variable.  A  model  with  all  loci explained 85% of the variance in FA, whereas 43% of the variance was explained by  a model with  locus  Pdoµ1  only,  and  53%  by  a model with  loci  Pdoµ1  and  

 

Locus N N A Ho He f null

TG01‐040 537     6 0.40 0.44 0.028 (0.01)TG01‐148 486     3 0.42 0.38 ‐0.023 (0.02)TG04‐012 549     5 0.53 0.59 0.039 (0.016)TG07‐022 493     5 0.37 0.41 0.026 (0.012)TG13‐017 547     8 0.52 0.64 0.074 (0.015)TG22‐001 478     11 0.34 0.41 0.054 (0.013)Pdoµ1 550     20 0.80 0.85 0.024 (0.009)Pdoµ3 515     19 0.83 0.85 0.015 (0.007)Pdoµ5 523     22 0.76 0.82 0.033 (0.011)Pdo9 442     31 0.65 0.75 0.052 (0.013)Pdo10 596     18 0.78 0.82 0.021 (0.011)Pdo16 549     17 0.81 0.84 0.016 (0.01)Pdo19 573     9 0.60 0.62 0.008 (0.011)Pdo22 578     16 0.73 0.72 ‐0.005 (0.011)Pdo32 491     20 0.59 0.75 0.093 (0.015)Pdo47 562     17 0.68 0.83 0.078 (0.013)

Number of individua ls  genotyped (N), number of distinct al leles  per locus  (NA), observed (Ho) and expected (He) heterozygos i ty and nul l  al lele  frequency (fnull)

Page 93: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

83  

 Fig.  3.3.  Inverse  relationship  between  standardized multilocus  heterozygosity  and  fluctuating asymmetry across 26 house sparrow populations.  

Pdo16  only.  After  removing  one  or  both  loci,  FA‐MLH  relationships  remained significant  (Pdoµ1  removed:  F1,24=9.97,  p=0.0043,  R²MLH=0.29  ;  Pdoµ1+Pdo16 removed:  F1,24=6.94,  p=0.015,  R²MLH=0.22).  The  strength  of  single‐locus  FA‐d² relationships (16 loci) were positively correlated with expected heterozygosity at population level (rs=0.54, p=0.03) but not at individual level (rs=‐0.21, p=0.43). In contrast, FA‐MLH relationships did not significantly vary with genetic diversity (all p>0.58) (Figure 3.4).  

Effects of urbanization on FA­ genotype relationships 

The  strength  of  FA‐MLH  relationships  tested  at  the  individual  level significantly  varied with  urbanization  (F2,513=4.25,  p=0.01):  both  variables were inversely related in rural populations (t513=‐3.73, p=0.002), but unrelated in urban (t513=‐0.45,  p=0.65)  and  suburban  (t513=0.95,  p=0.34)  ones.  In  contrast,  the 

strength  and  direction  of  FA‐ f)  (F2,41.6=0.79,  p=0.46)  and  FA‐d²  (F2,507=2.05, 

p=0.13) relationships did not vary with urbanization. 

 

Page 94: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

84 

Table 3.2. Relationship between  fluctuating asymmetry and  three multi‐locus genetic diversity estimates at three hierarchical levels of statistical analysis. Significant tests are indicated in bold. 

 

 

DISCUSSION Estimates of genetic diversity and developmental stability, averaged across 

individuals, significantly co‐varied in the direction expected by population genetic theory, whereas individual estimates were only weakly associated. Both genome‐wide  and  locus‐specific  estimates  of  genetic  diversity  strongly  correlated with developmental  stability at  the population  level, and  this correlation was mainly driven by genetic variation at two key loci only.  

Whether  relationships  between  developmental  stability  and  genetic variability are driven by genome‐wide heterozygosity or  local effect of key  loci, remains  a  topic  of  much  debate  [7,9].  Relationships  between  proxies  of developmental  stability  and  genetic  variability  have  typically  been  based  on limited  numbers  of  loci  only,  which  were  implicitly  assumed  to  represent genome‐wide  properties.  Such  assumption,  however,  is  only  justified  when repeated  random  subsets  of  markers  give  rise  to  strong  heterozygosity‐heterozygosity  correlations  [61], and  this premise  is often violated  in  randomly mating populations [61,68,69]. As levels of heterozygosity among markers within individuals were only moderately correlated in this study, our results do not fully 

slope (SE) F num, den p R²Individual level across all individuals ‐1.20 (0.83) 2.11 1, 517 0.15 0.041Individual level within population ‐1.02 (0.94) 1.18 1, 467 0.28 ‐Population level ‐3.93 (3.12) 1.59 1, 24 0.22 0.062

slope (SE) F num, den p R²Individual level across all individuals ‐0.49 (0.19) 6.59 1, 517 0.01 0.049Individual level within population ‐0.30 (0.23) 1.73 1, 467 0.19 ‐Population level ‐1.88 (0.54) 12.31 1, 24 0.001 0.339

slope (SE) F num, den p R²Individual level across all individuals 0.63 (0.29) 4.70 1, 517 0.03 0.046Individual level within population 0.33 (0.39) 0.70 1, 467 0.40 ‐Population level 2.18 (0.78) 7.88 1, 24 0.009 0.247

MLH

Ritland estimates

F=F‐test, num,den= numerator and denumerator degrees of freedom, R²= amount of variation in FA explained by heterozygosity. 

Page 95: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

85  

support  the  role  of  genome‐wide  heterozygosity  underlying  relationships with developmental  stability.  Rather,  single‐locus  effects  at  a  few  key  loci,  such  as Pdoµ1, are more likely to drive these relationships.  

 Table 3.3. Relationship between fluctuating asymmetry and single‐locus genetic diversity at the individual (across all individuals) and population level. Statistical significance levels before (bold) and after  (underlined) Bonferroni correction  for multiple tests refer to a critical alpha‐value of 0.05.   

 

Locus He F num, den

p R² F num, den

p R²

TG01‐040 0,45 3,53 1, 495 0,06 0,045 6,8 1, 495 0,01 0,051TG01‐148 0,41 3,05 1, 374 0,08 0,049 1,77 1, 374 0,18 0,046TG04‐012 0,61 0,09 1, 474 0,77 0,039 0,48 1, 474 0,49 0,039TG07‐022 0,43 0,29 1, 433 0,59 0,031 0,21 1, 433 0,65 0,031TG13‐017 0,66 0,91 1, 469 0,34 0,033 0,38 1, 469 0,54 0,032TG22‐001 0,49 0,04 1, 369 0,84 0,027 2,40 1, 369 0,12 0,033Pdoµ1 0,87 0,46 1, 495 0,50 0,041 2,86 1, 495 0,09 0,046Pdoµ3 0,89 0,22 1, 400 0,64 0,025 0,55 1, 400 0,46 0,026Pdoµ5 0,85 0,71 1, 442 0,40 0,038 1,10 1, 442 0,29 0,039Pdo9 0,79 3,15 1, 378 0,08 0,043 0,62 1, 378 0,43 0,036Pdo10 0,84 0,14 1, 477 0,71 0,039 1,51 1, 477 0,22 0,042Pdo16 0,87 0,35 1, 482 0,56 0,042 0,02 1, 482 0,88 0,041Pdo19 0,64 10,81 1, 481 0,001 0,060 6,01 1, 481 0,01 0,051Pdo22 0,74 0,04 1, 500 0,84 0,042 1,19 1, 500 0,27 0,044Pdo32 0,78 1,01 1, 446 0,31 0,028 0,08 1, 446 0,78 0,026Pdo47 0,85 0,5 1, 476 0,48 0,037 0,78 1, 476 0,38 0,037

Locus He F num,  p R² F num,  p R²TG01‐040 0,45 0,09 1, 24 0,76 0,004 0,47 1, 24 0,50 0,019TG01‐148 0,41 0,34 1, 24 0,57 0,014 0,78 1, 24 0,38 0,032TG04‐012 0,61 0,93 1, 24 0,34 0,037 5,09 1, 24 0,03 0,175TG07‐022 0,43 0,02 1, 24 0,90 0,001 0,99 1, 24 0,33 0,040TG13‐017 0,66 2,85 1, 24 0,10 0,106 0,21 1, 24 0,65 0,009TG22‐001 0,49 2,38 1, 24 0,14 0,090 3,13 1, 24 0,09 0,115Pdoµ1 0,87 3,26 1, 24 0,08 0,120 18,17 1, 24 0,001 0,431Pdoµ3 0,89 2,04 1, 24 0,17 0,078 0,02 1, 24 0,88 0,001Pdoµ5 0,85 0,12 1, 24 0,73 0,005 0,53 1, 24 0,47 0,022Pdo9 0,79 0,42 1, 24 0,52 0,017 0,01 1, 24 0,96 0,001Pdo10 0,84 0,59 1, 24 0,45 0,024 0,08 1, 24 0,78 0,003Pdo16 0,87 6,65 1, 24 0,02 0,217 7,33 1, 24 0,01 0,234Pdo19 0,64 0,23 1, 24 0,64 0,009 0,58 1, 24 0,45 0,024Pdo22 0,74 1,34 1, 24 0,26 0,053 0,67 1, 24 0,42 0,027Pdo32 0,78 1,06 1, 24 0,31 0,042 2,28 1, 24 0,14 0,087Pdo47 0,85 2,31 1, 24 0,14 0,088 1,95 1, 24 0,18 0,075

F=F‐test, num,den= numerator and denumerator degrees of freedom, R²= amount of variation in FA explained by heterozygosity. 

Individual level analysis

Population level analysis

d² heterozygosity

d² heterozygosity

Page 96: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

86 

 Fig.  3.4.  Relationship  between  locus  specific  variability  (He)  and  strength  of  the  association between  FA  and  genetic  diversity.  Left panes  represent  analyses  at  the  individual  level,  right panes those at the population level. Associations are shown for two diversity indices: d² (upper panes) and observed heterozygosity (lower panes).  

 

Recent  studies  challenged  the  view  that  high  levels  of  linkage disequilibrium  are  uncommon  in  natural  populations,  especially  in  small, bottlenecked or recently‐mixed populations [70,71,72]. In addition, the selection of markers in genetic studies may be biased if based on the criterion of maximum variability [37], resulting  in a slight overrepresentation of genes under balancing selection  that  retain enhanced  levels of  gene diversity due  to heterosis.  In our study,  both  markers  that  showed  the  strongest  single‐locus  effects  on developmental  stability  also  displayed  very  high  levels  of  heterozygosity. Likewise, fitness traits responded most strongly to the genetic constitution of the four most variable loci in a study on Acrocephalus arundinaceus [70]. Despite the fact that results  from our study provide strong evidence  for single‐locus effects, genome‐wide effects cannot entirely be ruled out as associations between FA and MLH persisted after removal of the two presumed key loci.  

Unlike MLH and Ritland estimates, mean d² only weakly predicted patterns in developmental stability at the population  level. Results from this study hence 

Page 97: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

87  

support  the  conclusion  that heterozygosity‐based measures usually outperform those  based  on  allelic  distances  like  d²  to  estimate  inbreeding  [73]  and  the negative  appraisal  of  the  use  of  squared  distances  between  alleles  to model relationships  with  fitness  or  its  proxies  [74].  Under  recent  admixture  of genetically divergent populations  [65,75] or high variability at microsatellite  loci [65,74,75,76],  however,  the  use  of mean  d² may  still  be  justified. While  some studies showed stronger genotype‐fitness associations with  increasing variability of  the  genetic  marker  under  study  [70,77],  others  failed  to  detect  such relationship  [69]  despite  the  theoretical  prediction  of  such  an  effect  [23]. Our results show that the effect of marker variability and relationships with proxies of fitness can be marker‐dependent. The positive relationship in mean d², but not in both other markers, may be  explained by  the  fact  that highly  variable  loci  are thought  to mutate  in  a  step‐wise mode, which  is  the underlying model  for d²‐based measures [65,78,79]. Yet, even at the most variable  loci, mean d² did not reach equal explanatory power compared to single‐locus heterozygosity.   

It  has  been  hypothesized  that  the  strength  of  relationships  between developmental  stability  and  genetic  diversity  may  depend  on  other  types  of stressors  [2]  and  that  relationships with  genetic  stress or  fitness may be more apparent  under  adverse  conditions,  i.e.  when  individuals  are  energetically challenged  [12,13,15,80]. Results of  this  study are not  in concordance with  this hypothesis  since  FA‐heterozygosity  associations  were  strongest  in  rural,  not urban, populations.  If  juvenile mortality  rates were higher  in urban populations and selective  in relation to FA, highly asymmetric and homozygous adults might be  locally underrepresented, possibly changing  the direction and/or  strength of associations  between  FA  and  genetic  variability. While  nest  studies  on  house sparrows  revealed  increased  rates  of  nestling mortality  when  levels  of  insect abundance were  critically  low  [33],  levels of  FA were not  significantly  lower  in urban  compared  to  suburban  or  rural  populations  in  our  study  area  [81]  and observed proportions of   homozygous  individuals matched the expected ones as populations  were  in  Hardy‐Weinberg  equilibrium.  Hence,  lack  of  support  for interactive  effects  of  nutritional  stress  and  genetic  diversity  in  the  direction predicted,  more  likely  resulted  from  low  statistical  power  of  individual‐level analyses, although we cannot rule out that  levels of stress during trait ontogeny in our study area were lower than those reported in the literature [33] as we did not  quantitatively  gauge  the  amount  of  perceived  stress.  Unfortunately,  the restricted number of urban populations prevented us from testing the interactive stress  hypothesis  at  the  population  level  which  would  have  assisted  us  in 

Page 98: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

88 

differentiating  between  low  statistical  power  and  an  absence  of  stress  as  a possible explanation of the observed individual‐level patterns. 

In  conclusion,  results  of  this  study  provide  strong  evidence  that relationships between developmental stability and heterozygosity can be driven by  local  effects  at  a  few  key  loci  and/or  by  genome‐wide  effects,  the  relative contribution of which may depend on relative  frequencies and  fitness effects of deleterious genes [23]. Despite the fact that local linkage disequilibrium with key loci  is  regarded  as  the  most  promising  mechanism  to  explain  associations between  developmental  stability  and  heterozygosity,  empirical  support  for  the local  effect  hypothesis  remains  scant.  Further  research  is  therefore  needed  to unravel  the  relative  effects  of  single‐locus  and  genome‐wide  processes  on developmental  stability  of  populations with  different  genetic  properties. While developmental  stability  earlier proved  to be weakly  associated with nutritional stress  [81],  relationships with heterozygosity appear  stronger at  the population level,  irrespective  of  the  underlying  genetic  basis.  This  study  emphasizes  again that the accuracy of developmental stability as a proxy for heterozygosity at the individual  level  remains  low  and  the  application  of  individual  FA  estimates  in general should be abandoned. 

ACKNOWLEDGEMENTS We  are  indebted  to  H. Matheve,  T.  Cammaer  and  C.  Nuyens  for  field 

assistance  and  A.  Krupa  and  G.  Horsburgh  for  laboratory  assistance. We  are greatful to two anonymous reviewers for providing helpful comments that greatly improved the manuscript. Genotyping was performed at the NERC Biomolecular Analysis  Facility  funded  by  the  Natural  Environment  Research  Council,  UK. Fieldwork and genetic analyses were funded by research grants G.0149.09 of the Fund  for Scientific Research  ‐ Flanders  (to S. Van Dongen and  LL) and  research grant 01J01808 of Ghent University (to LL). 

REFERENCES 1. Polak  M  (2003)  Developmental  instability:  Causes  and  consequences. 

Oxford University Press, Oxford. 

2. Lens L, Van Dongen S, Kark S, Matthysen E  (2002) Fluctuating asymmetry as an indicator of fitness: can we bridge the gap between studies? Biol Rev 77: 27‐38. 

Page 99: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

89  

3. Graham  JH,  Raz  S,  Hel‐Or  H,  Nevo  E  (2010).  Fluctuating  asymmetry: methods, theory and applications. Symmetry 2: 466‐540. 

4. Breuker C, Debat V, K CP (2006) Functional evo‐devo. Trends Ecol Evol 21: 488‐492.  

5. Badyaev  AV,  Foresman  KR  (2000).  Extreme  environmental  change  and evolution:  stress‐induced morphological  variation  is  strongly  concordant with patterns of evolutionary divergence  in  shrew mandibles. Proc R Soc Lond B Biol Sci 267: 371‐377. 

6. Ludwig  W  (1932)  Das  rechts‐links‐problem  im  tierreich  und  beim menschen. Springer, Berlin, Heidelberg, New York. 

7. Markow  TA  (1995)  Evolutionary  ecology  and  developmental  instability. Annu Rev Entomol 40: 105‐120. 

8. Mitton  JB  (1993) Enzyme heterozygosity, metabolism and developmental stability. Genetica 89: 47‐65. 

9. Clarke  GM  (1993)  The  genetic‐basis  of  developmental  stability  .  I. relationships between stability, heterozygosity and genomic coadaptation. Genetica 89: 15‐23. 

10. Vollestad  LA,  Hindar  K, Moller  AP  (1999)  A meta‐analysis  of  fluctuating asymmetry in relation to heterozygosity. Heredity 83: 206‐218. 

11. Palmer  AR,  Strobeck  C  (1986)  Fluctuating  asymmetry  ‐  measurement, analysis, patterns. Annu Rev Ecol Syst 17: 391‐421. 

12. Mulvey  M,  Keller  GP,  Meffe  GK  (1994)  Single‐locus  and  multiple‐locus genotypes  and  life‐history  responses  of Gambusia‐holbrooki  reared  at  2 temperatures. Evolution 48: 1810‐1819. 

13. Lens  L,  Van  Dongen  S,  Galbusera  P,  Schenck  T,  Matthysen  E  (2000) Developmental  instability  and  inbreeding  in  natural  bird  populations exposed to different levels of habitat disturbance. J Evol Biol 13: 889‐896. 

14. Siikamaki P, Lammi A (1998) Fluctuating asymmetry in central and marginal populations  of  Lychnis  viscaria  in  relation  to  genetic  and  environmental factors. Evolution 52: 1285‐1292. 

15. Talloen W, Lens L, Van Dongen S, Adriaensen F, Matthysen E (2010). Mild stress during development affects the phenotype of great tit Parus major nestlings: a challenge experiment. Biol J Linn Soc 100: 103‐110. 

Page 100: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

90 

16. David  P  (1998)  Heterozygosity‐fitness  correlations:  new  perspectives  on old problems. Heredity 80: 531‐537. 

17. Hansson  B,  Westerberg  L  (2002)  On  the  correlation  between heterozygosity and fitness in natural populations. Mol Ecol 11: 2467‐2474. 

18. Pertoldi  C,  Kristensen  TN,  Andersen  DH,  Loeschcke  V  (2006) Developmental  instability  as  an estimator of  genetic  stress. Heredity 96: 122‐127. 

19. Parsons  PA  (1990)  Fluctuating  asymmetry  ‐  an  epigenetic  measure  of stress. Biol Rev Camb Philos Soc 65: 131‐145. 

20. Lerner IM (1954) Genetic Homeostasis. Olivier and Boyd, Edinburgh. 

21. Mitton JB (1997) Selection in Natural Populations. Oxford University Press, Oxford. 

22. Chapman  JR,  Nakagawa  S,  Coltman  DW,  Slate  J,  Sheldon  BC  (2009)  A quantitative  review  of  heterozygosity‐fitness  correlations  in  animal populations. Mol Ecol 18: 2746‐2765. 

23. Zouros  E  (1993)  Associative  overdominance  ‐  evaluating  the  effects  of inbreeding and linkage disequilibrium. Genetica 89: 35‐46.  

24. Leary  RF,  Allendorf  FW,  Knudsen  KL  (1993)  Null  alleles  at  2  lactate‐dehydrogenase  loci  in  rainbow‐trout  are  associated  with  decreased developmental stability. Genetica 89: 3‐13. 

25. Clarke  GM  (1997)  The  genetic  and  molecular  basis  of  developmental stability: the Lucilia story. Trends Ecol Evol 12: 89‐91. 

26. Clarke  GM,  Yen  JL,  McKenzie  JA  (2000)  Wings  and  bristles:  character specificity of  the asymmetry phenotype  in  insecticide‐resistant  strains of Lucilia cuprina. Proc R Soc Lond B Biol Sci 267: 1815‐1818. 

27. Rutherford SL, Lindquist S  (1998). Hsp90 as a capacitor  for morphological evolution. Nature 396: 336‐342.  

28. Takahashi KH, Rako L, Takano‐Shimizu T, Hoffman AA, Lee SF (2010) Effects of  small  Hsp  genes  on  developmental  stability  and microenvironmental canalization. BMC Evol Biol 10: 284. Doi: 10.1186/1471‐2148‐10‐284. 

29. Kruuk  LEB,  Sheldon  BC, Merila  J  (2002)  Severe  inbreeding  depression  in collared  flycatchers  (Ficedula  albicollis).  Proc  R  Soc  Lond  B  Biol  Sci  269: 1581‐1589. 

Page 101: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

91  

30. Borrell  YJ,  Pineda  H, McCarthy  I,  Vazquez  E,  Sanchez  JA,  et  al.  (2004) Correlations  between  fitness  and  heterozygosity  at  allozyme  and microsatellite  loci  in the Atlantic salmon, Salmo salar L. Heredity 92: 585‐593. 

31. Zachos  FE,  Hartl  GB,  Suchentrunk  F  (2007)  Fluctuating  asymmetry  and genetic  variability  in  the  roe  deer  (Capreolus  capreolus):  a  test  of  the developmental  stability  hypothesis  in mammals  using  neutral molecular markers. Heredity 98: 392‐400. 

32. Liker A, Papp Z, Bokony V, Lendvai AZ  (2008) Lean birds  in  the city: body size  and  condition  of  house  sparrows  along  the  urbanization  gradient.  J Anim Ecol 77: 789‐795. 

33. Peach WJ, Vincent KE, Fowler JA, Grice PV (2008) Reproductive success of house sparrows along an urban gradient. Anim Conserv 11: 493‐503. 

34. Vangestel C, Braeckman BP, Matheve H, Lens L (2010) Constraints on home range  behaviour  affect  nutritional  condition  in  urban  house  sparrows (Passer domesticus). Biol J Linn Soc 101: 41‐50. 

35. Van Dongen S (1998) The distribution of individual fluctuating asymmetry: Why are the coefficients of variation of the unsigned FA so high? Ann Zool Fenn 35: 79‐85. 

36. Whitlock M  (1998) The  repeatability of  fluctuating asymmetry: a  revision and extension. Proc R Soc Lond B Biol Sci 265: 1429‐1431. 

37. Balloux  F,  Amos  W,  Coulson  T  (2004)  Does  heterozygosity  estimate inbreeding in real populations? Mol Ecol 13: 3021‐3031. 

38. Moller AP,  Jennions MD  (2002) How much variance  can be explained by ecologists and evolutionary biologists? Oecologia 132: 492‐500. 

39. Hartl  GB,  Suchentrunk  F,  Willing  R,  Petznek  R  (1995)  Allozyme heterozygosity  and  fluctuating  asymmetry  in  the  brown  hare  (Lepus europaeus): A  test  of  the  developmental  homeostasis  hypothesis.  Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 350: 313‐323. 

40. Karvonen  E, Merila  J,  Rintamaki  PT,  van Dongen  S  (2003) Geography  of fluctuating asymmetry in the greenfinch, Carduelis chloris. Oikos 100: 507‐516. 

Page 102: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

92 

41. Van Dongen S, Molenberghs G, Matthysen E (1999) The statistical analysis of fluctuating asymmetry: REML estimation of a mixed regression model. J Evol Biol 12: 94‐102. 

42. Verbeke G, Molenberghs G  (2000)  Linear mixed models  for  longitudinal data. Springer‐Verlag, New York. 

43. Knierim  U,  Van  Dongen  S,  Forkman  B,  Tuyttens  FAM,  Spinka M,  et  al. (2007) Fluctuating asymmetry as an animal welfare indicator ‐ A review of methodology and validity. Physiol Behav 92: 398‐421. 

44. Walsh  PS,  Metzger  DA,  Higuchi  R  (1991)  Chelex‐100  as  a  medium  for simple  extraction  of  dna  for  pcr‐based  typing  from  forensic  material. BioTechniques 10: 506‐513. 

45. Neumann K, Wetton  JH  (1996) Highly polymorphic microsatellites  in  the house sparrow Passer domesticus. Mol Ecol 5: 307‐309. 

46. Dawson  DA,  Horsburgh  GJ,  Krupa  A,  Stewart  IRK,  Skjelseth  S  et  al.  A predicted  microsatellite  map  of  the  house  sparrow  Passer  domesticus genome. (Re‐submitted to Mol Ecol Resour) (In preparation). 

47. Dawson DA, Horsburgh GJ, Küpper C,  Stewart  IRK, Ball AD   et  al.  (2010) New methods to identify conserved microsatellite loci and develop primer sets  of  high  cross‐species  utility  ‐  as  demonstrated  for  birds. Mol  Ecol Resour 10: 475‐494. 

48. Griffith  SC,  Dawson  DA,  Jensen  H,  Ockendon  N,  Greig  C,  et  al.  (2007) Fourteen  polymorphic  microsatellite  loci  characterized  in  the  house sparrow Passer domesticus (Passeridae, Aves). Mol Ecol Notes 7: 333‐336. 

49. Dakin EE, Avise  JC  (2004) Microsatellite null alleles  in parentage analysis. Heredity 93: 504‐509. 

50. Gebhardt  KJ, Waits  LP  (2008)  High  error  rates  for  avian molecular  sex identification primer  sets applied  to molted  feathers.  J Field Ornithol 79: 286‐292. 

51. Van  Oosterhout  C,  Hutchinson WF, Wills  DPM,  Shipley  P  (2004) Micro‐checker:  software  for  identifying  and  correcting  genotyping  errors  in microsatellite data. Mol Ecol Notes 4: 535‐538. 

52. Brookfield  JFY  (1996)  A  simple  new  method  for  estimating  null  allele frequency from heterozygote deficiency. Mol Ecol 5: 453‐455. 

Page 103: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

93  

53. Rousset  F  (2008)  Genepop  '  007:  a  complete  re‐implementation  of  the Genepop software for Windows and Linux. Mol Ecol Resour 8: 103‐106. 

54. Raymond  M,  Rousset  F  (1995)  GENEPOP  (Version  ‐1.2)  ‐  population‐genetics software for exact tests and ecumenicism. J Hered 86: 248‐249. 

55. Nei M  (1978)  Estimation of  average heterozygosity  and  genetic distance from a small number of individuals. Genetics 89: 583‐590. 

56. Goudet  J  (1995) FSTAT  (Version 1.2): A computer program  to calculate F‐statistics. J Hered 86: 485‐486. 

57. Coltman  DW,  Pilkington  JG,  Smith  JA,  Pemberton  JM  (1999)  Parasite‐mediated  selection  against  inbred  Soay  sheep  in  a  free‐living,  island population. Evolution 53: 1259‐1267. 

58. Ritland  K  (1996)  Estimators  for  pairwise  relatedness  and  individual inbreeding coefficients. Genet Res 67: 175‐185. 

59. Coulson T, Albon S, Slate  J, Pemberton  J  (1999) Microsatellite  loci  reveal sex‐dependent  responses  to  inbreeding  and  outbreeding  in  red  deer calves. Evolution 53: 1951‐1960. 

60. Pemberton  JM,  Coltman  DW,  Coulson  TN,  Slate  J  (1999)  Using microsatellites  to  measure  fitness  consequences  of  inbreeding  and outbreeding.  In: Microsatellites Evolution and Applications, Goldstein DB, Schlötterer C, eds., pp. 151‐164. Oxford University Press, Oxford. 

61. Alho  JS,  Välimäki  K, Merilä  J  (2010)  Rhh:  an  R  extension  for  estimating multilocus  heterozygosity  and  heterozygosity‐heterozygosity  correlation. Mol Ecol Resour 10: 720‐722. 

62. Aparicio  JM,  Ortego  J,  Cordero  PJ  (2006)  What  should  we  weigh  to estimate heterozygosity, alleles or loci? Mol Ecol 15: 4659‐4665. 

63. Amos W, Wilmer  JW,  Fullard  K,  Burg  TM,  Croxall  JP,  et  al.  (2001)  The influence of parental relatedness on reproductive success. Proc R Soc Lond B Biol Sci 268: 2021‐2027. 

64. Sweigart A, Karoly K, Jones A, Willis JH (1999) The distribution of individual inbreeding  coefficients  and  pairwise  relatedness  in  a  population  of Mimulus guttatus. Heredity 83: 625‐632. 

65. Hansson B (2010) The use (or misuse) of microsatellite allelic distances  in the  context of  inbreeding and  conservation genetics. Mol Ecol 19: 1082‐1090. 

Page 104: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

94 

66. Littell RC, Milliken WW, Stroup WW, Wolfinger RD  (1996) SAS system  for mixed models. SAS Institute Inc., Cary, NC, USA. 

67. Rice WR (1989) Analyzing tables of statistical tests. Evolution 43: 223‐225. 

68. Chakraborty R (1981) The distribution of the number of heterozygous  loci in an individual in natural‐populations. Genetics 98: 461‐466. 

69. Slate J, Pemberton JM (2002) Comparing molecular measures for detecting inbreeding depression. J Evol Biol 15: 20‐31. 

70. Hansson B, Westerdahl H, Hasselquist D, Akesson M, Bensch S (2004) Does linkage disequilibrium generate heterozygosity‐fitness correlations in great reed warblers? Evolution 58: 870‐879. 

71. Reich  DE,  Cargill M,  Bolk  S,  Ireland  J,  Sabeti  PC,  et  al.  (2001)  Linkage disequilibrium in the human genome. Nature 411: 199‐204. 

72. McRae AF, McEwan  JC, Dodds KG, Wilson  T, Crawford AM,  et  al.  (2002) Linkage disequilibrium in domestic sheep. Genetics 160: 1113‐1122 

73. Coltman DW, Slate J (2003) Microsatellite measures of inbreeding: A meta‐analysis. Evolution 57: 971‐983. 

74. Tsitrone  A,  Rousset  F,  David  P  (2001)  Heterosis,  marker  mutational processes and population inbreeding history. Genetics 159: 1845‐1859. 

75. Coulson  TN,  Pemberton  JM, Albon  SD,  Beaumont M, Marshall  TC,  et  al. (1998) Microsatellites reveal heterosis  in red deer. Proc R Soc Lond B Biol Sci 265: 489‐495. 

76. Kretzmann  M,  Mentzer  L,  DiGiovanni  R,  Leslie  MS,  Amato  G  (2006) Microsatellite diversity and  fitness  in stranded  juvenile harp  seals  (Phoca groenlandica). J Hered 97: 555‐560. 

77. Heath  DD,  Bryden  CA,  Shrimpton  JM,  Iwama  GK,  Kelly  J,  et  al.  (2002) Relationships  between  heterozygosity,  allelic  distance  (d²),  and reproductive  traits  in  chinook  salmon, Oncorhynchus  tshawytscha.  Can  J Fish Aquat Sci 59: 77‐84. 

78. Schlotterer  C  (2000)  Evolutionary  dynamics  of  microsatellite  DNA. Chromosoma 109: 365‐371. 

79. Lai  YL,  Sun  FZ  (2003)  The  relationship  between  microsatellite  slippage mutation  rate  and  the  number  of  repeat  units. Mol  Biol  Evol  20:  2123‐2131. 

Page 105: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Developmental stability covaries with heterozygosity 

95  

80. Kark  S,  Safriel  UN,  Tabarroni  C,  Randi  E  (2001)  Relationship  between heterozygosity  and  asymmetry:  a  test  across  the  distribution  range. Heredity 86: 119‐127. 

81. Vangestel  C,  Lens  L  (2011)  Does  fluctuating  asymmetry  constitute  a sensitive  biomarker  of  nutritional  stress  in  house  sparrows  (Passer domesticus)? Ecol Ind 11:389‐394. 

82. Dawson DA, Burke T, Hansson B, Pandhal J, Hale MC, et al. (2006) A predicted microsatellite map of the passerine genome based on chicken‐passerine sequence similarity. Mol Ecol 15: 1299‐1320. 

   

Page 106: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 3 

96 

Appendix 3.1. Details of  the 16 microsatellites used  in  this  study,  their  location on  the  zebra finch (Taeniopygia guttata) genome and the position of the nearest known zebra finch gene.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

App

endix. Details of the

 16 microsatellites used

 in this stud

y, there location

 on the zebra fin

ch (Taeniop

ygia guttata

) genom

e and the po

sition

 of the

 nearest kno

wn zebra fin

ch gene. 

Locus

EMBL 

accession 

number

Full 

sequ

ence 

leng

thLocation

 in the

 zebra finch geno

me§

ZF con

tig

Nearest gene on

 ZF map

Tgut nam

e (Burt, Roslin)

Description

 gene

TG01

‐040

a,cDV57

6233

832

Chr 1A

: 42,62

0,54

2Co

ntig20

.15

Chr 1A

: 42,62

1,70

7‐42

,624

,796

 reverse strand

DUSP6

Dual specificity protein ph

osph

atase 6

TG01

‐148

a,cCK

3015

1284

9Ch

r 1: 65,23

7,14

0Co

ntig3.57

0Ch

r 1: 65,24

4,24

5‐65

,244

,574

 reverse strand

PDCH

9‐1

Protocadherin‐9 precursor

TG04

‐012

a,cCK

3068

1065

7Ch

r 4A

: 17,04

4,57

3 (&

 unkno

wn chr)

Contig15

.108

6Ch

r 4A

: 16,98

6,07

3‐17

,044

,190

 forw

ard strand

ARH

GEF9

Rho guanine nu

cleotide

 exchange factor 9

TG07

‐022

a,cDV94

8210

715

Chr 7: 11,94

0,14

0 & Chr7: 11,97

0,62

7Co

ntig5.13

86Ch

r 7: 11,91

5,85

0‐11

,964

,575

 reverse strand

IFIH1

Interferon

‐indu

ced helicase C do

main‐containing

 protein 1

TG13

‐017

a,cCK

3134

2285

3Ch

r 13

: 18,54

2Co

ntig14

7.4

Chr 13

: 18,14

2‐21

,075

 reverse strand

EGR1

Early grow

th respo

nse protein 1

TG22

‐001

a,cCK

3173

3365

4Ch

r 22

: 1,428

,098

 (& unkno

wn chr)

Contig11

7.57

Chr 22

: 1,429

,499

‐1,460

,562

 reverse strand

BNIP3L

BCL2/adeno

virus E1B 19

 kDa protein‐interacting protein 3‐like

Pdoµ

1b,d

AM28

7188

191

Chr 1A

: 34,30

0,91

5Co

ntig20

.275

Chr 1A

: 34,26

9,53

3‐34

,271

,134

 forw

ard strand

DYRK2

Dual specificity tyrosine

‐pho

spho

rylation

‐regulated

 kinase 2

Pdoµ

3b,d

AM28

7190

 27

7Ch

r 8: 1,939

,316

 (& unkno

wn chr)

Contig42

.252

Chr 8: 1,951

,927

‐2,011

,591

 reverse strand

PLA2G

4ACytosolic pho

spho

lipase A2

Pdoµ

5b,d

Y151

2639

0Ch

r 4: 48,50

1,86

1Co

ntig11

.688

Chr 4: 48,57

9,77

5‐48

,683

,197

 reverse strand

TBC1

D1

TBC1

 dom

ain family m

ember 1

Pdo9

b,d

AF354

423

518

Chr 24

: 5,327

,333

 (& unkno

wn chr)

Contig70

.208

Chr 24

: 5,258

,154

‐5,276

,865

 forw

ard strand

ATP21

APo

tassium‐transpo

rting ATPase alph

a chain 2

Pdo1

0b,d

AF354

424

311

Chr 1: 58,66

9,56

2Co

ntig3.82

9Ch

r 1: 58,29

9,86

4‐58

,682

,577

 forw

ard strand

ENOX1

Ecto‐NOX disulfide

‐thiol exchanger 1

Pdo1

6b,d

AM15

8995

294

Chr 2: 96,82

7,81

6Co

ntig34

.193

Chr 2: 96,80

3,20

2‐96

,810

,698

 forw

ard strand

ZADH1

Zinc‐binding

 alcoh

ol dehydrogenase dom

ain‐containing

 protein 2

Pdo1

9b,d

AM15

8998

341

Chr 2: 33,98

3,67

9Co

ntig4.10

20Ch

r 2: 33,91

0,19

8‐34

,156

,663

 reverse strand

not available

no description

Pdo2

2b,d

AM15

9001

146

Chr 4: 9,128

,968

Contig92

.145

Chr 4: 9,131

,494

‐9,150

,548

 forw

ard strand

IL15

Interleukin‐15

 precursor

Pdo3

2b,d

AM15

9011

361

Chr 1: 41,86

5,02

4Co

ntig8.93

1Ch

r 1: 41,78

1,85

8‐42

,261

,992

 reverse strand

GPC

6Glypican‐6 precursor

Pdo4

7b,d

AM15

9027

282

Chr5: 5

4,45

2,77

7Co

ntig1.24

03Ch

r 5: 54,57

3,87

3‐54

,712

,474

 reverse strand

BRF1

Transcription factor IIIB 90 kD

a subu

nit

a  EST based microsatellites, b Ano

nymou

s microsatellites, isolated

 via tradition

al cloning

Source species: c zebra finch, d hou

se sparrow

§  Genom

e location

s in the

 zebra finch were assigned

 using

 the

 WU GSC

 BLAST softw

are provided

 by the Washington University server fo

llowing [82]

Page 107: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

97 

Chapter 4 

Characterizing  spatial  genetic  structure  in  contemporary  house 

sparrow populations along an urbanization gradient 

 

Carl  VANGESTEL,  Joachim  MERGEAY,  Deborah  A.  DAWSON,  Tom  CALLENS,  Viki 

VANDOMME and Luc LENS 

 

 

©Chantal Deschepper 

 

   

Page 108: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

98 

ABSTRACT House sparrows (Passer domesticus) have suffered major declines in urban as well as rural  areas, while  remaining  relatively  stable  in  suburban  ones.  The  difference  in timing, magnitude and progress of this urban and rural decline has suggested that the rural area on the one hand and the urban and suburban ones on the other hand, can be regarded as two distinct and independent units. Here we use neutral DNA markers to study if and how genetic variation can be partitioned in a hierarchical way among different urbanization  classes. Principal  coordinate analyses  seemed  to  confirm  the hypothesis that urban/suburban and rural populations comprise two distinct genetic clusters  although  the  difference  remained  weak.  Comparison  of  Dest  values  at different hierarchical scales provided evidence for population differentiation through genetic drift. Isolation by distance was not observed in either the urban/suburban or rural  area,  but  there  was  evidence  of  such  a  pattern  when  all  populations  were included  into  a  single  analysis.  Hence,  the  association  between  genetic  and geographical  distance  was most  likely  driven  by  genetic  differences  between  the urban/suburban  and  rural  areas.  The  results  shown  here  can  be  used  as  baseline information  for  future  genetic  monitoring  programmes  and  provide  additional insights into contemporary house sparrow dynamics along an urbanization gradient. 

INTRODUCTION Population connectivity, mediated by dispersal, influences many key ecological 

and evolutionary  features  (Ronce, 2007).  It affects population growth  rates,  spatial distribution  of  genetic  diversity  across  populations,  local  adaptation  and  global population dynamics  (Ronce, 2007; Lowe and Allendorf, 2010). Connectivity among populations  is  one  of  the  key  determinants  of  long‐term  population  viability  and profoundly  affects  resilience  to  demographic,  genetic  and  environmental disturbances  (Hanski,  1999).  Although  conservation  biologists  sometimes  refer  to connectivity as a phenomenon per se, genetic and demographic connectivity are two fundamentally  distinct  concepts which  cannot  be  used  interchangeably  (Lowe  and Allendorf,  2010).  Genetic  connectivity,  the  extent  to  which  gene  flow  affects evolutionary processes (Lowe and Allendorf, 2010) does not always provide  insights into  demographic  connectivity,  the  degree  to  which  immigration  affects  growth, survival and birth rates (Taylor and Dizon, 1999; Lowe and Allendorf, 2010), and vice versa. A  solid understanding on population  substructure and exchange of migrants between populations has thus become a major goal of many ecological studies as  it can substantially  facilitate management decisions.  In the past such  information was limited to costly and time‐consuming long‐term demographical studies, but with the emergence  of modern  advanced molecular  techniques  useful  and  complementary end‐results  can  often  be  obtained  simply  by  dint  of  sampling  a  fraction  of  the population  at  a  single moment  in  time.  In  addition,  according  to  the management objectives  in question, use of genetic studies may complement other studies aiming 

Page 109: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

99  

to delineate appropriate biological conservation units (Taylor and Dizon, 1996, 1999; Avise, 1995).  

House  sparrows  (Passer  domesticus),  once  a  thriving  ubiquitous  species (Anderson 2006), have suffered a dramatic decline  in abundance and distribution  in built‐up and rural habitats during the  last decades (Hole et al. 2002; Chamberlain et al. 2007; De Laet and Summers‐Smith 2007). Within the built‐up environment we can differentiate between urban populations, which have suffered massive declines, and suburban ones which have  remained  rather  stable. Evidence has accumulated  that these  urban  and  rural  reductions  vary  considerably  both  spatially  as  well  as temporally  (De Laet and Summers‐Smith 2007; Shaw et al. 2008). The onset of  the rural  decline  precedes  the  urban  one  and  while  in  the  former  numbers  have stabilized, albeit at a  lower  level, they continue to plummet  in highly urbanized city centres  (De  Laet  and  Summers‐Smith  2007).  Agricultural  intensification,  inversely related to survival rate as a consequence of reduced  food availability, has generally been  accepted  as  the  proximate  cause  of  the  rural  decline  (Hole  et  al.  2002).  In contrast, a myriad of putative hypotheses have been put  forward  in an attempt  to explain  the  decline  in  highly  urbanized  areas  but  none  of  them  seem  to  be unanimously  persuasive.  Urban  crashes  have  been  linked  to  loss  of  source‐sink dynamics (Hole 2001; Wilson 2004), increased predation pressure (Shaw et al. 2008; Bell  et  al.  2010),  detrimental  effects  of  vehicle  emissions  (Bignal  et  al.  2004)  and electromagnetic  pollution  from mobile  phone masts  (Balmori  and  Hallberg  2007; Everaert and Bauwens 2007; Balmori 2009). To date,  the most compelling evidence stems  from  a nest‐box  study  conducted along  an urban  gradient, which  suggested reduced  reproductive  output  due  to  insufficient  invertebrate  availability  and subsequent  deficit  in  local  recruitment  as  a major  contributor  of  urban  decline  in house sparrow numbers (Peach et al. 2008).  

House sparrows are among the most sedentary of all passerine birds (Heij and Moeliker 1990; Anderson 2006). Estimates of mean postnatal dispersal distance  for this species are as low as 1‐1.7km (Cheke 1972; Paradis et al. 1998) and adults tend to remain  faithful  to  the colony  in which  they  first breed  (Summers‐Smith 1988). This sedentary behaviour combined with the difference in timing, magnitude and progress of the decline have led to the general belief that urban and suburban populations on the  one  hand  and  rural  ones  on  the  other  hand,  comprise  two  distinct  and independent  units  and  hence  call  for  separate  conservation  strategies  (Anderson 2006; De Laet and Summers‐Smith 2007; Shaw et al. 2008). This  implicitly assumes that both habitats are characterized by a high degree of  isolation and are to a  large extent self‐sustainable  (Wilson 2004). This view has been challenged by Heij  (1985) 

Page 110: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

100 

who  concluded  in  his  study  that  both  urban  and  rural  populations  were  highly dependent on suburban  immigrants for their  long‐term viability.  In addition, several other  studies  revealed no  (large) genetic dissimilarities between populations  in  the absence of geographical barriers  (Fleisher 1983; Parkin and Cole 1984; Kekkonen et al.  2010).  However,  all  these  studies  share  a  common  feature  as  they  describe dispersal and/or genetic structure well before the onset of the decline. Interestingly, Hole (2001) did report significant genetic structure and loss of connectivity between neighbouring  farms  in  a  rural  area  well  after  the  decline  has  commenced.  Local extinction without  recolonization may  transform a contiguous distribution of house sparrow populations  into a patchy one, a pattern currently observed  (especially)  in many urban areas (Shaw et al. 2008; Vangestel unpublished data). As house sparrows most  likely used  to disperse according  to a stepping‐stone pattern  (Kekkonen et al. 2010), loss of intermediate ‘stepping‐stones’ combined with their intrinsic sedentary nature (Anderson 2006) may have reduced or even inhibited contemporary dispersal between adjacent colonies  (Hole 2001). Hole  (2001) was among the  first to suggest that  such  loss  of  (intermediate)  populations  may  gradually  increase  distances between  remaining  source‐sink populations up  to a point at which metapopulation dynamics become  constrained and populations  genetically diverge. He argued  that this  may  ultimately  result  in  an  extinction‐vortex  that  spreads  throughout  the landscape.  Particularly  less  vagile  species  such  as  house  sparrows  are  expected  to show increased vulnerability to such landscape alterations (Hole 2001; Sekercioglu et al. 2002) and a tendency towards greater population structure (Stangel 1990). Hence, together with the observed  large‐scale reductions  in urban house sparrow numbers (De  Laet  and  Summers‐Smith  2007),    we  could  expect  that  contemporary  urban house sparrow populations are particularly susceptible to processes like genetic drift and that exchange of migrants between contemporary populations may have become problematic in this species.  

As  such,  historical  estimates  of  genetic  connectivity  do  not  necessarily resemble  current ones  as dispersal  rates may have  changed  substantially over  the course of  time.  Yet, no  attempt has been made  to obtain detailed  information on small‐scale genetic structure in three different urbanization classes for this species in its  post‐decline  era.  This  paucity  of  information  advocates  for  an  urgent  need  to bridge this lacuna. In the current study we use genetic variation across microsatellite loci  to  identify  small‐scale  genetic  differentiation  and  changes  in  genetic  diversity along an urban‐rural gradient and relate this to putative demographic changes. These results  may  further  contribute  to  our  general  understanding  of  contemporary population dynamics of house sparrows in an urban‐rural landscape. 

Page 111: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

101  

MATERIAL AND METHODS 

Study site and species 

House sparrows were studied in and around the city centre of Ghent (northern Belgium) and in an adjacent rural area near the village of Zomergem, ca. 12km NW of Ghent. The degree of urbanization was measured as the ratio of built‐up to total grid cell area (each cell measuring 90,000 m² on the ground) and ranged between 0‐0.10 (henceforward  referred  to  as  ‘rural’),  0.11‐0.30  (‘suburban’)  and  larger  than  0.30 (‘urban’)  (Arcgis version 9.2). Within  this  range we selected 26 plots  (figure 4.1),  in which we  captured  a  total  of  690  adult  house  sparrows  by  standard mist  netting between 2003 and 2009  (table 4.1) and attempted  to obtain an equal  sex  ratio of males  and  females within each plot. Although  samples were  collected over  a  time span of 6  years  there  is no  evidence  that  large  changes  in  allele  frequencies have occurred during this period so samples were pooled across years. Upon capture, we took  standard morphological measurements  (see Vangestel  et  al.  2010  for details) and collected a small sample of body feathers for DNA analysis.  

DNA extraction, PCR and genotyping 

We applied a Chelex resin‐based method  (InstaGene Matrix, Bio‐Rad)  (Walsh et  al.  1991)  to  extract  genomic  DNA  from  a  total  of  ten  plucked  body  feathers. Sixteen microsatellite markers  (both  traditional  ‘anonymous’ microsatellites as well as  those  developed  based  on  expressed  sequence  tags  (table  4.2)) were  selected based on  their polymorphism and  stutter profile. Polymerase  chain  reactions were organized in four multiplex‐sets and compatibility between primer pairs was checked using AutoDimer  (Vallone  and  Butler  2004).  The  first multiplex  reaction  contained Pdoµ1  (Neumann  and Wetton 1996), Pdo32, Pdo47  (Dawson et  al.  in preparation) and TG04‐012 (Dawson et al. 2010); the second one contained Pdoµ3 (Neumann and Wetton, 1996), Pdoµ5  (Griffith et al. 1999), TG13‐017 and TG07‐022  (Dawson et al. 2010);  the  third multiplex  reaction  contained  Pdo10  (Griffith  et  al.  2007),  Pdo16, Pdo19, Pdo22 (Dawson et al. in preparation) and TG01‐040 (Dawson et al. 2010); the last set consisted of Pdo9 (Griffith et al. 2007), TG01‐148 and TG22‐001 (Dawson et al.  2010).  PCR  reactions  were  performed  on  a  2720  Thermal  Cycler  (Applied Biosystems)  in 9 µL volumes and contained approximately 3 µL genomic DNA, 3 µL QIAGEN Multiplex  PCR Mastermix  (QIAGEN)  and  3  µL  primer mix  (concentrations were 0.1 µM  (Pdoµ1), 0.12 µM  (TG01‐148), 0.16 µM  (Pdo10, Pdo19, Pdo22, Pdo32, TG04‐012)  and  0.2  µM  (Pdoµ3,  Pdoµ5,  Pdo9,  Pdo16,  Pdo47,  TG01‐040,  TG07‐022, TG13‐017, TG22‐001)). The applied PCR profile contained an initial denaturation step of 15 min at 95°C, followed by 35 cycli of 30 s at 94°C, 90 s at 57°C and 60 s at 72°C. 

Page 112: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

102 

Finally, an additional elongation step of 30 min at 60°C and an indefinite hold at 4°C was allowed. Prior to genotyping sample DNA concentrations were quantified using a ND1000 spectrometer (Nanodrop Technologies) and adjusted to a final concentration of 10 ng/µL. Negative controls were employed during extraction and PCR to rule out contamination  of  reagents.  PCR  products  were  visualized  on  an  ABI3130  Genetic Analyzer  (Applied  Biosystems),  an  internal  LIZ‐600  size  standard  was  applied  to determine  allele  size  and  fragments  were  scored  using  the  software  package GENEMAPPER 4.0.  

 

Table  4.1.  Schematic  overview  of  the  number  of  individuals  sampled  per  year  per  location. Abbreviations refer to populations described in table 3 (Introduction).  

 

Population(a) 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

OW‐R 5 25DB‐R 27EI‐R 19 9GB‐R 29HS‐R 6 10 3 6ME‐R 29HY‐R 23MS‐R 27 3PD‐R 3 14 12PS‐R 18 12RS‐R 23VM‐R 7 19SD‐R 12 4FM‐SU 2 16 11DR‐SU 12 12 5HL‐SU 1 7 17 5MB‐SU 2 20 6SC‐SU 2 7 6 8SS‐SU 8 5 17WB‐SU 2 12 14WO‐SU 23 7ML‐SU 20 3 6EB‐U 7 6 3 1PH‐U 7 5 10 4VI‐U 3 4 6 5 2 2SP‐U 7 9 4 1 3

(a) Last letter refers to urbanization class (R=rural; SU= suburban; U= urban)

Page 113: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

103  

 Fig. 4.1. Map showing urban (filled circles), suburban (open circles) and rural (filled triangles) study plots within  and near  the  city of Ghent  (Belgium).  Inner  contour  encompasses Ghent  city  centre, outer contour encompasses surrounding municipalities. Abbreviations refer to populations described in table 3 (Introduction). 

Page 114: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

104 

Microsatellite analysis 

We  used MICRO‐CHECKER  (Van  Oosterhout  et  al.  2004)  to  identify  scoring errors that could be attributed to stuttering, differential amplification of size‐variant alleles causing  large allele drop‐out or the presence of null alleles. All microsatellite loci were checked for Hardy‐Weinberg and linkage equilibrium with GENEPOP version 4.0 (Raymond and Rousset 1995, Rousset 2008) and a family‐wise error rate of 0.05 was obtained by employing a sequential Bonferroni correction as suggested by Weir (1990).  

Patterns of genetic diversity along urbanization classes.  

Genetic diversity  for each  locus‐population combination was quantified using three  statistics:  allelic  richness  (A[g]),  observed  (Ho)  and  unbiased  expected heterozygosity  (He; Nei 1978). Measures of heterozygosity were computed  in FSTAT version  2.9.3.2  (Goudet,  1995),  while  allelic  richness  was  calculated  using  ARES version  1.2.2  (Van  Loon  et  al.,  2007).  This  latter measure  is  highly  dependent  on sample  size  (Kalinowski 2004)  and patterns of  allelic diversity may be obscured or even reversed when samples of different sizes are compared (Van Loon et al., 2007). We  used  the  rarefaction  method  (Hurlbert  1971)  to  compensate  for  potential confounding  effects  of  such  variation  in  sample  numbers.  Rather  than  using  the smallest observed sample size as a reference sample size which might result in a loss of  information  or  decrease  in  accuracy  (Van  Loon  et  al.  2007),  the  algorithm implemented  in the ARES package allows extrapolation to a user‐predefined sample size. The average number of gene  copies  (g) per population  in our dataset was 40 which we  therefore  used  as  the  common  sample  size.  The  significance  of  spatial heterogeneity in genetic diversity indices between the three urbanization classes was calculated using 1000 permutations. We used DEMEtics version 0.8.0 (Gerlach et al. 2010)  to  calculate pair‐wise  levels of  genetic differentiation  among  all populations and  overall  levels  of  genetic  differentiation  within  each  urbanization  class.  We preferred  to  calculate  Dest  instead  of  the more  traditional  Fst  values  because  the former  is  independent of  the  level of  loci polymorphism and  therefore yields more sensible and easily interpretable estimates of population differentiation (Jost 2008). A permutation approach with 1000 iterations was used to assess the level of statistical significance. We  tested whether  isolation  by  distance  contributed  substantially  to genetic differentiation by correlating genetic distance, Dest/(1‐ Dest), with geographical distance (Bohonak 2002).  

 

   

Page 115: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

105  

Table 4.2. Locus specific summary statistics for 16 microsatellite markers.  

 

Inference of population structure 

We  explored  multiple  avenues  for  investigating  the  genetic  population structure. First, we performed an individual‐based Bayesian analysis implemented in STRUCTURE version 2.2 (Pritchard et al. 2000) to delineate clusters (K) of  individuals based  on  their  multilocus  genotypes.  Without  a  priori  knowledge  of  source populations  the  algorithm  attempts  to  find  groups  of  individuals  that  minimize deviations  from Hardy‐Weinberg  and  linkage disequilibrium  (Pritchard et  al. 2000). Ten  independent  runs of K= 1‐26 were  run at 200 000 Markov Chain Monte Carlo repetitions  and  a  burn‐in  period  of  100  000  under  the  admixture  model  with correlated  allele  frequencies  and  no  prior  placed  on  the  population  of  origin. We used the modal value of the ad hoc quantity ΔK, which is based on the second order rate of change of the  likelihood  function  (ln Pr  (X|K), as a model choice criterion to detect  the  true  K  (Evanno  et  al.  2005).  This  approach  overcomes  difficulties  in estimating  the  true  K  in  case  likelihood  values  increase with  stepwise  values  of  K (Pritchard et al. 2007). When ΔK failed to reveal an unambiguous signal we chose the most parsimonious model having the highest mean value of  ln Pr (X|K) as the most optimal model (Pritchard et al. 2007). We tested an alternative clustering algorithm 

 

     locus   N N A Ho He Dest f null

TG01‐040a 537 6 0.40 0.44 0.019 (0.010 , 0.029) 0.028 (0.01)TG01‐148a 486 3 0.42 0.38 ‐0.005 (‐0.016 , 0.007) ‐0.023 (0.02)TG04‐012a 549 5 0.53 0.59 0.002 (‐0.016 , 0.020) 0.039 (0.016)TG07‐022a 493 5 0.37 0.41 0.022 (0.012 , 0.031) 0.026 (0.012)TG13‐017a 547 8 0.52 0.64 0.028 (0.008 , 0.049) 0.074 (0.015)TG22‐001a 478 11 0.34 0.41 0.020 (0.005 , 0.034) 0.054 (0.013)pdoµ1 550 20 0.80 0.85 0.067 (0.032 , 0.102) 0.024 (0.009)pdoµ3 515 19 0.83 0.85 0.128 (0.078 , 0.178) 0.015 (0.007)pdoµ5 523 22 0.76 0.82 0.289 (0.243 , 0.335) 0.033 (0.011)pdo9 442 31 0.65 0.75 0.236 (0.193 , 0.279) 0.052 (0.013)pdo10 596 18 0.78 0.82 0.072 (0.037 , 0.107) 0.021 (0.011)pdo16 549 17 0.81 0.84 0.061 (0.025 , 0.097) 0.016 (0.01)Pdo19 573 9 0.60 0.62 0.039 (0.021 , 0.057) 0.008 (0.011)Pdo22 578 16 0.73 0.72 0.034 (0.015 , 0.053) ‐0.005 (0.011)pdo32 491 20 0.59 0.75 0.069 (0.038 , 0.100) 0.093 (0.015)pdo47 562 17 0.68 0.83 0.156 (0.118 , 0.194) 0.078 (0.013)

a EST based microsatellites

Number of individuals  genotyped (N), number of distinct alleles per locus (NA), observed (Ho) and expected (He)

heterozygosity, genetic differentiation (Dest) and null allele frequency (fnull)

Page 116: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

106 

using  INSTRUCT (Gao et al. 2007) which  is an extension of STRUCTURE but does not require Hardy‐Weinberg  equilibrium within  clusters  and  jointly  estimates  levels  of population  inbreeding  and  population  structure.  Besides  estimating  a  population inbreeding  coefficient,  identical  settings  as  those  for  STRUCTURE  were  used  in INSTRUCT.  Replicate  cluster  analyses  were  aligned  using  CLUMPP  version  1.1.2 (Jakobsson  and  Rosenberg  2007)  and  displayed  using  the  graphical  program DISTRUCT  version  1.0  (Rosenberg  2004).  Next  we  applied  a  principal  coordinate analysis (PCoA) to summarize a matrix of pairwise Dest values using GENALEX version 6.4 (Peakall and Smouse 2006). This kind of multivariate dimension‐reducing method is exploratory  in nature and graphical displays of  the most  important principal axes were  used  in  an  attempt  to  visualize  genetic  similarity  among  populations within urbanization classes (Jombart et al. 2009). Finally, we applied an analysis of molecular variance (AMOVA) as implemented in ARLEQUIN version 3.5.1.2 (Excoffier et al. 2005) to  examine  how  genetic  variation  was  partitioned  over  three  hierarchical  scales: within  populations,  between  populations  within  urbanization  classes,  and  among urbanization  classes.  As  neither  the  number  of  individuals  nor  loci  determine  the power  of  a  nested  AMOVA  but  rather  the  number  of  populations  that  can  be permutated  among  higher  hierarchical  levels,  we  first  applied  the  multinomial theorem  to  our  sampling  scheme  to  ascertain  the  minimum  P‐value  was  small enough (Fitzpatrick 2009). 

Detection of recent bottleneck events 

Strong  reductions  in  effective  population  size  (e.g.  bottlenecks)  result  in contrasting  rates  at  which  allelic  diversity  and  heterozygosity  at  Hardy‐Weinberg equilibrium (He) are lost (Cornuet and Luikart 1996). During a bottleneck particularly rare alleles are lost rapidly and while its impact on He is minimal (Hedrick et al. 1986) it strongly affects the expected heterozygosity at mutation‐drift equilibrium  (Heq) as the  latter  is highly dependent on  the  absolute number of  alleles  (Ewens  1972).  In bottlenecked  populations  this  transient  disruption  of  mutation‐drift  equilibrium therefore  generates  an  “excess  in heterozygosity”  (He  > Heq)  (Luikart  and Cornuet, 1998)  and  a  distortion  in  the  characteristic  allele  frequency  distribution  of  non‐bottlenecked populations. We conducted a graphical test as the one implemented in BOTTLENECK version 1.2.02 (Cornuet and Luikart 1996; Piry et al. 1999) to detect for such  recent  bottleneck  events.  This  test  differentiates  whether  or  not  allele frequency distributions show a mode shift from low to intermediate allele frequency. We did not use  a  formal  test  for  ‘heterozygosity  excess’  as  the distribution of Heq obtained  through  coalescence‐based  simulations,  and  thus  the  results,  often 

Page 117: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

107  

profoundly  hinge  on  the  chosen model  of microsatellite  evolution  (Hawley  et  al. 2006) and this is currently unknown in our study area. 

Detecting recent migration events 

To  quantify  the  extent  of  recent  migration  events  between  urbanization classes we  pooled  all  urban  populations  into  a  single  urban  one  and  performed  a similar grouping  for  suburban and  rural populations. For each  individual we used a partial Bayesian assignment  technique  (Rannala and Mountain 1997)  to  identify  its area  of  origin.  This  algorithm  computes  and  subsequently  uses  the  posterior probability  density  of  unknown  population  allele  frequencies  (Bayesian  approach) rather  than  the  observed  sample  allele  frequencies  when  calculating  individual multilocus  genotype  probabilities  (frequentist  approach).  Cornuet  et  al.  (1999) further extended this methodology by adding a formal statistical ‘exclusion test’. For each  population,  a  likelihood  distribution  for Monte  Carlo  simulated  genotypes  is generated and the population is excluded as a possible origin if the likelihood for the genotype of the sampled individual falls in the tail‐end of this distribution. As such, a source population  can be  identified when all but one population  is being excluded and  assigning  individuals  to  an  area  different  from  their  sampling  location  was interpreted as a migration event. This method has the advantage over all others that the  true  population  of  origin  does  not  need  to  be  sampled  (Cornuet  et  al.  1999). Assignment  test will be  statistically  rigorous when putative  source populations  are strongly differentiated but  imprecise  for weakly differentiated populations  (Paetkau et al. 2004). Assigning recent migrants to  its population of origin  is conducted at an ecological  timescale  rather  than  an  evolutionary  one  and  hence  assumptions  like drift‐migration  equilibrium  are  less  stringent  (Peery  et  al.  2008).  Analyses  were performed  in GENECLASS2 version 2.0 (Piry et al. 2004) and the focal  individual was each  time  removed  from  the  sample when  allele  frequencies were  estimated  (the leave‐one‐out procedure). 

RESULTS 

Summary statistics 

All loci were highly polymorphic across populations and number of alleles per locus ranged  from 3  (locus TG01‐148)  to 31  (locus Pdo9). Most  locus by population combinations  were  in  Hardy‐Weinberg  equilibrium,  yet  some  deviations  reached significance  after  Bonferroni  correction  (three  populations  for  Pdo47,  two populations for Pdoµ5 and one for resp. Pdo32, Pdo9 and TG13‐017). There was no evidence that scoring errors due to large allele drop‐out or stutter contributed to this 

Page 118: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

108 

nonequilibrium. To ascertain  that  these deviations did not  influence our  results we ran  all  analyses with  and without  these  five markers. Removing  these  loci did not alter any of the observed patterns, hence only results based on the total dataset are being presented here. There was no evidence for linkage disequilibrium between any pair of loci. Standard statistics for each marker are presented in table 4.2.  

Genetic diversity among urbanization classes 

Mean number of  alleles per  locus  ranged  from 4.8‐7.9,  allelic  richness  from 5.86‐9.62  and  expected  heterozygosity  from  0.60‐0.71.  Permutation  tests  did  not detect significant differences  in these diversity  indices between urbanization classes (all p>0.05). Pairwise levels of population differentiation ranged from 0.002 to 0.076 (mean Dest  ±  SE:  0.037  ±  0.008). When  respectively  all  urban,  suburban  and  rural populations were  pooled  pairwise Dest  values were  0.001  between  the  urban  and rural group, 0.002 between the suburban and rural one and 0.001 between the urban and  suburban group. Overall differentiation between urban populations was 0.025, 0.028  for suburban populations and 0.033  for  rural ones. There was support  for an isolation‐by‐distance  population  structure  as  a  Mantel  test  revealed  a  positive correlation between genetic and geographic distance (Mantel r=0.19; p=0.001). These trends  were  however  absent  when  considering  the  rural  and  urban/suburban habitats  separately  (both  p>0.05).  Mean  population‐specific  descriptors  and population pairwise estimates are given in table 4.3.  

Population structure inference 

Individual‐based Bayesian analyses failed to identify multiple clusters along the urbanization gradient and were consistent with aforementioned low levels of genetic divergence between populations  (figure 4.2).  ΔK did not  show  a  clear mode when clustering  was  performed  using  STRUCTURE  but  posterior  probabilities  started  to gradually decline for K>7, hence we chose K=1 as the most parsimonious and optimal model  (figure  4.3  A‐D). When  levels  of  inbreeding were  accounted  for,  posterior probabilities incremented with increasing K’s and reached a plateau at approximately K=13.  To  overcome  this  problem  we  used  ΔK  to  delineate  the most  appropriate model as  suggested by Evanno et al.  (2005), but no  clear mode  could be detected although  lower  cluster  numbers  had  the  smallest  ΔK  values  (respectively  K=1  and K=2)  (figure  4.3  E‐H).  The  lack  of  support  for  strong  population  structure corroborated  with  observed  values  of  mean  membership  coefficients  that  were highly admixed for all K, i.e. very few individuals showed strong and unique affinity to a specific cluster (figure 4.2). The principal coordinate analysis revealed a tendency to  

Page 119: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

109  

Table  4.3.  (part  1)  Summary  of  genetic  descriptors  at  within‐  and  between‐population  level. Abbreviations refer to populations described in table 3 (Introduction).  

 

 

 cluster urban and suburban populations on the one hand and rural ones on the other hand.  The  two main  PCoA  axes  together  explained  50%  of  total  genetic  variation (figure 4.4). Finally, a hierarchical AMOVA indicated that no genetic variation could be assigned to differences between urbanization classes, very little between populations within urbanization classes  (2.2%) and most of  the variation  (97.8%)  resided within populations. The minimum p‐value for three groups of resp. 13, 9 and 4 populations was  much  smaller  than  0.001  so  absence  of  population  structure  at  higher hierarchical levels could not be attributed to a lack of power.  

   

Population(a) OW‐R DB‐R EI‐R GB‐R HS‐R ME‐R HY‐R MS‐R PD‐R PS‐R RS‐R VM‐R SD‐RN 30 27 28 29 25 29 23 30 29 30 23 26 16Dest , OW‐R *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** ***Dest , DB‐R 0,035 ns *** * * ns *** * * ns *** nsDest , EI‐R 0,036 0,031 *** ns * ns *** * * * * ***Dest , GB‐R 0,039 0,031 0,019 ns *** *** *** *** * *** *** ***Dest , HS‐R 0,044 0,031 0,021 0,053 ns * *** ns ns ns ns nsDest , ME‐R 0,043 0,031 0,024 0,053 0,035 ns *** ns *** * ns ***Dest , HY‐R 0,041 0,039 0,026 0,054 0,039 0,027 *** ns ns ns *** nsDest , MS‐R 0,037 0,038 0,021 0,064 0,044 0,020 0,024 *** *** *** *** *Dest , PD‐R 0,036 0,039 0,023 0,060 0,043 0,027 0,024 0,052 * *** * nsDest , PS‐R 0,033 0,037 0,030 0,054 0,040 0,020 0,024 0,051 0,047 ns *** ***Dest , RS‐R 0,032 0,035 0,025 0,054 0,043 0,018 0,025 0,056 0,044 0,015 ns nsDest , VM‐R 0,027 0,030 0,025 0,051 0,041 0,025 0,029 0,057 0,046 0,015 0,058 *Dest , SD‐R 0,024 0,028 0,026 0,047 0,039 0,025 0,028 0,050 0,039 0,017 0,063 0,062Dest , FM‐SU 0,026 0,032 0,027 0,048 0,041 0,024 0,028 0,059 0,031 0,022 0,066 0,061 0,041Dest , DR‐SU 0,026 0,029 0,029 0,051 0,041 0,018 0,031 0,059 0,026 0,023 0,064 0,055 0,044Dest , HL‐SU 0,028 0,037 0,032 0,049 0,034 0,017 0,028 0,065 0,033 0,021 0,064 0,051 0,044Dest , MB‐SU 0,028 0,031 0,035 0,050 0,034 0,015 0,033 0,055 0,035 0,023 0,076 0,054 0,046Dest , SC‐SU 0,034 0,032 0,039 0,053 0,035 0,013 0,034 0,047 0,034 0,024 0,068 0,054 0,043Dest , SS‐SU 0,034 0,032 0,047 0,045 0,034 0,015 0,032 0,044 0,033 0,028 0,069 0,049 0,045Dest , WB‐SU 0,042 0,030 0,046 0,042 0,037 0,013 0,038 0,037 0,017 0,040 0,067 0,050 0,045Dest , WO‐SU 0,039 0,027 0,043 0,039 0,040 0,012 0,038 0,047 0,011 0,046 0,067 0,050 0,044Dest , ML‐SU 0,036 0,026 0,041 0,039 0,043 0,015 0,047 0,048 0,017 0,048 0,073 0,049 0,043Dest , EB‐U 0,048 0,020 0,040 0,038 0,037 0,016 0,048 0,042 0,017 0,048 0,073 0,039 0,042Dest , PH‐U 0,033 0,020 0,038 0,039 0,031 0,023 0,057 0,042 0,017 0,046 0,072 0,044 0,043Dest , VI‐U 0,033 0,020 0,043 0,038 0,032 0,019 0,052 0,041 0,013 0,053 0,074 0,042 0,047Dest , SP‐U 0,032 0,017 0,040 0,039 0,028 0,024 0,052 0,050 0,014 0,056 0,067 0,042 0,052NP 2 3 1 1 2 4 1 1 0 0 2 2 1

NA 6,56 6,69 7,69 6,88 7,00 7,50 7,25 6,69 7,56 6,94 6,13 7,38 6,50

A[40]  7,22 7,30 8,19 7,26 8,16 8,24 8,90 6,95 8,10 7,27 7,46 8,17 9,62He 0,60 0,70 0,68 0,66 0,68 0,67 0,67 0,60 0,70 0,67 0,66 0,67 0,70Fis 0,026 0,265 0,112 0,236 0,162 0,092 0,053 0,017 0,125 0,051 0,207 0,078 0,214H‐W disequilibrium 1 locus 2 loci 1 locus none 2 loci none none none none none none none noneMode shift no no no no no no no no no no no no no

Page 120: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

110 

Table  4.3.  (part  2)  Summary  of  genetic  descriptors  at  within‐  and  between‐population  level. Abbreviations refer to populations described in table 3 (Introduction).  

  

Recent demographic changes and migration events 

Only  EB‐U,  the  most  central  urban  population,  showed  signs  of  a  recent bottleneck. Here, allelic richness was low while heterozygosity was retained at a level equivalent to that of other populations. The graphical test indicated a clear mode at intermediate frequency alleles rather than at low frequency alleles while in all other populations the allele frequency distribution was typically L‐shaped (figure 4. 5). 

Population(a) FM‐SU DR‐SU HL‐SU MB‐SU SC‐SU SS‐SU WB‐SUWO‐SUML‐SU EB‐U PH‐U VI‐U SP‐UN 29 29 30 28 23 30 28 30 29 17 26 22 24Dest , OW‐R *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** ***Dest , DB‐R *** *** * *** * ns *** * *** * ns ns ***Dest , EI‐R ns * ns *** ns * * ns *** *** ns ns nsDest , GB‐R *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** * ***Dest , HS‐R ns ns ns * ns ns * ns *** * * ns ***Dest , ME‐R * * ns * ns ns ns *** *** *** ns ns ***Dest , HY‐R * * ns *** ns ns * *** ns *** ns ns *Dest , MS‐R *** *** * *** *** *** *** *** *** *** * * *Dest , PD‐R *** *** ns *** * ns ns *** *** *** * ns ***Dest , PS‐R ns *** *** *** *** * * *** *** *** ns ns ***Dest , RS‐R *** ns * *** ns *** *** * * *** * ns ***Dest , VM‐R *** * ns *** * * * * *** *** *** ns ***Dest , SD‐R * * ns * * *** * *** ns *** ns * nsDest , FM‐SU *** * *** ns * ns *** *** *** * ns ***Dest , DR‐SU 0,037 *** *** * * ns *** ns *** ns ns ***Dest , HL‐SU 0,038 0,055 *** ns * ns * *** *** ns ns *Dest , MB‐SU 0,038 0,054 0,056 *** *** *** *** *** *** *** *** ***Dest , SC‐SU 0,039 0,049 0,051 0,040 *** ns *** * *** * ns ***Dest , SS‐SU 0,039 0,048 0,045 0,040 0,036 * *** *** *** ns ns ***Dest , WB‐SU 0,039 0,056 0,045 0,038 0,035 0,026 *** *** * ns * ***Dest , WO‐SU 0,040 0,052 0,040 0,035 0,031 0,025 0,002 *** *** *** ns ***Dest , ML‐SU 0,041 0,052 0,039 0,032 0,026 0,025 0,002 0,008 *** ns ns ***Dest , EB‐U 0,042 0,053 0,038 0,032 0,024 0,023 0,002 0,008 0,020 *** * ***Dest , PH‐U 0,048 0,050 0,042 0,031 0,029 0,023 0,003 0,008 0,021 0,021 ns *Dest , VI‐U 0,048 0,055 0,034 0,036 0,023 0,023 0,006 0,013 0,019 0,052 0,061 ***Dest , SP‐U 0,051 0,053 0,037 0,036 0,024 0,022 0,004 0,013 0,021 0,055 0,059 0,059NP 1 1 1 1 3 0 2 0 1 0 1 0 2

NA 7,31 7,56 7,31 7,06 7,06 7,88 7,38 6,75 7,63 4,81 7,31 6,13 6,69

A[40]  7,81 7,99 7,82 7,79 8,24 8,40 8,04 7,14 8,30 5,86 8,33 7,06 8,04He 0,69 0,71 0,66 0,65 0,68 0,69 0,69 0,66 0,67 0,66 0,69 0,64 0,67Fis 0,047 0,076 0,219 0,109 0,042 0,083 0,035 0,123 0,059 0,064 0,106 0,084 0,133H‐W disequilibrium none none 1 locus1 locus none none none none none none none none noneMode shift no no no no no no no no no yes no no no

(a) Last letter refers to urbanization class (R=rural; SU= suburban; U= urban)

copies; He: unbiased expected heterozygosity (Nei, 1978); Fis: fixation index (Weir & Cockerham, 1984)Level of significance: ns=non significant; * <0.05; ** <0.01; *** <0.001

N: number of individuals; NP: number of private alleles; NA: mean number of alleles per locus; A[40]: total allelic richness across all loci at g= 40 gene 

Page 121: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

111  

An exhaustive  characterization of  recent migration events between different urbanization classes was made impractical due to weak genetic structure at this scale. Only  10.1%  of  all  individuals  (31  rural,  32  suburban  and  7  urban  birds)  could  be assigned  to a single and unique source. 61% of  these 31  rural birds were  residents while 39% were suburban migrants. The suburban subset consisted of 78% residents and 22%  rural  immigrants, while  the urban  group  contained only  immigrants  (43% originated  from  the suburban area and 57%  from  the rural one). Most of  the other birds  showed  mixed  ancestry  (73.9%)  while  a  small  fraction  (15.9%)  resembled immigrants from unknown sources (table 4.4). 

DISCUSSION Although house sparrows are not extremely vagile by nature (Anderson 2006), 

analysis  of  microsatellite  data  did  reveal  high  historical  connectivity  or  recent common  ancestry  between  populations  along  an  urbanization  gradient.  Principal coordinate  analyses  provided  evidence  for  a  moderate  distinction  between suburban/urban  and  rural  populations  but  a  hierarchical  MANOVA  could  not corroborate  this. While  tests  for  bottlenecks  in most  urban  populations  could  not substantiate  the well‐described massive decline of house sparrow numbers  in  large European  cities  (Crick et al. 2002, De  Laet and Summers‐Smith 2007), a bottleneck signature was present at the most central urban population. Preliminary exploration of  dispersal  patterns  suggests  that  peripheral  urban  populations may  function  as sinks  in  which  putative  genetic  erosive  effects  are  countered  by  gene  flow  from source populations. House sparrows have experienced dramatic declines which have been particularly pronounced  in  large European city centers (De Laet and Summers‐Smith 2007). Contrary to our expectations, neutral microsatellite data did not support these  trends  although  census  counts  revealed  smaller  urban  population  sizes compared to their rural and suburban counterparts (unpublished data). Either urban population sizes have remained stable  in the recent past, albeit at a  lower  level, or we  were  unable  to  reveal  the  genetic  consequences  of  a  bottleneck.  Genetic signatures  of  population  declines  are  highly  ephemeral  and  become  invisible  if insufficient or too much time has elapsed since the onset of the population decline (Luikart et al. 1998; Keller et al. 2001).  Unfortunately, lack of historical data prevents us  from  assessing  the  severity  and  timing  of  putative  urban  bottlenecks  and  to    

Page 122: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

112 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Fig. 4.2. Population structure inferred from microsatellite polymorphism. All samples show evidence of highly mixed ancestry supporting a  lack of population structure for 690 house sparrows along an urbanization gradient. The plot shows the average ancestry of 10 independent runs for K=3 clusters (plots  for other K values show similar patterns). Upper panel:  INSTRUCT analysis  (Gao et al. 2007), lower  panel:  STRUCTURE  analysis  (Pritchard  et  al.  2000).  Abbreviations  refer  to  populations described in table 3 (Introduction).    

Page 123: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

113  

 Fig. 4.3. Graphical display of the four steps to detect true number of cluster as outlined by Evanno et al. (2005). A and E: L(K), mean posterior likelihood (±SD) over 10 runs for each K value. B and F: L´(K), first order  rate of  change  in  the posterior  likelihood  (±SD). C  and G:  L´´(K),  absolute  value of  the second order rate of change in the posterior likelihood (±SD). D and H: ΔK, mean absolute values of L´´(K)  over  standard  deviation  of  L(K). A‐D:  INSTRUCT  analysis  (Gao  et  al.  2007),  E‐H:  STRUCTURE analysis (Pritchard et al. 2000). 

Page 124: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

114 

 

 Fig. 4.4. Scatterplot of  the  first  two PCoA axes of genetic variation  (based on pairwise Dest values) between house sparrow populations. Symbols represent different urbanization classes: filled circles (urban),  open  circles  (suburban)  and  filled  triangles  (rural).  Abbreviations  refer  to  populations described in table 3 (Introduction).  

 

Table 4.4. Number of individuals that could be assigned to a single site (Nunique) and their most likely site of origin (assigned site). Individuals were excluded from a site if its genotype likelihood was less than 0.01 when compared to a likelihood distribution of 10000 simulated genotypes. Percentages are given in brackets.  

  

unambiguously  exclude  such  confounding  effects.  Failure  to  detect  genetic bottlenecks can also be attributed to  immigration of rare alleles  into the population (Keller et al. 2001) and offers a plausible explanation given the small scale on which this study was conducted. While genetic diversity may be depleted during the  initial phase  of  a  bottleneck,  admixture  events may  result  in  a  subsequent  increase  of diversity, obscuring and compromising tests to detect bottleneck events (Keller et al. 

 

Sampling site N Rural Suburban Urban Nuniquely

Rural 345 19 (0.61) 12 (0.39) 0 31 (0.09)Suburban 256 7 (0.22) 25 (0.78) 0 32 (0.13)Urban 89 4 (0.43) 3 (0.57) 0 7 (0.08)

Assigned site

Page 125: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

115  

2001).  Dispersal  estimates  indicated moderate  site‐tenacity  in  suburban  and  rural areas,  reflecting  the well‐known  sedentary  behavior  of  house  sparrows  (Anderson 2006). More interestingly however was the complete lack of any urban immigrant in these  areas while  the  urban  subgroup  consisted  of  exclusively  suburban  and  rural emigrants, at  least suggesting  the urban habitat might  function as a  ‘dispersal sink’ (Dias  1996)  and  thereby  masking  true  bottleneck  signatures.  In  contrast,  the innermost  urban  population  did  not  seem  to  be  affected  by  such  an  influx  of ‘neighboring alleles’ as loss of genetic diversity was not entirely restored. Peripheral  

 Fig. 4.5. Allele frequency distributions of 16 microsatellites for each population conformed to the L‐shaped  frequency distribution expected  for neutral  loci at mutation‐drift equilibrium  (Luikart et al. 1998), with  one  exception  for  the most  central  urban  population  EB‐U  (mode  shift  indicated  by arrow). Abbreviations refer to populations described in table 3 (Introduction).    

Page 126: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

116 

urban  populations may  be  fed  by  immigration  but  apparently  the  core  one  lacks these  dynamics.  Such  a  scenario  may  be  even  more  pronounced  in  larger metropolitan cities as distances between core populations and potential sources will increase by several orders of magnitude. The low amount of genetic structure at this scale however did not allow us  to  conduct a  formal and exhaustive assessment of migration  rates  between  urban,  suburban  and  rural  areas  as  the  sensitivity  of  the analysis hinges on  the amount of differentiation between putative  sources. Hence, we contend that these results should be cautiously interpreted and urge for the need to  conduct  an  in‐depth  evaluation  of  the  extent  of  (unidirectional)  exchange  of migrants between the urban area and its surroundings.  

Our data indicated low levels of differentiation and equal measures of genetic diversity along the urbanization gradient.  It may be too premature to conclude that this  would  indicate  high  dispersal  rates  between  current  populations.  Indirect evidence  suggests  that  genetic  drift  is  not  fully  countered  by migration.  Genetic differentiation between different urbanization classes (after pooling all populations) was  an  order  of magnitude  smaller  than  overall  Dest  values  between  populations within  each  urbanization  class.  If  migration  between  populations  were  high,  we expected  both  measures  to  be  of  similar  size.  These  results  rather  suggest  that genetic  drift  is  strong  enough  to withstand  the  homogenizing  effect  of  dispersal.  Even under the assumption that historical estimates of genetic connectivity resemble current ones, we could conservatively claim demographic independence based upon genetic independence but not the opposite (Taylor and Dizon 1999). The influence of only  a  few  immigrants may be  sufficient  to  replenish  genetic  variation and  reduce inbreeding depression  (‘genetic rescue’ sensu  Ingvarsson  (2001)), yet such numbers will often have only trivial demographic effects (Taylor and Dizon 1996). A study on reproductive success of house sparrows along an urban gradient revealed insufficient local recruitment in two out of three years as it did not reach the predicted threshold required for population stability (Peach et al 2008). Vincent (2005) showed that this deficit was not counterbalanced by  immigration as population sizes declined overall by 28% during this three year. Unfortunately, no estimates on genetic differentiation were available while our study lacked demographic data. We contend that in order to optimize management  schemes, additional  studies  integrating quantitative data on genetic and demographic connectivity are warranted.  

Connectivity  or  lack  thereof  plays  a  crucial  role  in  evolutionary  processes. Although  evolutionary  theory  predicts  that  high  levels  of  gene  flow mitigate  local adaptive  responses,  it  does  not  necessarily  eliminate  the  adaptive  potential  of  a population. The evolution of differences in body mass has been documented in birds 

Page 127: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

117  

due to non‐random dispersal with respect to the phenotype (Garant et al. 2005; Storz 2005;  Postma  and  van  Noordwijk  2005).  A  study  on  house  sparrows  reported  a consistent reduction  in body size and condition of  free‐living urban house sparrows compared to their rural conspecifics (Liker et al. 2008). Liker et al. (2008) suggested that  these differences  in body mass were genetically determined as differences did not  disappear when  birds were  placed  in  a  common  environment.  In  the  face  of substantial dispersal rates between both environments such genetic differences may still persist if dispersal is non‐random with respect to body mass. In such a scenario, smaller birds will then be either forced or attracted to move to highly built‐up areas, while heavier birds tend to settle  in the surrounding areas. However,  in contrast to Liker et al.  (2008), we  could not  confirm differences  in body mass per  se between urban  and  rural  birds  (data  not  shown)  although  we  reported  a  reduction  of nutritional condition in urban house sparrows earlier (Vangestel et al. 2010).   

This  is  the  first  study,  to  our  knowledge,  that  investigates  the  population genetic structure of contemporary house sparrow populations after the onset of the decline. While we could identify to a certain extent urban/suburban and rural genetic clusters,  small‐scale  patterns  were  less  distinct.  As  pointed  out  by  previous researchers (Kekkonen et al. 2010) our results could function as a baseline granting us the  opportunity  to monitor  and  evaluate  future  genetic  changes  in  urban  house sparrow populations.  

Acknowledgement 

We wish to thank H. Matheve, T. Cammaer and C. Nuyens for field assistance and A. Krupa and G. Horsburgh  for  laboratory assistance. This study was  financially supported by  research project 01J01808 of Ghent University  to LL. Genotyping was performed  at  the  NERC  Biomolecular  Analysis  Facility  funded  by  the  Natural Environment Research Council, UK. Fieldwork and genetic analyses were  funded by research grants G.0149.09 of  the Fund  for Scientific Research  ‐ Flanders  (to S. Van Dongen and LL) and research grant 01J01808 of Ghent University (to LL). 

REFERENCES Anderson TR (2006). Biology of the ubiquitous House Sparrow. Oxford Univ Press. 

Avise  JC  (1995).  Mitochondrial‐dna  polymorphism  and  a  connection  between genetics and demography of  relevance  to  conservation. Conserv Biol 9: 686‐690. 

Page 128: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

118 

Balmori  A,  Hallberg  O  (2007).  The  urban  decline  of  the  House  sparrow  (Passer domesticus):  a  possible  link with  electromagnetic  radiation.  Electromagnetic Biology and Medicine 26: 141‐151. 

Balmori A  (2009).  Electromagnetic pollution  from phone masts.  Effects on wildlife. Pathophysiology 16: 191‐199. 

Bell CP, Baker SW, Parkes NG, Brooke MD, Chamberlain DE  (2010). The  role of  the Eurasian  sparrowhawk  (Accipiter  nisus)  in  the  decline  of  the  house  sparrow (Passer domesticus) in Britain. Auk 127: 411‐420. 

Bignal K, Ashmore M, Power S  (2004). The ecological effects of diffuse air pollution from road traffic. English Nature Research Report 580, Peterborough, UK. 

Bohonak AJ (2002). IBD (Isolation By Distance): a program for analyses of isolation by distance. J Hered 93: 153‐154. 

Chamberlain  DE,  Toms  MP,  Cleary‐Mcharg  R,  Banks  AN  (2007).  House  Sparrow (Passer  domesticus)  habitat  use  in  urbanized  landscapes.  Journal  of Ornithology 148(4): 453‐462. 

Cheke AS (1972). Movement and dispersal among house sparrows, Passer domesticus (L.), at Oxford, England. In: Productivity, Population Dynamics and Systematics in  Granivorous  birds.  Eds.  Kendeigh  SC  and  Pinowski  J,  Polish  Scientific Publishers.   

Cornuet  JM,  Luikart  G  (1996).  Description  and  power  analysis  of  two  tests  for detecting  recent population bottlenecks  from allele  frequency data. Genetics 144: 2001‐2014. 

Cornuet JM, Piry S, Luikart G, Estoup A, Solignac M (1999). New methods employing multilocus genotypes to select or exclude populations as origins of individuals. Genetics 153: 1989‐2000. 

Crick H, Robinson R, Appleton G, Clark N and Richard A. 2002. Investigation  into the causes  of  the  decline  of  Starlings  and House  Sparrows  in Great‐Britain. BTO Report Number 290 (BTO/DEFRA). 

Dawson DA, Horsburgh GJ, Kupper C, Stewart  IRK, Ball AD, Durrant KL et a.l  (2010). New methods to identify conserved microsatellite loci and develop primer sets of high cross‐species utility  ‐ as demonstrated  for birds. Mol Ecol Resour 10: 475‐494. 

Page 129: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

119  

Dawson  DA,  Horsburgh  GJ,  Krupa  A,  Stewart  IRK,  Skjelseth  S  et  al.  A  predicted microsatellite  map  of  the  house  sparrow  Passer  domesticus  genome.  (Re‐submitted to Mol Ecol Resour) (In preparation). 

De Laet  J, Summers‐Smith  JD  (2007). The status of the urban house sparrow Passer domesticus in North‐Western Europe: a review. J Ornithol 148: S275‐S278. 

Dias PC (1996). Sources and Sinks in Population Biology. Trends Ecol Evol 11: 326‐330. 

Evanno G, Regnaut S, Goudet J (2005). Detecting the number of clusters of individuals using the software structure: a simulation study. Mol Ecol 14: 2611‐2620. 

Everaert  J,  Bauwens D  (2007). A  possible  effect  of  electromagnetic  radiation  from mobile  phone  base  stations  on  the  number  of  breeding  house  sparrows (Passer domesticus). Electromagn Biol Med 26: 63‐72. 

Ewens WJ (1972). The sampling theory of selectively neutral alleles. Theor Popul Biol 3: 87‐112. 

Excoffier  L,  Laval  G,  Schneider  S  (2005).  An  integrated  software  package  for population genetics data analysis. Evol Bioinform 1: 47‐50. 

Fitzpatrick  BM  (2009).  Power  and  sample  size  for  nested  analysis  of  molecular variance. Mol Ecol 18: 3961‐3966. 

Fleisher RC  (1983). A comparison of  theoretical and electrophoretic assessments of genetic  structure  in  populations  of  the  house  sparrow  (Passer  domesticus). Evolution 37: 1001‐1009. 

Gao H, Williamson S, Bustamante CD (2007). An MCMC approach for  joint  inference of population structure and  inbreeding rates from multi‐locus genotype data. Genetics (online). 

Garant  D,  Kruuk  LEB,  Wilkin  TA,  McCleery  RH,  Sheldon  BC  (2005).  Evolutionary differentiation within  a wild  bird  population  caused  by  differential  dispersal and genetic architecture. Nature 433: 60‐65. 

Gerlach G, Jueterbock A, Kraemer P, Deppermann J, Harmand P (2010). Calculations of population differentiation based on G(ST) and D: forget G(ST) but not all of statistics! Mol Ecol 19: 3845‐3852. 

Goudet J (1995). FSTAT (Version 1.2): A computer program to calculate F‐statistics. J Hered 86: 485‐486. 

Griffith SC, Stewart IRK, Dawson DA, Owens IPF, Burke T (1999). Contrasting levels of extra‐pair paternity  in mainland and  island populations of the house sparrow (Passer domesticus): Is there an 'island effect'? Biol J Linn Soc 68: 303‐316. 

Page 130: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

120 

Griffith  SC, Dawson DA,  Jensen H, Ockendon N, Greig C, Neumann K  et al.  (2007). Fourteen polymorphic microsatellite  loci  characterized  in  the house  sparrow Passer domesticus (Passeridae, Aves). Mol Ecol Notes 7: 333‐336. 

Hanski  I  (1999).  Habitat  connectivity,  habitat  continuity,  and  metapopulations  in dynamic landscapes. Oikos 87: 209‐219. 

Hawley  DM,  Hanley  D,  Dhondt  AA,  Lovette  IJ  (2006).  Molecular  evidence  for  a founder  effect  in  invasive  house  finch  (Carpodacus mexicanus)  populations experiencing an emergent disease epidemic. Mol Ecol 15: 263‐275. 

Hedrick  PW,  Brussard  PF,  Allendorf  FW,  Beardmore  JA,  Orzack  S  (1986).  Protein variation, fitness and captive propagation. Zoo Biol 5: 91‐99. 

Heij CJ (1985). Comparative ecology of the house sparrow Passer domesticus in rural, suburban  and  urban  situations.  PhD  thesis,  Vrije  Universiteit  Amsterdam, Nederland. 

Heij CJ, Moeliker CW (1990). Population dynamics of dutch house Sparrows in urban, suburban  and  rural  habitats.  In:  Granivorous  birds  in  the  agricultural landscape. Eds. Pinowski J and Summers‐Smith JD, Polish Scientific Publishers. 

Hole GD (2001). The population ecology and ecological genetics of the house sparrow Passer  doemsticus  on  farmland  in  Oxfordshire.  PhD  thesis,  University  of Oxford, UK.  

Hole DG, Whittingham MJ, Bradbury RB, Anderson GQA,  Lee PLM, Wilson  JD et al. (2002).  Widespread  local  house  sparrow  extinctions  ‐  agricultural intensification  is  blamed  for  the  plummeting  populations  of  these  birds. Nature 418: 931‐932. 

Hurlbert  SH  (1971). The nonconcept of  species diversity:  a  critique  and  alternative parameters. Ecology 52: 577‐586. 

Ingvarsson  PK  (2001).  Restoration  of  genetic  variation  lost  ‐  the  genetic  rescue hypothesis. Trends in Ecology and Evolution 16: 62‐63. 

Jakobsson M, Rosenberg NA  (2007). CLUMPP:  a  cluster matching  and permutation program  for  dealing  with  label  switching  and  multimodality  in  analysis  of population structure. Bioinformatics 23: 1801‐1806. 

Jombart  T,  Pontier  D,  Dufour  AB  (2009).  Genetic  markers  in  the  playground  of multivariate analysis. Heredity 102: 330‐341. 

Jost  L  (2008). G(St) and  Its Relatives Do Not Measure Differentiation. Mol Ecol 17: 4015‐4026. 

Page 131: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

121  

Kalinowski ST (2004). Counting alleles with rarefaction: Private alleles and hierarchical sampling designs. Conserv Genet 5: 539‐543. 

Kekkonen  J,  Seppa  P,  Hanski  I,  Jensen  H,  Vaisanen  RA,  Brommer  JE  (2010).  Low genetic differentiation in a sedentary bird: house sparrow population genetics in a contiguous landscape. Heredity: 1‐8. 

Keller  LF,  Jeffery  KJ,  Arcese  P,  Beaumont MA,  Hochachka WM,  Smith  JNM  et  al. (2001). Immigration and the ephemerality of a natural population bottleneck: evidence from molecular markers. Proc R Soc Lond B 268: 1387‐1394. 

Liker A, Papp Z, Bokony V, Lendvai AZ  (2008). Lean birds  in  the city: body  size and condition of house sparrows along the urbanization gradient.  J Anim Ecol 77: 789‐795. 

Lowe  WH,  Allendorf  FW  (2010).  What  can  genetics  tell  us  about  population connectivity? Mol Ecol 19: 3038‐3051. 

Luikart G, Cornuet J‐M  (1998). Empirical evaluation of a test  for  identifying recently bottlenecked populations from allele frequency data. Conserv Biol 12: 228‐237. 

Luikart  G,  Sherwin WB,  Steele  BM,  Allendorf  FW  (1998).  Usefulness  of molecular markers  for detecting population bottlenecks via monitoring genetic change. Mol Ecol 7: 963‐974. 

Nei M (1978). Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a small number of individuals. Genetics 89: 583‐590. 

Neumann  K,  Wetton  JH  (1996).  Highly  polymorphic  microsatellites  in  the  house sparrow Passer domesticus. Mol Ecol 5: 307‐309. 

Paradis  E,  Baillie  SR,  Sutherland  WJ,  Gregory  RD  (1998).  Patterns  of  natal  and breeding dispersal in breeding birds. J Anim Ecol 67: 518‐536. 

Parkin DT, Cole SR (1984). Genetic variation in the house sparrow, Passer domesticus, in the East‐Midlands of England. Biol J Linn Soc 23: 287‐301. 

Paetkau D, Slade R, Burden M, Estoup A (2004). Genetic assignment methods for the direct, real‐time estimation of migration  rate: a simulation‐based exploration of accuracy and power. Mol Ecol 13: 55‐65. 

Peach WJ,  Vincent  KE,  Fowler  JA, Grice  PV  (2008).  Reproductive  success  of  house sparrows along an urban gradient. Anim Conserv 11: 493‐503. 

Peakall R, Smouse PE (2006). Genalex 6: Genetic analysis in excel. Population genetic software for teaching and research. Mol Ecol Notes 6: 288‐295. 

Page 132: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 4 

122 

Peery  MZ,  Beissinger  SR,  House  RF,  Berube  M,  Hall  LA,  Sellas  A  et  al  (2008). Characterizing  source‐sink  dynamics  with  genetic  parentage  assignments. Ecology 89: 2746‐2759. 

Piry S, Luikart G, Cornuet J‐M (1999). Bottleneck: a computer program for dedecting recent reductions in the effective population size using allele frequency data. J Hered 90: 502‐503. 

Piry S, Alapetite A, Cornuet J‐M, Paetkau D, Baudouin L, Estoup A (2004). GeneClass2: a  software  for  genetic  assignment  and  first‐generation migrant  detection.  J Hered 95: 536‐539. 

Postma E, Van Noordwijk AJ (2005). Gene flow maintains a large genetic difference in clutch size at a small spatial scale. Nature 433: 65‐68. 

Pritchard JK, Stephens M, Donnelly P (2000). Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics 155: 945‐959. 

Pritchard  JK, Wen W,  Falush  D  (2007).  Documentation  for  STRUCTURE  Software: version 2.2 Available from http://pritch.bsd.uchicago.edu/software. 

Rannala B, Mountain JL (1997). Detecting immigration by using multilocus genotypes. Proc Natl Acad Sci USA 94: 9197‐9201. 

Raymond M, Rousset F (1995). Genepop (version‐1.2) ‐ population‐genetics software for exact tests and ecumenicism. J Hered 86(3): 248‐249. 

Ronce O  (2007). How  does  it  feel  to  be  like  a  rolling  stone?  Ten  questions  about dispersal evolution. Annu Rev Ecol Evol Syst 38: 231‐253. 

Rosenberg NA  (2004). DISTRUCT: a program  for  the graphical display of population structure. Mol Ecol Notes 4: 137‐138. 

Rousset F (1997). Genetic differentiation and estimation of gene flow from F‐statistics under isolation by distance. Genetics 145: 1219‐1228. 

Rousset  F  (2008).  Genepop  '  007:  a  complete  re‐implementation  of  the  Genepop software for Windows and Linux. Mol Ecol Resour 8(1): 103‐106. 

Sekercioglu  CH,  Ehrlich  PR,  Daily  GC,  Aygen  D,  Goehring  D,  Sandi  RF  (2002). Disappearance of insectivorous birds from tropical forest fragments. Proc Natl Acad Sci U S A 99: 263‐267. 

Shaw LM, Chamberlain D, Evans M  (2008). The house sparrow Passer domesticus  in urban areas:  reviewing a possible  link between post‐decline distribution and human socioeconomic status. J Ornithol 149: 293‐299. 

Page 133: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Genetic structure in contemporary house sparrow populations    

123  

Stangel  PW  (1990).  Genic  differentiation  among  avian  populations.  Acta  XX Congressus  Internationalis Ornithologici,  Christburg, New  Zealand,  pp.  2442‐2453. New Zealand Ornithological Congress Trust Board, Wellington. 

Storz JF (2005). Nonrandom Dispersal and Local Adaptation. Heredity 95: 3‐4. 

Summers‐Smith  JD  (1988).  The  Sparrows:  a  study  of  the  genus  Passer.  T  and  AD Poyser. 

Taylor  BL,  Dizon  AE  (1996).  The  need  to  estimate  power  to  link  genetics  and demography for conservation. Conserv Biol 10: 661‐664. 

Taylor BL, Dizon AE (1999). First policy then science: why a management unit based solely on genetic criteria cannot work. Mol Ecol 8: S11‐S16. 

Vallone  PM,  Butler  JM  (2004).  Autodimer:  a  screening  tool  for  primer‐dimer  and hairpin structures. BioTechniques 37: 226‐231. 

Vangestel  C,  Braeckman  BP,  Matheve  H,  Lens  L  (2010).  Constraints  on  home range behaviour affect nutritional condition  in urban house sparrows  (Passer domesticus). Biol J Linn Soc 101: 41–50. 

Van  Loon  EE,  Cleary  DFR,  Fauvelot  C  (2007).  ARES:  software  to  compare  allelic richness between uneven samples. Mol Ecol Notes 7: 579‐582. 

Van  Oosterhout  C,  Hutchinson  WF,  Wills  DPM,  Shipley  P  (2004).  Micro‐checker: software  for  identifying  and  correcting  genotyping  errors  in  microsatellite data. Mol Ecol Notes 4: 535‐538. 

Vincent K (2005). Investigating the causes of the decline of the urban house sparrow Passer domesticus population  in Britain. PhD  thesis, De Montfort University, UK. 

Walsh  PS,  Metzger  DA,  Higuchi  R  (1991).  Chelex‐100  as  a  medium  for  simple extraction of DNA  for pcr‐based typing  from  forensic material. BioTechniques 10: 506‐513. 

Weir B (1990). Genetic Data Analysis: Methods for Discrete Population Genetic Data. Sinauer Associates: Sunderland, MA, AUS. 

Wilson A (2004). The decline of the house sparrows. British Birds 97: 418‐419. 

Page 134: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen
Page 135: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

125 

Chapter 5 

Spatial  heterogeneity  in  genetic  relatedness  among  house 

sparrows  along  an  urban  gradient:  a  plea  for  individual‐based 

analysis 

 

Carl VANGESTEL, Joachim MERGEAY, Deborah A. DAWSON, Viki VANDOMME

and Luc LENS

 

Molecular Ecology, submitted 

 

 

©Chantal Deschepper 

Page 136: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

126 

ABSTRACT Understanding  factors  that  shape  patterns  of  kinship  in  sedentary  species  is important for evolutionary ecologists as well as conservation biologists. Yet, how patterns  of  relatedness  are  hierarchically  structured  in  space  remains  poorly known, also  in common species. Here we use  information  from 16 polymorphic microsatellite  DNA  markers  to  study  how  small‐scale  kinship  structure  varies among  house  sparrows  (Passer  domesticus)  along  an  urban‐rural  gradient. Average  levels of relatedness were higher among urban  individuals than among individuals from rural areas, suggesting  lower rates of dispersal  in more built up habitats.  Comparison  of  observed  levels  of  relatedness  with  simulated distributions of known kinship values showed that central urban  individuals had the  highest  proportion  closely‐related  conspecifics  in  their  immediate neighbourhood.  Spatial  auto‐correlograms  supported  this  small‐scale  genetic structure  and  further  indicated  stronger  effects  of  genetic  drift  and/or  limited dispersal  in urban populations. Results of  this study underscore  the  importance of  individual‐level  analyses  as  a  complementary  approach  to  traditional population‐level analyses when studying genetic population structure over small spatial scales.  

INTRODUCTION Assessing the proportion of shared alleles that are identical by descent as a 

measure of genetic relatedness between pairs of  individuals  (dyads) has proven informative  in a wide  range of  scientific disciplines  (Blouin 2003). For  instance, captive  or  in  situ  breeding  programs  can  be  optimized  by  implementing information on the average degree of relatedness into artificial selection schemes (Lynch and Walsh 1998), quantitative geneticists can use the association between genetic  and  phenotypic  similarity  to  study  the  extent  of  trait‐inheritance  in natural  populations  (Ritland  1996),  and  knowledge  of  kin  structure  can  help evolutionary  ecologists  to  unravel  the  evolutionary  ecology  of  cooperative behavior  in social species  (Danchin et al. 2008). Temporal or spatial variation  in genetic  relatedness  can  further  inform  ecologists  on  spatial  dispersal  scales  or non‐random  and  sex‐dependent dispersal events  (Sweigart  et  al. 1999; Van de Casteele and Matthysen 2006; Zamudio and Wieczorek 2007), on local population dynamics  (Ruzzante  et  al.  2001),  and  on  the  most  appropriate  management strategies for species of conservation concern. 

Often, conservation geneticists  infer rates of dispersal and geneflow from patterns of population genetic structure ‐ with ‘populations’ invariably comprising the  smallest  units  of  interest.  Individual‐level  genetic  analyses  are much  less common  in  conservation  biology  (Blouin  2003),  despite  the  fact  that  such analyses may reveal small‐scale patterns of genetic structure that remain cryptic 

Page 137: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

127  

in population‐level ones (Zamudio and Wieczorek 2007). Increased aggregation of close kin  in  small,  isolated populations may  foster  loss of genetic variation and inbreeding depression, and as  such,  compromise population persistence  (Keller and Waller  2002). Monitoring  spatial  heterogeneity  in  genetic  relatedness  can therefore be  informative when aiming  to  identifying populations  susceptible  to (future)  genetic  threats.  Analytical  tools  to  infer  pairwise  relatedness  from genetic  data  in  the  absence  of  pedigree  information  have  become  readily available  (Blouin  2003),  and  access  to  large  numbers  of  polymorphic microsatellite  DNA  markers  mitigates  the  high  sampling  variance  generally associated with estimates of relatedness (Lynch and Ritland 1999; Sweigart et al. 1999).  

Here  we  study  fine‐scale  patterns  of  genetic  relatedness  among  house sparrows  along  an  urban  gradient.  Urban  house  sparrows  have  shown  strong local  declines  during  recent  decades  (Chamberlain  et  al.  2007;  De  Laet  and Summers‐Smith  2007),  while  local  extinction  of  small  populations  has transformed uniformly distributed, panmictic populations (Kekkonen et al. 2010) into  patchy  population  networks, most  strongly  so  in  highly  urbanized  regions (Shaw et al. 2008; Vangestel unpublished data). Juvenile house sparrows disperse in a ‘stepping‐stone’ manner, postnatal dispersal distances are typically short and adult birds exhibit high breeding site  fidelity  (Heij and Moeliker 1990; Anderson 2006; Kekkonen et al. 2010). Such a sedentary lifestyle, in combination with local population extinction,  can be expected  to distort historical  levels of population connectivity  and  to  result  in  accumulation  of  close  relatives  within  small geographical  ranges. Yet, despite  its  long history as ecological model  species  in behavioural and experimental studies (Lendvai et al. 2007; Nakagawa et al. 2007), surprisingly little is known on patterns of kinship structure in natural populations of the house sparrow.  

As part of  a pilot  study  along  an urban  gradient near  the  city of Ghent, Belgium, urban house sparrow populations were genetically separated from rural ones  through  a  Principal Coordinate Analysis,  and  genetic  erosive  effects were shown  to be  restricted  to  the most  central urban population  (Vangestel et  al., unpublished). These results supported the hypothesis that urban and rural house sparrow  populations  act  as  independent  demographic  entities  (De  Laet  and Summers‐Smith  2007).  Building  on  these  results,  we  here  estimate  individual levels of pairwise relatedness to quantify genetic structuring at two hierarchically‐ordered spatial scales,  i.e. a  local scale (peripheral vs. central populations) and a regional  scale  (urban vs.  rural populations), and address  the  following  research 

Page 138: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

128 

questions:  (i)  Do  observed  distributions  of  relatedness  coefficients  differ  from simulated  ones  under  the  assumption  of  panmixia?;  (ii)  Are  average  levels  of relatedness  lower  among  individuals  from  different  locations  than  among individuals from the same location?; (iii) Do mixed distributions of various kinship categories  differ  between  locations?;  and  (iv)  Does  genetic  distance  correlate with geographical distance.  

MATERIAL AND METHODS 

Study site and species 

Data  were  collected  in  the  greater  Ghent  area  (156  km²;  237.000 inhabitants,  of which  82.584  reside within  the  7.64  km²  city  centre)  and  in  an adjacent rural area near the village of Zomergem (38.8 km²; 8.150 inhabitants) ca. 12 km north‐west of Ghent  (figure. 5.1). Ratios of built‐up area  to  total area of grid cells (each GIS grid cell measuring 90 000 m² on the ground; Arcgis v9.2)  in Zomergem  and  Ghent  were  0‐0.10  (rural)  and  >0.10  (urban),  respectively (Vangestel et al. 2010). To study small‐scale variation in patterns of kinship, rural and urban areas  (regional  scale) were  subdivided  in a  ‘central’ and  ‘peripheral’ zone (local scale) each (figure 5.1). In the urban area, the central zone comprised the area with the highest ratio of built‐up area to total area of grid cells (>0.30; compared to 0.11‐0.30  for the peripheral zone), whereas central and peripheral zones  in the rural area were of comparable size and spatial configuration as the urban zones, yet did not differ in ratio of built‐up area (both 0‐0.10) (Vangestel et al.  2010).  Between  2003‐2009,  a  total  of  690  adult  house  sparrows  from  four ‘central’ and nine ‘peripheral’ populations in urban and rural areas were captured with mist‐nets  (figure 5.1). Populations were  sampled over variable  time‐spans. However, as the  length of the sampling period was not correlated with average (rp=‐0.02,p=  0.93)  or  variation  (rp=0.08,p=  0.69)  in  pairwise  relatedness, genotypes  were  pooled  over  years.  Upon  capture,  standard  morphological measurements were taken and a small sample of body feathers for DNA analysis was collected (see Vangestel et al. 2010 for details).  

DNA extraction, PCR and genotyping 

We  applied  a  Chelex  resin‐based  method  (InstaGene  Matrix,  Bio‐Rad) (Walsh et al. 1991) to extract genomic DNA from ten body feathers per individual. Sixteen microsatellite markers  (both  traditional  ‘anonymous’ microsatellites and markers  based  on  expressed  sequence  tags)  were  selected  based  on  their   

Page 139: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

129  

  Fig.  5.1.  Central  (filled  symbols)  and  peripheral  (open  symbols)  study  plots within  an  urban (circles)  and  rural  (triangles)  area  near  the  city  of  Ghent,  Belgium.  The  inner  contour encompasses  the  city  centre  of  Ghent,  the  outer  contour  encompasses  the  surrounding municipalities. Abbreviations refer to populations described in table 3 (Introduction). 

 

Page 140: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

130 

polymorphism  and  stutter  profile  (see  details  in  Vangestel  et  al.  submitted). Polymerase  chain  reactions  were  organized  in  four  multiplex‐sets  and compatibility  between  primer  pairs was  checked with  AutoDimer  (Vallone  and Butler 2004). The first multiplex reaction contained Pdoµ1 (Neumann and Wetton 1996), Pdo32, Pdo47 (Dawson et al. in preparation) and TG04‐012 (Dawson et al. 2010);  the  second  one  contained  Pdoµ3  (Neumann  and Wetton,  1996),  Pdoµ5 (Griffith  et  al.  1999),  TG13‐017  and  TG07‐022  (Dawson  et  al.  2010);  the  third multiplex  reaction  contained Pdo10  (Griffith  et  al. 2007), Pdo16, Pdo19, Pdo22 (Dawson et al.  in preparation) and TG01‐040  (Dawson et al. 2010);  the  last  set consisted of Pdo9  (Griffith et al. 2007), TG01‐148 and TG22‐001  (Dawson et al. 2010).  PCR  reactions  were  performed  on  a  2720  Thermal  Cycler  (Applied Biosystems)  in 9 µL volumes and contained approximately 3 µL genomic DNA, 3 µL  QIAGEN  Multiplex  PCR  Mastermix  (QIAGEN)  and  3  µL  primermix (concentrations  were  0.1  µM  (Pdoµ1),  0.12  µM  (TG01‐148),  0.16  µM  (Pdo10, Pdo19, Pdo22, Pdo32, TG04‐012) and 0.2 µM (Pdoµ3, Pdoµ5, Pdo9, Pdo16, Pdo47, TG01‐040, TG07‐022, TG13‐017, TG22‐001)).  The PCR profile  included  an  initial denaturation step of 15 min at 95°C, followed by 35 cycli of 30 s at 94°C, 90 s at 57°C and 60 s at 72°C; followed by an additional elongation step of 30 min at 60°C and an indefinite hold at 4°C. Prior to genotyping, samples were quantified using a  ND1000  spectrometer  (Nanodrop  Technologies)  and  adjusted  to  a  standard concentration  of  10  ng/µL.  Negative  controls  during  extraction  and  PCR were included to rule out contamination of reagents. PCR products were visualized on an  ABI3730  Genetic  Analyzer  (Applied  Biosystems),  an  internal  LIZ‐600  size standard was applied to determine allele size, and  fragments were scored using the software package GENEMAPPER v4.0. All loci under study were autosomal as inferred from the chromosomal location of their homologs on the genome of the zebra finch, Taeniopygia guttata (Vangestel et al. unpublished data). 

We  used  MICRO‐CHECKER  software  (Van  Oosterhout  et  al.  2004)  to identify  scoring  errors  that  could  be  attributed  to  stuttering,  differential amplification of size‐variant alleles causing large allele drop‐out, or the presence of  null  alleles.  All  microsatellite  loci  were  checked  for  Hardy‐Weinberg  and linkage  equilibrium  with  GENEPOP  version  4.0  (Raymond  and  Rousset  1995, Rousset  2008)  and  a  family‐wise  error  rate  of  0.05 was  obtained  by  applying sequential Bonferroni correction (Weir 1990).  

Spatial kinship analysis 

Kinship  analyses  can  be  assigned  to  two  types  of  models:  those  that estimate  relatedness between  individuals as a  continuous measure of genome‐

Page 141: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

131  

wide  identity  by  descent,  and  those  that  assign  dyads  to  discrete  relationship categories  (Weir  et  al.  2006).  To  date,  there  is  no  single  best  relatedness estimator  that  outperforms  all  others.  Rather,  their  performance  appears context‐specific and  to  rely on  the underlying  true genetic population structure (Van de Casteele et al. 2001, Wang 2011). As recommended by Van de Casteele et al. (2001), we performed Monte Carlo simulations using COANCESTRY Version 1.0 (Wang 2011) to calculate correlation coefficients between different estimates and true simulated relatedness values (using observed allele frequencies). Based on these simulations, we selected the Queller‐Goodnight moment estimator (rQG, Queller and Goodnight 1989) that yielded a strong correlation between true and estimated  values  (r=0.82,  p<0.001;  figure  5.2)  within  the  range  reported  in previous  studies  (Van  de  Casteele  et  al.  2001  and  references  therein).  The asymmetric  Queller  and  Goodnight  (1989)  index  between  individuals  x  and  y (using  the  former  as  the  reference  individual)  was  calculated  as  ̂∑ ∑∑ ∑

, where   equals the population allele frequency of allele k at locus l 

over all  individuals as  if  they were a  single population  (no  substantial effect on relatedness estimates were found when analyses were performed in the urban or rural  area  separately),  px  equals  the  frequency  of  allele  k  in  the  reference individual  (1  or  0.5  for  homozygotes  and  heterozygotes,  respectively),  and  py equals  the  frequency  of  allele  k  in  the  individual  compared  (1,  0.5  or  0  for heterozygotes,  homozygotes  or  the  absence  of  allele  k,  respectively).  When summed  over  both  individuals,  this  index  transforms  into  a  symmetrical  one (Queller and Goodnight 1998).  

For  each  population,  we  calculated  the  frequency  distribution  of relatedness  coefficients between  all n(n‐1)/2 dyads using GenAlEx  version 6.41 (Peakall  and  Smouse  2006),  while  confidence  intervals  for  mean  within‐population  relatedness  were  estimated  via  bootstrapping.  Likewise,  we generated  a  null  distribution  of  relatedness  coefficients  among  unrelated individuals by randomly permuting genotypes over all populations for 999 times. As  corresponding  upper  and  lower  95%  intervals  represent  the  range  of relatedness  values  to  be  expected  under  random  mating,  mean  values  of empirical  distributions  above  the  simulated  95%  upper  limit  are  considered indicative  of  non‐panmictic  conditions.  Next,  we  estimated  relatedness coefficients  between  all  possible  dyads  within  central/peripheral  zones  or urban/rural areas, respectively. Mean coefficients of relatedness that exceed the 95% upper  limit  thereby provide evidence  for an  increase  in relatedness due  to 

Page 142: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

132 

the  presence  of  small‐scale  genetic  structure  at  the  particular  spatial  scale involved.  

 

Fig.  5.2.  Association  between  relatedness  estimates  of  simulated  kinship  categories  (mean value=black dot, standard error=error bars) and expected theoretical relatedness values (dashed lines). 100 dyads were simulated for each of four relationship categories (U=unrelated, HS=half siblings, FS=full siblings and PO=parent‐offspring).  

 

Given  local  population  structuring, we  further  expected  individuals  from common  environments  (i.e.  central/central)  to  be more  strongly  related  than dyads  containing  individuals  from mixed  environments  (i.e.  central/peripheral). We  therefore  compared  differences  in mean  relatedness  between  both  dyad types and performed a bootstrap test of 1000 repetitions in COANCESTRY Version 1.0  (Wang 2011)  to assess  the  level of statistical significance. To  test  for  ‘urban center’  effects,  we  compared  mean  levels  of  relatedness  in  urban  and  rural centers  and  assessed whether  there was  regional  heterogeneity  in  differences between  dyads  of  common  (central/central)  versus mixed  (central/peripheral) origin. Finally,  individuals of urban and rural areas were pooled and mean  levels of relatedness of both zones were compared. 

We  compared  the  kin  structure  of  common  and  mixed  dyads  by quantifying the relative contribution of unrelated (U), half‐sibling (HS), full‐sibling 

Page 143: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

133  

(FS) or parent‐offspring (PO) types of relatedness (true r respectively 0, 0.125, 0.5 and 0.5; Blouin 2003). Based on observed allele  frequencies within  respectively the urban and rural area, we simulated 1000 pairs of each type with COANCESTRY Version  1.0  (Wang  2011)  and  estimated  the  proportion  of  each  type  to  the empirical  distribution  using  a  finite  Bayesian  mixture  analysis  in  which  the observed distribution was modeled as a mix of normal distributions (all simulated distributions  reached  normality).  Proportions  were  drawn  from  a  uniform Dirichlet distribution  generating 100,000 posterior  samples  after discarding  the initial 50,000  (burn‐in) samples. Next, proportions of HS, FS and PO  types were pooled  into a single  ‘close kin’  type, and differences  in  the proportion of  ‘close kin’ between  common and mixed dyads were  considered  significant  if  the 95% credibility interval did not contain zero. All analyses were performed in WinBUGS Version 1.4 (Lunn et al. 2000). For the Bayesian analysis, relatedness coefficients were estimated within each area separately. 

Finally, we assessed patterns of fine‐scale genetic structure by quantifying the association between matrices of pairwise genetic/spatial distances  (Smouse and Peakall 1999; Peakall et al. 2003; Vekemans and Hardy 2004) through spatial auto‐correlation  analysis  in  GenAlEx  version  6.41  (Peakall  and  Smouse  2006). Under  a  restricted  dispersal  model,  auto‐correlograms  are  predicted  to  yield positive correlations at short spatial distances, followed by a gradual decrease to zero with increasing geographical distance and a subsequent random fluctuation of positive and negative values of the correlation coefficient (Smouse and Peakall 1999).  The  first  x‐intercept  is  thereby  regarded  to  estimate  the  extent  of nonrandom genetic structure, i.e. to reflect the point at which random stochastic drift  replaces  geneflow  as  the  key  determinant  of  genetic  structure.  As  this intercept may depend on the true scale of genetic structure, the chosen distance class  size  and  the  sample  size  per  distance  class  (Peakall  et  al.  2003),  we performed  a  second  auto‐correlation  analysis  in  which  we  plotted  pairwise genetic distances against increasing inclusive distance classes. Here, the distance class at which the auto‐correlation coefficient no longer remains significant (using 999  bootstraps)  approximates  the  true  extent  of  identifiable  genetic  structure (Peakall et al. 2003).  

Page 144: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

134 

RESULTS 

Microsatellite data 

Loci were highly polymorphic in all populations and there was no evidence for  linkage  disequilibrium  between  any  pair  of  loci.  All  locus‐by‐population combinations  were  in  Hardy‐Weinberg  equilibrium  apart  from  Pdo47  which deviated  from Hardy‐Weinberg  equilibrium  in  three  populations,  Pdoµ5  in  two populations, and Pdo9, Pdo32 and TG13‐017  in one population each. There was no evidence  for scoring errors due to  large allele drop‐out or stutter, and when re‐running analyses without  these  five markers,  inclusion or exclusion of Pdoµ5 and Pdo9 had a minor effect on relatedness estimates in population OW, but not in  any  other marker‐by‐population  combination  (figure  5.  3).  Since  removal  of either  both  loci  or  all  genetic  data  from  population  OW  did  not  affect  any conclusion of our study, results presented in this paper are based on information from all populations and loci.  

Hierarchical variation in relatedness  

Some,  but  not  all,  populations  showed  mean  relatedness  coefficients outside  the  limits  of  the  null  distribution  generated  by  randomly  permuting genotypes  over  all  populations.  Pooling  populations  in  either  a  central  or peripheral  zone  resulted  in  larger  than  expected  pairwise  relatedness  among individuals  from  the urban center only. When pooling populations  in urban and rural  areas, only  the  former  showed evidence of  a  significant higher degree of relatedness  than  expected  under  complete  panmixia  (figure  5.3). While  these genetic  signatures were not  consistent at  the  smallest  spatial  scale  (population level),  patterns  at  local  and  regional  scales  showed  that  individuals  from  the urban area were more strongly  related, especially so  in  the central urban zone. Such pattern can be expected under the assumption of (semi)isolation and lack of ample migration to counterbalance the effects of nonrandom mating.  

Relatedness in mixed and common dyads 

Notwithstanding the low overall level of kinship in our study area, levels of relatedness significantly differed between dyads consisting of  individuals  from a mixed  (central‐peripheral) origin compared to those  from the central zone only, both  in urban and rural populations (all p<0.01). While such  local  ‘center’ effect was expected  to be strongest  in  the urban area,  this was not supported by our data as the two‐factor (origin*area)  interaction was not significant (p>0.05). The   

Page 145: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

135  

 Fig. 5.3. Mean  relatedness values and 95%  confidence  limits are plotted. Gray bars  represent 95% upper and  lower expected relatedness values under the assumption of panmixia across all populations.  These  values  were  contrasted  with  relatedness  estimates  (a)  within  each population,  (b) central and peripheral zones within each area, and  (c) urban versus rural area, mean  values  outside  these  simulated  95%  confidence  intervals  represent  non‐panmictic conditions. Population OW with significantly higher rQG most  likely comprises an outlier due to the performance of loci Pdoµ5 and Pdo9. Abbreviations refer to populations described in table 3 (Introduction).   

Page 146: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

136 

higher  level of  relatedness among  individuals  from  the urban  compared  to  the rural  center  (p<0.01) was  consistent with  the  overall higher  relatedness  in  the entire urban area compared to the rural one (p<0.01) (figure 5.4). 

Bayesian mixture analysis of kinship distributions 

The  distribution  of  pairwise  relatedness  coefficients  peaked  at  rQG=0  in both urban and rural areas and strongly overlapped with a simulated distribution of  unrelated  individuals  (figure  5.5).  The  estimated  percentage  (with  95% credibility  interval)  of  close  kin  equaled  10.8%  (9.1‐12.6)  in  the  urban  center, while urban dyads of mixed  (central‐peripheral) origin  contained  a  significantly lower percentage of 8.9% (8.2‐9.6) close kin.  In contrast, differences  in close kin between  both  dyad  types  did  not  reach  statistical  significance  in  rural populations,  however,  estimated  proportions  were  significantly  lower  than  in urban  populations  (central‐central  dyads:  5.7%  (4.4‐7.0);  central‐peripheral dyads: 5.5% (4.9‐6.1)) (figure 5.6). 

Correlations between spatial and genetic distances 

Spatial  auto‐correlograms  provided  analogous  evidence  for  small‐scale restricted  gene  flow,  i.e.  significant,  positive  genetic  correlations  among geographically  adjacent  populations  and  a  subsequent  decline with  increasing distance  (figure  5.7).  Auto‐correlograms  intersected  the  x‐axis  between  1500‐2000 m for urban  individuals, and between 500‐1000 m for rural ones. At  larger distances, patterns became chaotic as r  tended  to  fluctuate around zero, hence confirming  that  the  spatial  scale  of  our  study was  appropriate. Based  on  their proportion of shared genes, individuals became genetically clustered at distances below 1.5 – 2  km  (urban) or 0.5 – 1  km  (rural), while populations beyond  this threshold  were  considered  as  genetically  independent.  Likewise,  multiple distance  class  plots  indicated  non‐randomly  distributed  genotypes  at  small geographical  distances  and  a  gradual  decrease  towards  zero  with  increasing distance  size  class  (figure 5.7). Here,  auto‐correlation  coefficients  reached  zero values at 3.5 km (urban) and 5 km (rural), respectively. 

DISCUSSION Individual‐level  analysis  of  relatedness  coefficients  inferred  from 

microsatellite  genotypes  revealed  small‐scale  genetic  population  structure  in urban and rural house sparrows that was indicative of highly restricted gene flow beyond  distances  of  3500  m.  Average  relatedness  was  higher  among  urban individuals,  suggesting  lower  dispersal  in  more  strongly  built  up  habitats. 

Page 147: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

137  

Comparison  of  observed  levels  of  relatedness  with  simulated  distributions  of known kinship values further showed that central urban sparrows had the highest proportion  of  closely‐related  conspecifics  in  their  immediate  neighbourhood. Spatial  auto‐correlograms  supported  this  small‐scale  genetic  structure  and indicated  stronger  effects  of  genetic  drift  and  (or) more  restricted  dispersal  in urban  populations.  Results  of  this  study  suggest  that  further  loss  of  stepping stone  populations  in  urbanized  areas may  result  in  a  substantial  decrease  in genetic diversity in remnant populations of this highly sedentary species. 

 

  Fig. 5.4. Genetic population structure at a local (central vs. peripheral) and a regional (urban vs. rural) scale. Mean  levels of relatedness and error bars (SE) are plotted for several dyad groups: ‘within UC’ and ‘within RC’ refer to common dyads comprising individuals from Urban Center or Rural  Center  respectively;  ‘between  UC‐UP’  and  ’between  RC‐RP’  refer  to  mixed  dyads comprising one  individual  from Urban Center or Rural Center,  respectively, and one  individual from  Urban  Periphery  or  Rural  Periphery,  respectively;  ‘within  U’  and  ‘within  R’  refer  to  all possible dyads within the Urban or Rural zone, respectively.   

Page 148: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

138 

 Fig. 5.5. Observed  (solid  line)  versus expected  (bars) patterns of  relatedness  in  central urban house  sparrows  . U=unrelated  (true  r=0); HS=half  siblings  (true  r=0.125);  FS=full  siblings  (true r=0.5); PO=parent‐offspring (true r=0.5).  

  

Fig. 5.6. Posterior mean proportions of close kin obtained from a finite Bayesian mixture analysis with error bars representing 95% credibility intervals. Significant differences between dyad types in  the urban or  rural area are  indicated by  “*”;  ‘within UC’ and  ‘within RC’  refer  to  common dyads comprising  individuals from Urban Center or Rural Center respectively;  ‘between UC‐UP’ and ’between RC‐RP’ refer to mixed dyads comprising one individual from Urban Center or Rural Center, respectively, and one individual from Urban Periphery or Rural Periphery, respectively.  

Page 149: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

139  

 

 Fig.  5.7.  Spatial  auto‐correlation  analysis  in  a  urban  and  rural  area.  (a)  Single  correlogram depicting the auto‐correlation as a function of distance. (b) Multiple distance class plot depicting the effect of different distance size classes on the extent of genetic autocorrelation. Error bars were estimated using 999 bootstraps 

Page 150: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

140 

Population‐level  genetic  analysis  based  on  Wright’s  F‐statistics  (or derivatives thereof) earlier provided only weak evidence for regional structuring of  house  sparrow  populations  in  the  same  study  area  (Vangestel  et  al. unpublished).  While  results  of  the  current  study  appear  to  contradict  such panmictic pattern, F‐related  statistics  largely  reflect evolutionary outcomes and assume  equilibrium  conditions  that  are  often  not met  in  natural  populations (Whitlock  and McCauley  1999).  In  contrast, patterns of  kinship  reflect ongoing genetic processes (Peakall et al. 2003) though it is currently unclear whether, and to  what  extent,  distributions  of  relatedness  are  also  affected  by  genetic disequilibria.  Relatedness  based  analyses  identified  small‐scale  population structure as neighboring  individuals were more related to each other than more distant  ones.  Although  such  pattern was  to  be  expected  in  species with  small postnatal dispersal distances, mean levels of relatedness differed between urban and  rural areas. This suggests urban environments pose stronger constraints on house sparrow dispersal than less built‐up ones. Earlier, Liker et al. (2009) did not reveal significant variation in kinship within and between winter feeding flocks of house  sparrows  in  NW  Hungary,  nor  were  patterns  related  to  geographical distance. Results from our study provide different, non‐exclusive explanations for this  apparent  lack  of  small‐scale  genetic  structure.  First,  Liker  and  colleagues studied house sparrows in a moderately urbanized area were genetic population structuring is predicted to be weak. Second, as mentioned by the authors, despite the  fact  that  their  sampling  design  was  most  appropriate  to  relate  feeding aggregations to genetic relatedness, the spatial scale of their study (most distant populations separated by ca. 1200 m, majority of  the populations within 500 m range) may  have  fallen  below  the  threshold  for  detecting  genetic  structuring. Third, genetic  differentiation  among  populations  and  feeding  flocks  may have increased  differences  in  estimates  of  relatedness  between  ‘common’  and ‘mixed’ dyads. However, as allele  frequencies did not strongly vary among most of  our  populations,  we  consider  this  explanation  less  likely.  Both  Liker  et  al. (2009)  and  our  study  report  low  levels  of  relatedness  among  house  sparrows. High  juvenile  mortality  (±  50%  annually  for  adults,  Anderson  (2006))  and/or postnatal dispersal rates are suggested to cause such patterns (Liker et al. 2009), although the latter seems rather unlikely in our study area. High annual mortality rates  lower  the  probability  that  closely  related  individuals  both  survive  for  a longer period of time (Liker et al. 2009).  

Use  of  auto‐correlation  analysis,  revealed  that  proximate  sparrow  pairs were genetically more strongly correlated than randomly chosen pairs, while this was not true for more distant ones. Average estimates of relatedness were higher 

Page 151: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

141  

in  urban  populations,  suggesting  stronger  local  population  structure  in  highly built‐up areas. Strong genetic drift and/or weak geneflow may cause substantial genetic correlation between house sparrows within these areas. Positive genetic structuring was  detectable  up  to  1.5  –  2  km  in  urban  populations, while  rural sparrows  showed  genetic  independence  at 0.5  – 1  km  already. However,  as  x‐intercepts  of  auto‐correlograms  (representing  shifts  from  geneflow  to  genetic drift as main driver of population differentiation) are believed to depend on the sampling  scheme  applied  (Vekemans  and Hardy 2004),  it  is  recommendable  to use multiple  distance  size  plots  to  detect  the  true  extent  of  genetic  structure (Peakall et al. 2003), even if sampling schemes are more or less comparable as in our study. Based on this second analysis, distances over which geneflow was still detectable tended to be larger for rural (5km) than for urban (3.5km) populations (no  statistical  test  applied).  Since  genetic  drift was  expected  to  be  stronger  in urban populations (characterized by lower census population sizes; C. Vangestel, unpublished),  this  may  have  caused  the  observed  difference  between  both correlograms, possibly in synergy with low dispersal rates. In the urban area, but not  in  the  rural  one,  the  proportion  of  close  kin  (modeled  as  a  dichotomous variable)  differed  between  common  and mixed  dyads,  suggesting  that  ‘center’ effects were stronger in the former. However, no such pattern was apparent for mean estimates of  relatedness  (if modeled as a continuous variable) as  ‘center’ effects were present  in both  the urban  and  rural  area  and effect  sizes did not differ. As overall level of relatedness was lowest in the rural area, shifting from a continuous to a dichotomous variable may have reduced the level of variation in kinship  in  this  area,  thereby  causing  the  apparent  discordance  between  both analyses. While analyzing relatedness as a continuous measure could not confirm the  a  priori  hypothesized  stronger  urban  ‘center’  effect,  it  did  reveal  higher relatedness values in the urban area suggesting a higher degree of isolation. 

With the exception of central urban dyads, proportions of close kin were smaller  than  those  reported  in  Liker  et  al.  (2009) where  all  flock‐assemblages except one  (0.056) had mean proportion of close kin ranging  from 0.11 to 0.19. Such difference may have been real or caused by differences in the study design (i.e. scale over which populations were sampled) or analytical methods applied. As  opposed  to  Liker  et  al  (2009)  who  assigned  dyads  to  particular  classes  of kinship  based  on  likelihood  algorithms  (Milligan  2003), we  applied  a  Bayesian mixture approach that exploited the full range of data and is considered to be less prone  to  large  errors  of  inference  associated with  individual  kinship  estimates (Lynch  and  Ritland  1999;  Sweigart  et  al.  1999).  When  applying  a  likelihood method  comparable  to  Liker  et  al.  (2009),  estimated  proportions  of  close  kin, 

Page 152: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

142 

increased  to 0.15‐0.21  (data not shown), however, without affecting any of  the conclusions of our paper.  

To  date,  individual‐based  analysis  of  relatedness  remains  a  less  popular tool  to  study  small‐scale population  structure. Examples  include  the  studies by Ruzzante et al. (2001) and Sweigart et al. (1999) who inferred genetic population structure based on estimates of relatedness in brown trout (Salmo trutta) and the wildflower Mimulus guttatus, respectively. Van de Casteele and Matthysen (2006) used  kinship  information  to  identify  small‐scale  genetic  structure  in  great  tits where  clustering algorithms based on Hardy‐Weinberg and  linkage disequilibria (Pritchard et al. 2000) earlier  failed  to do  so. Likewise,  individual‐based genetic analyses  showed  substantial  among‐patch  movement  in  pikas  (Ochotona princeps)  while  mark‐recapture  analysis  did  not  pick  up  such  signal  (Peacock 1997; see Spong and Creel 2001  for an example where both methods provided consistent results). Despite these positive results, inferring small‐scale population structure from relatedness values needs to be done with caution as distributions of  coefficients  of  relatedness  are  not  exclusively  shaped  by  the  level  of connectivity  among  adjacent  populations.  For  instance,  sibling  similarity  in dispersal which occurs in several species (Massot and Clobert 2000) can affect the extent of kinship assemblages in a population. For example, parents may control dispersal  of  their  offspring  as  shown  in  great  tits,  resulting  in  strong  sibling similarity of dispersal directions (Matthysen et al. 2005, 2010). Spatial differences in  such  family behavior may  induce  geographical  variation  in  fine‐scale  kinship structure.  As  house  sparrows  show  a  strong  preference  to  reselect  previous occupied  nesting  locations  (Vincent  2005),  reduced  annual  variation  in  family dispersal  may  promote  aggregations  of  offspring.  In  marginal  habitats  such dispersal  may  be  strongly  canalized  annually  into  only  a  limited  number  of ‘attractive  corridors’, while dispersal may be more  random  in optimal habitats. Spatial differences  in quality of  feeding areas,  too, may affect  these processes. Parents appear to make nonrandom behavioral decisions while foraging as shown by the lower incidence of aggressive scrounging towards kin relative to unrelated individuals (Tóth et al. 2009). As such, differences  in access to high quality areas for offspring  from high and  low dominant status parents, may affect on  its turn differential dispersal between family groups. At the moment it is unclear whether such kin‐based dispersal  takes place  in house sparrows and  to what extent  this affects the geographical distribution of relatedness.  

This study provides new  insights  into patterns of spatial heterogeneity  in relatedness in a declining species, and underscores the importance of individual‐

Page 153: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

143  

level genetic analysis as a complementary approach to population‐level analyses when studying small‐scale population structuring. 

ACKNOWLEDGEMENT We  wish  to  thank  H.  Matheve,  T.  Cammaer  and  C.  Nuyens  for  field 

assistance, and A. Krupa and G. Horsburgh  for  laboratory assistance. We  thank Terry  Burke  for  supporting  this  work  and  helpful  discussions.  We  thank  Erik Matthysen  and  Frederik Hendrickx  for  insightful  comments on  an  earlier draft. Genotyping was performed at the NERC Biomolecular Analysis Facility funded by the Natural Environment Research Council, UK. Fieldwork and laboratory analyses were financially supported by research projects 01J01808 (Ghent University) and G.0149.09 (Research Foundation‐ Flanders). 

REFERENCES Anderson TR (2006) Biology of the ubiquitous House Sparrow. Oxford Univ. Press. 

Blouin MS  (2003) DNA‐based methods  for  pedigree  reconstruction  and  kinship analysis  in natural populations. Trends  in Ecology and Evolution 18, 503‐511. 

Chamberlain DE,  Toms MP,  Cleary‐McHarg  R,  Banks AN  (2007) House  sparrow (Passer  domesticus)  habitat  use  in  urbanized  landscapes.  Journal  of Ornithology 148, 453‐462. 

Danchin E, Giraldeau L‐A, Cézilly F (2008) Behavioural Ecology, Oxford. 

Dawson  DA,  Horsburgh  GJ,  Kupper  C,  et  al.  (2010)  New methods  to  identify conserved microsatellite loci and develop primer sets of high cross‐species utility  ‐ as demonstrated  for birds. Molecular Ecology Resources 10, 475‐494. 

Dawson DA, Horsburgh GJ, Krupa A,  Stewart  IRK,  Skjelseth  S et al. A predicted microsatellite map of the house sparrow Passer domesticus genome. (Re‐submitted to Mol Ecol Resour) (In preparation). 

De  Laet  J,  Summers‐Smith  JD  (2007)  The  status  of  the  urban  House  Sparrow Passer  domesticus  in  North‐Western  Europe:  a  review.  Journal  of Ornithology 148, S275‐S278. 

Griffith SC, Stewart IRK, Dawson DA, Owens IPF, Burke T (1999) Contrasting levels of  extra‐pair  paternity  in mainland  and  island  populations  of  the  house 

Page 154: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

144 

sparrow (Passer domesticus):  is there an  'island effect'? Biological Journal of the Linnean Society 68, 303‐316. 

Griffith  SC,  Dawson  DA,  Jensen  H,  et  al.  (2007)  Fourteen  polymorphic microsatellite  loci  characterized  in  the house  sparrow Passer domesticus (Passeridae, Aves). Molecular Ecology Notes 7, 333‐336. 

Heij  CJ, Moeliker  CW  (1990)  Population  dynamics  of  dutch House  Sparrows  in urban, suburban and rural habitats. Pages 59‐85 in Granivorous birds in the agricultural  landscape  (Pinowski,  J. and Summers‐Smith,  J. D., Ed.). Polish Scientific Publishers. 

Kekkonen  J,  Seppa  P,  Hanski  I,  et  al.  (2010)  Low  genetic  differentiation  in  a sedentary  bird:  house  sparrow  population  genetics  in  a  contiguous landscape. Heredity, 1‐8. 

Keller  LF, Waller  DM  (2002)  Inbreeding  effects  in  wild  populations.  Trends  in Ecology and Evolution 17, 230‐241. 

Lendvai AZ, Giraudeau M, Chastel O (2007). Reproduction and modulation of the stress response: an experimental test in the house sparrow. Proceedings of the Royal Society B‐Biological Sciences 274, 391‐397. 

Liker A, Bokony V, Kulcsar A, et al. (2009) Genetic relatedness in wintering groups of house sparrows (Passer domesticus). Molecular Ecology 18, 4696‐4706. 

Lunn  DJ,  Thomas  A,  Best  N,  Spiegelhalter  D  (2000)  WinBUGS  ‐  a  Bayesian modelling framework: concepts, structure, and extensibility. Statistics and Computing 10, 325‐337. 

Lynch M, Walsh  B  (1998) Genetics  and Analysis  of Quantitative  Traits.  Sinauer Associates, Sunderland, MA. 

Lynch M,  Ritland  K  (1999)  Estimation  of  pairwise  relatedness  with  molecular markers. Genetics 152, 1753‐1766. 

Masot M,  Clobert  J  (2000)  Processes  at  the  origin  of  similarities  in  dispersal behaviour among siblings. Journal of Evolutionary Biology 13, 707‐719. 

Matthysen E, Van de Casteele T, Adriaensen F (2005) Do sibling tits (Parus major, P.  caeruleus)  disperse  over  similar  distances  and  in  similar  directions? Oecologia 143, 301‐307. 

Matthysen  E,  Van Overveld  T,  Van  de  Casteele  T,  Adriaensen  F  (2010)  Family movements before  independence  influence natal dispersal  in a  territorial songbird. Oecologia 162, 591‐597. 

Page 155: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

145  

Milligan BG (2003) Maximum‐likelihood estimation of relatedness. Genetics 163, 1153‐1167. 

Nakagawa  S,  Ockendon  N,  Gillespie  DOS,  Hatchwell  BJ  and  Burke  T  (2007) Assessing  the  function of house  sparrows' bib  size using a  flexible meta‐analysis method. Behavioral Ecology 18, 831‐840. 

Neumann K, Wetton  JH  (1996) Highly polymorphic microsatellites  in  the house sparrow Passer domesticus. Molecular Ecology 5, 307‐309. 

Peakall R, Ruibal M, Lindenmayer DB (2003) Spatial autocorrelation analysis offers new  insights  into  gene  flow  in  the  Australian  bush  rat,  Rattus  fuscipes. Evolution 57, 1182‐1195. 

Peakall  R,  Smouse  PE  (2006)  Genalex  6:  Genetic  analysis  in  excel.  Population genetic  software  for  teaching  and  research. Molecular  Ecology Notes  6, 288‐295. 

Peacock MM (1997) Determining natal dispersal patterns in a population of North American pikas (Ochotona princeps) using direct mark‐resight and indirect genetic methods. Behavioral Ecology 8, 340‐350. 

Pritchard  JK,  Stephens M, Donnelly  P  (2000)  Inference  of  population  structure using multilocus genotype data. Genetics 155, 945‐959. 

Queller DC, Goodnight KF  (1989) Estimating  relatedness using  genetic markers. Evolution 43, 258‐275. 

Raymond  M,  Rousset  F  (1995)  Genepop  (version‐1.2)  ‐  population‐genetics software for exact tests and ecumenicism. Journal of Heredity 86, 248‐249. 

Ritland  K  (1996)  A  marker‐based  method  for  inferences  about  quantitative inheritance in natural populations. Evolution 50, 1062‐1073. 

Rousset F (2008) Genepop  ' 007: a complete re‐implementation of the Genepop software for Windows and Linux. Molecular Ecology Resources 8, 103‐106. 

Ruzzante DE, Hansen MM, Meldrup D (2001) Distribution of individual inbreeding coefficients,  relatedness and  influence of  stocking on native anadromous brown  trout  (Salmo  trutta)  population  structure. Molecular  Ecology  10, 2107‐2128. 

Shaw LM, Chamberlain D, Evans M (2008) The House Sparrow Passer domesticus in urban areas: reviewing a possible link between post‐decline distribution and human socioeconomic status. Journal of Ornithology 149, 293‐299. 

Page 156: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Chapter 5 

146 

Smouse  PE,  Peakall  R  (1999)  Spatial  autocorrelation  analysis  of  individual multiallele and multilocus genetic structure. Heredity 82, 561–573. 

Spong  G,  Creel  S  (2001)  Deriving  dispersal  distances  from  genetic  data. Proceedings of the Royal Society of London Series B‐Biological Sciences 268, 2571‐2574. 

Sweigart  A,  Karoly  K,  Jones  A, Willis  JH  (1999)  The  distribution  of  individual inbreeding  coefficients  and  pairwise  relatedness  in  a  population  of Mimulus guttatus. Heredity 83, 625‐632. 

Tóth  Z,  Bokony  V,  Lendvai  AZ,  et  al.  (2009)  Effects  of  relatedness  on  social‐foraging tactic use in house sparrows. Animal Behaviour 77, 337‐342. 

Vallone PM, Butler  JM  (2004) Autodimer: a screening tool  for primer‐dimer and hairpin structures. Biotechniques 37, 226‐231. 

Van  de  Casteele  T,  Calbusera  P,  Matthysen  E  (2001)  A  comparison  of microsatellite‐based  pairwise  relatedness  estimators. Molecular  Ecology 10, 1539‐1549. 

Van De Casteele  T, Matthysen  E  (2006). Natal dispersal  and parental  escorting predict relatedness between mates  in a passerine bird. Molecular Ecology 15, 2557‐2565. 

Vangestel C, Braeckman BP, Matheve H, Lens L (2010) Constraints on home range behaviour  affect  nutritional  condition  in  urban  house  sparrows  (Passer domesticus). Biological Journal of the Linnean Society 101, 41–50. 

Vangestel C, Mergeay  J, Dawson DA, Vandomme V  and  Lens  L. Developmental stability  covaries  with  genome‐wide  and  single‐locus  heterozygosity  in house sparrows. Plos One submitted. 

Van Oosterhout C, Hutchinson WF, Wills DPM,  Shipley P  (2004) Micro‐checker: software for  identifying and correcting genotyping errors  in microsatellite data. Molecular Ecology Notes 4, 535‐538. 

Vekemans, X. and Hardy, OJ  (2004) New  insights  from  fine‐scale  spatial genetic structure analyses in plant populations. Molecular Ecology 13, 921‐935. 

Vincent  K  (2005)  Investigating  the  causes  of  the  decline  of  the  urban  house sparrow Passer domesticus population  in Britain. PhD thesis, De Montfort University, UK. 

Page 157: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Spatial heterogeneity in genetic relatedness distributions 

147  

Walsh  PS, Metzger  DA,  Higuchi  R  (1991)  Chelex‐100  as  a medium  for  simple extraction  of  dna  for  pcr‐based  typing  from  forensic  material. BioTechniques 10, 506‐513. 

Wang JL (2011) COANCESTRY: a program for simulating, estimating and analysing relatedness and  inbreeding  coefficients. Molecular Ecology Resources 11, 141‐145. 

Weir  B  (1990) Genetic Data  Analysis: Methods  for Discrete  Population Genetic Data. Sinauer Associates: Sunderland, MA, AUS. 

Weir BS, Anderson AD, Hepler AB  (2006) Genetic  relatedness  analysis: modern data and new challenges. Nature Review Genetics 7, 771‐780. 

Whitlock MC, McCauley DE (1999) Indirect measures of gene flow and migration: Fst ≠1/(4Nm+1). Heredity 82, 117‐125. 

Zamudio  KR,  Wieczorek  AM  (2007)  Fine‐scale  spatial  genetic  structure  and dispersal  among  spotted  salamander  (Ambystoma maculatum)  breeding populations. Molecular Ecology 16, 257‐274. 

 

Page 158: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen
Page 159: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

149 

General discussion 

 

©Chantal Deschepper 

 

 

   

Page 160: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

150 

In  this  final  chapter  I  recapitulate  the main  conclusions,  integrate  and compare  results of different  chapters and make  suggestions of how  these may contribute to conservation management. Lastly, I outline possible future research directions  that may help  clarify  some questions  that  remain unresolved  in  this thesis.    

OVERVIEW OF THE MAIN CONCLUSIONS i. Urban  house  sparrows  occupied,  on  average,  the  smallest  home  ranges 

along the urban‐rural gradient and activity ranges were inversely related to scatter  of  key  vegetation  (bushes,  hedges).  Similar  patterns  were  not observed  in  suburban  or  rural  areas.  Nutritional  condition,  as  assessed from  ptilochronological  feather marks, was  lowest  in  urban  populations and showed a positive relation with home range size in this habitat. Based on  these  results,  scatter  of  key  vegetation  in  strongly  built‐up  areas  is believed  to  hamper  urban  house  sparrows  in  occupying  optimally‐sized home ranges, which on its turn results in lower nutritional condition. 

 

ii. Levels of fluctuating asymmetry in tarsus length did not covary with levels of presumed environmental stress, and results of this study therefore add to the growing evidence that relationships between environmental stress and  fluctuating asymmetry are species‐,  trait‐ and/or context‐dependent. This  pleads  for  prudent  use  of  fluctuating  asymmetry  as  a  biomarker  of stress in evolutionary‐ecological or conservation studies. 

 

iii. As opposed to environmental stress, fluctuating asymmetry was  inversely related  to estimates of genetic diversity at population  level, as predicted from the heterozygosity hypothesis. While relationships at population level accounted  for more  than  34%  of  the  observed  variation,  this  was  not corroborated by analyses conducted at the individual level, most likely due to  the  large error of  inference generally associated with  individual‐based estimates.  Genome‐wide  estimates  of  heterozygosity  at  the  population level  were  also  inversely  related  to  levels  of  fluctuating  asymmetry, however, this association was driven to a  large extent by patterns at two loci.  Based  on  these  results,  local  linkage  disequilibrium with  key  loci  is proposed  as  the most  likely  explanation  for  the  observed  relationships, possibly in synergy with genome‐wide effects. 

Page 161: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

151  

iv. While census‐based density estimates indicated that the size of the urban house  sparrow population  in  this  study was of  the  same order  as  those reported  in other  large European cities, genetic analyses did not provide evidence for a genetic bottleneck. Only the most central urban population showed  signs  of  a  depauperate  genetic  richness,  although  exchange  of migrants  may  have  obscured  bottleneck  signatures  in  other  urban populations.  Principal  coordinate  analyses  further  revealed  that (sub)urban  and  rural  populations  tended  to  cluster  into  two  separate genepools. 

 

v. As hypothesized, kinship analyses revealed non‐random spatial patterns of genetic similarity, indicative for small‐scale population structure. Results of this study supported a stronger  local population structure  in urban areas compared  to  rural  ones.  Average  relatedness  and  proportion  of  nearby close kin was highest in highly urbanized areas, possibly due to lower rates of dispersal. Autocorrelograms provided further evidence for the presence of small‐scale population structure in house sparrows and strongest effects of genetic drift and/or isolation in urban areas.  

 

Due to logistic and time constraints it was impossible to replicate our study design  for multiple  urban‐rural  gradients  (i.e.  by  studying  populations  in  and around multiple cities). Therefore,  the observed  relationships with urbanization (Chapter  1,  4,  and  5)  may  not  be  generalized  to  all  urban  habitats  in  a straightforward manner as this would be a classic example of pseudoreplication (Hurlbert 1984). Strictly spoken, statistical  inferences are therefore restricted  to the sampled populations and can constitute a specific effect of the city of Ghent, rather  than  a  true  urban  effect.  Therefore,  future  studies  are  needed  which provide  true  replicates  and  allow  valid  generalizations  of  observed  patterns. Notably, sample sizes of such studies need not necessarily to be as high as those used in this thesis. Spatial autocorrelation using only four peripheral populations instead of nine provided enough statistical power to detect similar patterns as the ones  reported  using  the  complete  dataset  (using  118680  pairwise  relatedness estimates). 

Page 162: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

152 

BIOMONITORING  TOOLS  FOR  HOUSE  SPARROWS:  FLUCTUATING  ASYMMETRY  OR 

PTILOCHRONOLOGY? Due  to  the  presumed  stress  sensitivity  of  bilateral  trait  asymmetry  that 

allows  researchers  to  identify  populations  under  stress  before  fitness  is irreversibly affected, and because FA relationships are expected  to be strongest under adverse conditions (which is often the case for threatened species), FA has aroused  large  expectations  in  conservation  biology.  Yet,  empirical  studies  are plagued  by  large  inconsistencies  in  the  strength  (and  even  direction)  of relationships  between  FA,  stress  and  fitness.  In  this  thesis,  I  related  FA  to presumed environmental (Chapter 1) and genetic (Chapter 3) stress, and showed that associations were  lacking  in  the  former while being  relatively strong  in  the latter.  

Fluctuating  asymmetry  has  been  suggested  to  integrate  the  effect  of various  synergistic  stressors  into  a  single  phenotypic  endpoint,  and  while researchers promote  this as an asset,  it may  in  turn also be a major  source of heterogeneity  in  reported  relationships.  For  instance, while  different  stressors might act synergistically  in the development of some traits, this may not be the case  in  others,  or  the  level  of  synergy  may  also  vary  between  species  or populations for a single trait. 

If various stressors affect populations in a complex pattern of antagonistic and  synergistic ways  the  eventual  outcome may  be  hard  to  interpret without prior knowledge of the specific effect of each stressor. As fluctuating asymmetry in house sparrows was affected by  levels of heterozygosity  (Chapter 3), positive FA‐environmental  stress  relationships  require  genetic  diversity  to  covary  with levels  of  nutritional  stress  (Chapter  1)  which  is  not  an  evident  claim.  Loss  of genetic  variation  may  be  affected  by  processes  independent  of  the  level  of nutritional stress. For instance, strong genetic drift or non‐random mating within a  population  may  be  expected  to  increase  FA  also  under  low  levels  of environmental  stress.  As  a  result,  studies  relating  FA  to  a  particular environmental stressor (such as studied in Chapter 2) may then find it difficult to detect patterns or explain lack thereof. In their study on FA in the flower Lychnis viscaria,  Siikamaki  and  Lammi  (1998)  demonstrated  both  genetic  and environmental  effects  on  levels  of  FA  but  both  acted  in  a  synergistic  way.  Marginal  populations  also  turned  out  to  be most  homozygous,  and while  the authors  used  evidence  from  a  common‐garden  experiment  to  conclude  that environmental  effects  were  most  dominant,  they  cautioned  to  interpret  FA‐environmental  stress  relationships  without  prior  knowledge  of  the  genetic 

Page 163: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

153  

properties of each population.  In our study, spatial variation  in nutritional stress may  not  have  co‐varied  with  levels  of  genetic  stress,  possibly  confounding relationships between FA and environmental stress. However, such confounding effect  would  then  be  expected  to  also  mask  relationships  between  FA  and homozygosity  in case nutritional stress would have a strong effect on FA. Since this was  not  the  case,  nutritional  stress  seemed  not,  or  at most  very weakly, associated with FA in our population of house sparrows.  

Hence, while it can be instructive to have an integrated measure of stress, I believe conservation biologists would benefit more  from tools  linking cause and result in a more straightforward way. Ptilochronology (Chapter 1) might be such a tool,  although  this  technique  is  certainly  not  flawless  either.  Studies  that implemented both biomarkers simultaneously tended to detect more consistent and stronger stress associations with growth bar size than with FA (Carbonell and Telleria 1999, Polo and Carrascal 1999, Talloen et al. 2008). Our results (Chapter 1‐2) further supported these trends as we found variation in levels of nutritional stress in a predictable way which could in addition be linked to a potential causal agent.  In contrast, FA remained unaffected by differences  in nutritional state.  In addition,  feather growth  can be  induced by pulling and  subsequently  collecting regrown feathers, which would allow researchers to obtain many replicates from a single individual in order to obtain more accurate estimates. This has proven to be  a  valid  procedure  in  house  sparrows,  as  follicle  history  does  not  appear  to influence  growth  bar  size,  i.e.  series  of  repetitively  induced  rectrices  all  had similar  growth  bar  sizes when  exposed  to  constant  stress  regimes  (Grubb  and Pravosudov 1994). In contrast, FA of bilateral traits such as tarsus length provides only  a  single  phenotypic  outcome  per  individual.    Furthermore,  in  small populations  in particular,  it might be  impossible to  increase statistical power by incrementing the number of sampled individuals while, as mentioned previously, ptilochronology  suffers  less  from  these  constraints  as  repetitive  sampling  of feathers rather than individuals can be used to increase power. 

DETECTING POPULATION STRUCTURE:  INTEGRATING  INDIVIDUAL AND POPULATION‐LEVEL ANALYSES 

Traditional  population  genetic  analyses,  such  as  F‐statistics  or  genetic distances,  still  remain  the  first  choice when  characterizing population  structure (Latch et al. 2006). Yet, new advanced statistical methods have emerged and the possibility to obtain large numbers of markers for non‐model species now allows to  implement  individual multi‐locus  information  when  analyzing  genetic  data. 

Page 164: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

154 

Such individual‐based approaches allow greater precision than previous methods that strongly rely on summary statistics (e.g. FST, Pearse and Crandall 2004, Planes and Lemer 2011). The assets of such individual‐oriented analyses have been most clearly  demonstrated  in  the  context  of  detecting  dispersal  events.  Several individual‐based  studies  have  unraveled  dispersal  patterns  which  remained undetected  by  allele  frequency‐based  methods.  For  instance,  Castric  and Bernatchez  (2004)  showed  that  individual  assignment  was  biased  towards spatially  proximate  locations  indicative  for  an  ‘isolation  by  distance’  pattern  in two  fish  species,  while  such  signatures  remained  cryptic  when  traditional measures of genetic differentiation were used. Kraaijveld‐Smit et al.  (2002) was able  to  identify  philopatry  in  female  antechinus  (Antechinus  agilis),  a  small marsupial,  and  male‐biased  dispersal  using  individual‐based  assignment  tests while genetic structure, as assessed from FST values, was lacking. 

In  Chapter  5 we  presented  a  specific  application  of  such  an  individual‐based  method.  While  based  on  the  same  genetic  dataset,  individual‐level (Chapter  5)  and  population‐level  (Chapter  4)  genetic  analysis  revealed marked differences  in  the ability  to detect small‐scale genetic patterns. Population‐level analyses  (Chapter 4)  revealed  a moderate distinction between urban/suburban and rural populations which was  further supported by an  ‘isolation by distance’ pattern  (presumably  driven  by  the  two  separate  clusters,  e.g.  urban/suburban versus  rural). Within  each  zone  (urban/suburban  and  rural,  respectively)  there was no pattern of nonrandom aggregation of genotypes (pairwise Dest values did not  increase  with  distance  nor  was  any  specific  spatial  pattern  observed). Contrasting Dest  values  at  different  hierarchical  levels  (within  and  between  the different  urbanization  classes)  further  indicated  that  genetic  drift  was  not counterbalanced  by  low  rates  of migration,  however,  the  evidence  was  fairly weak. In contrast, spatial variation in individual relatedness estimates (Chapter 5) revealed  stronger  evidence  for  local  population  structure.  In  addition,  auto‐correlograms confirmed strong effects of genetic drift in distant populations and suggested  that genetic  similarity between  individuals decreased with  increasing distance at a small geographical scale. Stronger drift effects in urban areas, most likely  due  to  small  population  sizes  as  observed  from  census  counts (Introduction), caused this pattern to disappear at a smaller scale. Such detailed information  was  not  obtained  from  traditional  population  genetic  analysis  in Chapter 4. Differences  in the capacity to detect small‐scale population structure might be  reflected  in  the way genetic data  is analyzed as both approaches use different  kinds of  information.  FST  values  (or derivatives  thereof)  summarize all the available genetic information over all alleles, loci and individuals into a single 

Page 165: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

155  

estimate  of  genetic  differentiation  which  is  easy  to  interpret  and  to  use  in subsequent analyses. However, the gain  in both simplicity and ease might come with  a  cost.  Individual‐based methods,  like  the  ones  used  in  Chapter  5,  take advantage  of  the  multilocus  structure  of  the  data  and  use  each  multilocus individual genotype as an  independent unit of  information. This study highlights potential  insights  that  can  be  obtained  by  integrating  both  individual  and population based methods to study population structure at a small geographical scale. Results from chapters 4 and 5 do not  justify to conclude that one method should  be  replaced  by  another.  Rather,  both  approaches  should  be  used  in concert as they allow complementary insights. 

IMPLICATIONS FOR CONSERVATION Since the first reports on the urban sparrow decline were published, there 

has been a genuine and growing  interest of the general public  into this species. Such public concern has prompted many research institutes to commence studies on house sparrows in an attempt to elucidate the causes of the sparrow collapse. The  goal  of  this  thesis was  not  explicitly  conservation  oriented,  but  rather  to study  fundamental ecological concepts  in an urban environment by using house sparrows as a model species. However, insights gained from results presented in this  thesis may  provide  useful  information  for  local  conservation  initiatives  for this species in particular, and for urban biodiversity in general.  

As  outlined  in  the  introduction,  the  current  urban  landscape  is characterized  by  an  increase  in  pavements  and  non‐native  ornamental  shrubs, often at the expense of native vegetation (Shaw et al. 2008). This has been linked to  low  aphid  abundance,  high  nestling mortality  and  lack  of  sufficient  juvenile recruitment  in  urban  sparrows  (Vincent  2005,  Peach  et  al.  2008). Noteworthy, great  tits  (Parus  major)  and  other  urban  species  such  as  blackbirds  (Turdus merula)  provide  their  young  with  insects  as  well.  But  notwithstanding  some studies demonstrated reduced breeding success in great tits and other passerines in the urban habitat (Cowie and Hinsley 1987, Solonen 2001, Chamberlain et al. 2009),  these  species  have  not  witnessed  population  declines  of  the  same magnitude  as  those  observed  in  sparrows  (Luniak  et  al.  1990,  Summers‐Smith 2005). One  of  the  key  differences  that  distinguish  house  sparrows  from  other urban birds, is their extreme sedentary behavior (Anderson 2006) and this might provide a plausible explanation of why this species struggles to persist in modern urban  landscapes.  In Chapter 1,  I described  an  additional effect of habitat  loss that may contribute to the urban decline:  further  loss of suitable vegetation  for 

Page 166: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

156 

foraging  or  hiding may  scatter  remnant  patches  to  such  an  extent  that  house sparrows  are  no  longer  able  to  cover  critical  amounts within  their  daily  home range movements, in particular during the breeding season when daily distances covered decrease substantially  (Mitschke et al. 2000, Shaw 2009). This may put the  less  vagile  sparrow  at  a disadvantage  if other  species  are  less  reluctant  to explore  larger  areas  in  times  of  food  deprivation.  Loss  of  vegetation  may therefore adversely affect  fitness components of urban house sparrow, both as nestling  (Peach et al. 2008) and as adult  (this  thesis). Protection of  these  small landscape  elements  seems  imperative  for  any  conservation  plan  that  aims  to prevent house sparrows  from disappearing  from urban areas. Not only the area but  also  the  configuration  of  small  landscape  elements  appears  important,  i.e. inter‐patch  distances  should  be  kept  short  enough.  In  this  respect  it might  be more  beneficial  to  concentrate  on  redeveloping  fewer  locations  but  which harbour  sufficient  vegetation  in  a  concentrated  way  than  on  numerous,  but uniformly and  less densely distributed vegetation patches throughout the urban landscape. Chamberlain et al.  (2004) already reported the  importance of spatial configuration of suitable habitat as the occurrence of bird species in gardens was mainly  determined  by  the  surrounding  habitat matrix  rather  than  the  garden habitat per se.  

These  findings  could  be  easily  incorporated  into  the  concept  of  a  ‘lobe‐city’,  i.e. green  ‘wedges’ or  ‘fingers’ that  lie  in between  lobes of heavily built‐up area and where each of these radial green fingers connects the rural area with a part of the city center (Rombaut 2008). This idea originated in the first half of the 20th  century  and  provided  an  alternative  to  the  traditional  concentric  growth model  in which city centers and  its  inhabitants become more and more  isolated from the ecological infrastructure of rural areas (Rombaut 2008). Such growth has shown  to  have  repercussions  on  both  biodiversity  in  general  and  on  human wellbeing  (Marzluff  2001,  Shaw  2009).  In  his  doctoral  thesis,  Tjallingii  (1996) advocated  the  idea of a  ‘lobe‐city’  to mitigate  the detrimental consequences of concentric  urban  sprawl.  Recently,  the  EU  (2004)  has  promoted  the  lobe  city model  as  a  good  example  of  sustainable  urban  development,  creating opportunities for cities to expand while offering sports and leisure infrastructure and  the opportunity  to attract biodiversity  into  the  city  center. As home  range sizes of sparrows  in general are comparatively small (Chapter1),  implementing a relatively  small  amount  of  hedges,  thick  bushes  and  native  vegetation  at  the border  of  these wedges would  provide  sparrows with  the  required  seeds  and cover.  It  seems  feasible  that  such  small‐scale  networks  of  vegetation  patches could be  integrated  into any pre‐existing developmental plan without too much 

Page 167: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

157  

difficulty. Most  likely,  these networks will also attract  invertebrates which  in  its turn will  positively  affect  the  breeding  performance  of  urban  house  sparrows. Finally, as ‘city‐lobe’ models result into a longer fringe between the built‐up lobes and green spaces compared to the much shorter circumference of the concentric expanded city  (Rombaut 2008),  larger numbers of sparrows could be sustained, which would reduce the impact of demographic and genetic stochastic processes associated with  small population  sizes. Although  such an urban  redevelopment (‘lobe‐city’) will be hard to accomplish in current large cities, it might be an option for more moderate‐sized cities which are expected to grow in the future.   

A  further  incentive  to  promote  such  green wedges  is  their  potential  to function as corridors between suburban and urban populations. Suburban areas are  regarded  as  the most  optimal  sparrow  habitat  supporting  higher  densities (Chamberlain  et  al.  2007,  Vangestel  unpublished  data)  and  birds  in  better condition  (Chapter  1)  than  their  urban  counterparts. Heij  (1985)  assumed  that suburban  house  sparrow  populations  might  serve  as  source  populations  and therefore maintain multiple sink populations. However, this study was performed prior  to  the  collapse  of  urban  populations  and  it  is  currently  unclear whether suburban populations still show a demographic excess. In our study, we did find evidence of small‐scale population structure (Chapter 5). Most notably, we found evidence  that  population  structure  was  higher  in  an  urban  environment compared to a rural control area. The urban center showed strongest aggregation of  close  kin,  most  likely  due  to  lower  dispersal  rates  and  this  has,  to  our knowledge, never been shown in this species. At the moment  it remains hard to predict  if and  to what extent  these differences  in kinship structure have  fitness repercussions and affect population viability.  

In  conclusion,  since  urban  sprawl  is  expected  to  increase,  rather  than decrease,  in  future,  it  is  crucial  to  look  at  how  we  can  fully  exploit  a  city’s potential  to  conserve biodiversity, particularly  as  these habitats are home  to  a number of species that may become of conservation concern. Ecological studies should therefore constitute an integral part of urban redevelopment planning. 

FUTURE AREAS FOR RESEARCH 

Monitoring population trends 

To date, no baseline information is available for our study area which does not  allow  us  to  test  for  negative  population  trends  or  to  quantify  spatial differences in the strength of such declines. At a meeting held in February 2009 in 

Page 168: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

158 

Newcastle  (UK),  the  Working  Group  on  Urban  Sparrows  provided  a  detailed outline of a census methodology to monitor house sparrow abundances in urban habitats using a  standardized protocol meant  to  facilitate comparative analyses between different countries. They proposed a mapping‐based survey  (similar  to the one used  in this study; General Introduction) consisting of three consecutive counts during the early breeding season. Yet, even the most standardized census design does not solve the problems intrinsically associated with monitoring urban populations:  low  detectability  due  to  visual  and  auditive  constraints  and  large inaccessible area may bias estimates of population size substantially. Monitoring genetic  changes  may  therefore  be  a  useful  complement  to  such  surveys. Detecting  bottlenecks  using  tests  for  ‘heterozygosity  excess’  (see  Chapter  4) (Luikart and Cornuet 1998, Piry et al. 1999)  seem  less applicable  for our  study design  as  estimates  are  most  likely  confounded  by  immigration.  Keller  et  al. (2001)  showed  that  low  levels  of  immigration  were  sufficient  to  neutralize signatures of a genetic bottleneck as genetic outcomes were very different from those predicted from mutations only. In addition, in these models mutation plays an  important  role  in  shaping  observed  patterns  of  genetic  variation  while interactions between drift and migration may constitute more important drivers. To overcome these problems, it would be recommendable to sample populations repeatedly  in  time, preferably separated by a  few generations. Such a sampling design allows to disentangle effects of genetic drift from effects of migration, and to estimate changes  in effective population size through time  (see  footnote 5  in General Introduction). 

Monitoring phenotypic trends 

Museum  specimens  grant a wonderful opportunity  to  take a  look  in  the past, when house sparrow populations were still thriving well  in both urban and rural habitats. By contrasting such historical populations with their contemporary counterparts we  could  evaluate whether morphological measurements  such  as fluctuating asymmetry and ptilochronology, mimic such temporal patterns.  

Experimental research 

 One of the main weaknesses of this study  is  its correlative nature, which hampers the study of causal relationships. Yet, this study has highlighted several windows of opportunity  to  transform  the correlative design  to an experimental one  in  the  future.  :  (i)  The  positive  correlation  between  homerange  size  and nutritional  condition  suggests  that  high  scatter  of  suitable  vegetation  causes failure of urban   house sparrows  to adjust  their home ranges  to  their energetic 

Page 169: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

159  

needs  (Chapter 1). One  could experimentally manipulate  the  (in)accessibility of key vegetation by either providing supplementary vegetation or making existing one  temporarily unavailable. Monitoring how home  range  sizes  and nutritional condition would vary  in response to such a manipulative treatment could give a more  decisive  answer  of  the  causal  relationship  between  key  vegetation  and nutritional  condition  in  adult  house  sparrows;  (ii)  Absence  of  relationships between  nutritional  stress  and  FA  (Chapter  2) might  result  from  the  fact  that individuals  did  not  experience  energetic  constraints  (stress  levels  were  not experimentally manipulated nor directly measured, but  rather  indirectly  infered from feather marks). This part of the study could be improved by studying house sparrows along a well‐defined stress gradient with known fitness effects. Such a gradient has been demonstrated in a study in Leicester, UK (Vincent 2005, Peach et al. 2008) where lack of invertebrate food caused substantial mortality and loss of  body  condition  in  juvenile  house  sparrows.  Manipulating  food  availability (providing supplementary  insects) along this gradient would allow (i) to evaluate whether  growth bar  size  and  levels of  FA  reflect  food  stress  in house  sparrow chicks, and  (ii)  to verify whether  there  is evidence  for selective mortality, e.g. a positive association between mortality  rates and  levels of FA. The  first  steps of such a collaboration with The Royal Society for the Protection of Birds (UK) have been taken.  

Mechanisms underlying the ‘heterozygosity theory’ 

As  predicted  from  theory,  fluctuating  asymmetry  decreased  with increasing  levels  of  heterozygosity  either  due  to  local  or  genome‐wide  effects (Chapter 3). In this thesis, I was not able to unambiguously differentiate between both  mechanisms  although  single‐locus  effects  seem  to  provide  a  plausible explanation.  To  evaluate  whether  single  key  loci  could  cause  the  observed patterns through linkage with key loci, FA‐heterozygosity relationships should be studied in a captive breeding population of house sparrows. In doing so, studying full siblings would allow us to control  for variation  in  inbreeding and to exclude genome‐wide effects whilst  standardizing environmental  conditions as much as possible.  Such  analyses would  increase  our  understanding  of  the mechanisms underlying  relationships  between  heterozygosity  and  fluctuating  asymmetry,  in particular if multiple phenotypic traits could be a priori screened and modeled as repeated  measurements.  By  using  x‐ray  measurements,  standardized measurements  from virtually any pair of bilateral bones could be collected and digital  image  software  could  be  used  to  further  reduce measurement  errors. Finally,  future  research  should  also  attempt  to  unravel  the  underlying  cellular 

Page 170: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

160 

mechanism of developmental stability as such a breakthrough will be crucial  to interpret and explain patterns observed in nature. 

Mobility 

Evidence  is  growing  that  food  shortage  during  the  breeding  season  is problematic for urban birds. Tracking adult birds during these  intense periods of feeding may  increase our knowledge on urban activity patterns and allow us  to quantify mobility constraints similar or different from those observed during the non‐breeding  period  (Chapter  1).  Likewise,  it might  be  enlightening  to  include other  species which  forage on  insects as well, but did not  suffer  from a  similar population crash.   

Tracking  juvenile  birds  might  be  the  only  solution  to  fully  understand patterns, distances and rates of dispersal within the urban environment. Genetic methods may not meet all the necessary requirements needed to provide reliable estimates, while  low probabilities of resighting /retrapping may hamper the use of  traditional  capture‐recapture methods. Although  first  year  survival  rates  are presumed to be  low  (Ringsby et al. 2002) and researchers may therefore  face a substantial  drop‐out  from  their original  sample,  all  transmitters  from  predated individuals  were  retrieved  in  this  study.  However,  the  limited  longevity  of transmitter batteries continues to challenge the study of post‐fledging dispersal, resulting in poor knowledge on the timing of dispersal as well as settlement. 

REFERENCES Anderson TR. 2006. Biology of  the ubiquitous house  sparrow. Oxford University 

Press. 

Carbonell R and Telleria JL. 1999. Feather traits and ptilochronology as indicators of stress in iberian blackcaps Sylvia atricapilla. Bird Study 46, 243‐248. 

Castric V and Bernatchez L. 2004.  Individual assignment  test  reveals differential restriction  to  dispersal  between  two  salmonids  despite  no  increase  of genetic differences with distance. Molecular Ecology 13, 1299‐1312. 

Chamberlain DE, Cannon A and Toms M. 2004. Associations of garden birds with gradients in garden habitat and local habitat. Ecography 27, 589‐600. 

Chamberlain DE, Toms MP, Cleary‐Mcharg R and Banks AN. 2007. House Sparrow (Passer  domesticus)  habitat  use  in  urbanized  landscapes.  Journal  of Ornithology 148, 453‐462. 

Page 171: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

161  

Chamberlain DE, Cannon AR,  Toms MP,  Leech DI, Hatchwell BJ  and Gaston  KJ. 2009. Avian productivity  in urban  landscapes: a review and meta‐analysis. Ibis 151, 1‐18. 

Cowie  R  and  Hinsley  S.  1987.  Breeding  success  of  Blue  Tits  and  Great  Tits  in suburban gardens. Ardea 75, 81‐90. 

EU. 2004. Thematic strategy on the urban environment on the basis of reports by EU  working  groups  on  four  thematic  areas:  sustainable  urban management,  sustainable urban  transport,  sustainable urban design  and sustainable urban Germany. http://www.eaue.de/Publikation/AnalysisReport.pdf 

Grubb  TC  and  Pravosudov  VV.  1994.  Ptilochronology  ‐  follicle  history  fails  to influence growth of an induced feather. Condor 96, 214‐217. 

Heij CJ.  1985. Comparative  ecology  of  the  house  sparrow  Passer  domesticus  in rural,  suburban  and  urban  situations.  PhD  thesis,  Vrije  Universiteit Amsterdam, Nederland. 

Hurlbert  SH.  1984.  Pseudoreplication  and  the  design  of  ecological  field experiments. Ecological Monographs 54, 187‐211. 

Keller  LF,  Jeffery KJ, Arcese P, Beaumont MA, Hochachka WM,  Smith  JNM  and Bruford  MW.  2001.  Immigration  and  the  ephemerality  of  a  natural population bottleneck: evidence  from molecular markers. Proceedings of the Royal Society of London ‐Biological Sciences 268, 1387‐1394. 

Kraaijeveld‐Smit FJL, Lindenmayer DB and Taylor AC. 2002. Dispersal patterns and population  structure  in  a  small  marsupial,  Antechinus  agilis,  from  two forests analysed using microsatellite markers. Australian Journal of Zoology 50, 325–338. 

Latch EK, Dharmarajan G, Glaubitz JC and Rhodes OE. 2006. Relative performance of Bayesian clustering  software  for  inferring population  substructure and individual  assignment  at  low  levels  of  population  differentiation. Conservation Genetics 7, 295‐302. 

Luikart G  and  Cornuet  J‐M.  1998.  Empirical  evaluation  of  a  test  for  identifying recently  bottlenecked  populations  from  allele  frequency  data. Conservation Biology 12, 228‐237. 

Luniak  M,  Mulsow  R  and  Walasz  K.  1990.  Urbanization  of  the  European Blackbird—expansion and  adaptations of urban population.  In:  Luniak M (ed) Urban ecological studies  in Central and Eastern Europe.  International 

Page 172: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

162 

symposium Warsaw,  Poland.  Polish  Academy  of  Sciences, Warsaw,  pp. 187–198. 

Marzluff JM, Bowman R and Donnelly R. 2001. Avian Ecology and Conservation in an Urbanizing World. Kluwer Academic Publishers. 

Mitschke  A,  Rathje  H  and  Baumung  S.  2000.  House  sparrows  in  Hamburg: population habitat choice and threats. Hamburger Avifauna Beitr 30, 129‐204. 

Peach WJ,  Vincent  KE,  Fowler  JA  and Grice  PV.  2008.  Reproductive  success  of house sparrows along an urban gradient. Animal Conservation 11, 493‐503. 

Pearse DE and Crandall KA. 2004. Beyond FST: analysis of population genetic data for conservation. Conservation Genetics 5, 585‐602. 

Piry  S,  Luikart  G  and  Cornuet  J‐M.  1999.  Bottleneck:  a  computer  program  for dedecting  recent  reductions  in  the  effective  population  size  using  allele frequency data. The Journal of Heredity 90, 502‐503. 

Planes  S  and  Lemer  S.  2011.  Individual‐based  analysis  opens  new  insights  into understanding  population  structure  and  animal  behaviour.  Molecular Ecology 20, 187‐189. 

Polo V and Carrascal LM. 1999. Ptilochronology and fluctuating asymmetry in tail and wing feathers in coal tits Parus ater. Ardeola 46, 195‐204. 

Ringsby  TH,  Saether BE,  Tufto  J,  Jensen H  and  Solberg  EJ.  2002. Asynchronous spatiotemporal  demography  of  a  house  sparrow  metapopulation  in  a correlated environment. Ecology 83, 561‐569. 

Rombaut  EPC.  2008.  Urban  planning  and  biodiversity:  thoughts  about  an ecolpolis, plea for a  lobe‐city. Case‐study of the Belgian cities Sint‐Niklaas and Aalst. Commemorative International Conferenceof the occasion of the 4th  Cycle  Anniversary  of  KMUTT  Sustainable  Development  to  Save  the Earth: Technologies and Strategies Vision 2050, 1‐8. 

Ruzzante  DE,  Hansen  MM  and  Meldrup  D.  2001.  Distribution  of  individual inbreeding  coefficients,  relatedness  and  influence  of  stocking  on  native anadromous  brown  trout  (Salmo  trutta)  population  structure. Molecular Ecology 10, 2107‐2128. 

Shaw  LM,  Chamberlain  D  and  Evans  M.  2008.  The  house  sparrow  Passer domesticus in urban areas: reviewing a possible link between post‐decline 

Page 173: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

General discussion 

163  

distribution and human socioeconomic status. Journal of Ornithology 149, 293‐299. 

Shaw  LM.  2009.  Investigating  the  role  of  socioeconomic  status  in  determining urban habitat quality for the house sparrow, Passer domesticus. PhD thesis, Exeter University, UK. 

Siikamaki P and Lammi A. 1998. Fluctuating asymmetry  in central and marginal populations  of  Lychnis  viscaria  in  relation  to  genetic  and  environmental factors. Evolution 52, 1285‐1292. 

Solonen T. 2001. Breeding of the great tit and blue tit in urban and rural habitats in southern Finland. Ornis Fennica 78, 49‐60. 

Summers‐Smith  JD.  2005.  Changes  in  the  house  sparrow  population  in  Britain. International Studies on Sparrows 30, 23‐37. 

Sweigart A, Karoly K,  Jones A and Willis  JH. 1999. The distribution of  individual inbreeding  coefficients  and  pairwise  relatedness  in  a  population  of Mimulus guttatus. Heredity 83, 625‐632. 

Talloen W, Lens L, Van Dongen S and Matthysen E. 2008. Feather development under environmental  stress:  lead exposure effects on growth patterns  in great tits Parus major. Bird Study 55, 108‐117. 

Tjallingii S. 1996. Ecological conditions. Strategies and structures in environmental planning. PhD thesis, Delft University of Technology, Netherlands.  

Vincent  K.  2005.  Investigating  the  causes  of  the  decline  of  the  urban  house sparrow Passer domesticus population  in Britain. PhD thesis, De Montfort University, UK. 

Page 174: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen
Page 175: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

 

165 

Summary 

Urbanization is expected to increase at staggering rates in the near future underpinning the importance of the urban habitat as a source of biodiversity. As these  habitats  already  accommodate  several  avian  species  of  conservation concern,  urban  habitats  have  started  to  draw  the  attention  of  conservation biologists  and  ecologists. One of  these  species,  the house  sparrow, has  always been living and thriving well in highly built‐up areas. Yet, since a few decades this commensal  of  man  has  showed  marked  reductions  in  population  size  and numbers  to  such an extent  that  it has been  vanished  from  sight  in many  large European  cities.  Under  growing  public  interest many  research  institutes  have promoted  studies on house  sparrows  in  an  attempt  to  elucidate  the  causes of these  declines,  but  to  date  many  of  the  putative  answers  still  remain hypothetical. 

In this thesis  I aim to expand our current knowledge on how genetic and phenotypic  variation  is  distributed  along  an  urban‐rural  gradient  in  house sparrow  populations  using  high‐resolution  data  on  behavioral  radio‐tracking, morphological  stress  indicators  and  neutral microsatellite markers.  To  quantify presumed environmental or genetic stress we used a combination of fluctuating asymmetry  and  ptilochronlogy.  The  former  refers  to  small  random  deviations between both sides of a bilateral  trait  (here we used both  tarsi and  tail  feather length) and estimates  the underlying developmental  instability. Ptilochronology uses the size of growth bars, alternating dark and light bars perpendicular to the rachis of a  feather, as a proxy  for nutritional  stress where  smaller growth bars respond  to poor nutritional  condition. From a  conservation point of view,  such biomarkers would be most valuable if they are able to detect subtle differences in genetic  and/or  environmental  stress  before  adverse  fitness  effects  arise  (e.g. ‘early warning systems’).  

In Chapter 1 I related home range behavior with high‐resolution landcover maps and ptilochronological data. In general, home range sizes of house sparrows were  extremely  small  rendering  them  very  susceptible  to  small‐scale  human induced habitat alterations. In addition, home range size varied significantly along an urban‐rural gradient where urban house sparrows were characterized by the smallest home  ranges. Home  range  size  in  the urban habitat was  linked  to  the 

Page 176: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Summary 

166 

spatial  distribution  of  key  vegetation  (bushes,  hedges),  e.g.  home  range  size decreased with increased scatter of cover. In contrast, patch connectivity did not affect  home  range  size  in  neither  suburban  nor  rural  areas.  Finally,  urban sparrows were  in poorest nutritional condition and these  indices were positively associated with estimates of home range size, e.g. urban birds able to maintain a large home range were characterized by less worse body conditions. In summary, these  results  suggest  home  range  behavior  in  urban  house  sparrows  was constrained due  to  the  scattered distribution of  critical  resources which  led  to suboptimal  home  range  size  and  impoverished  nutritional  condition.  Further experimental prove is however warranted. 

In Chapter  2  I  assess  the utility of  fluctuating  asymmetry  as  a proxy  for environmental stress. Levels of nutritional stress (Chapter 1) did not covary with levels  of  fluctuating  asymmetry,  neither  at  the  individual  nor  population  level. This further supports the notion that FA relationships remain inconsistent and the utmost caution is necessary when applying FA as a proxy for environmental stress in conservation biology. 

In Chapter 3 I evaluate whether fluctuating asymmetry relates to levels of heterozygosity.  According  to  the  heterzygosity  hypothesis  genetic  diversity promotes  homeostatic mechanisms  to  buffer  developmental  pathways  against random perturbations. Our results corroborated this hypothesis as, in contrast to environmental  stress,  FA  was  inversely  related  to  levels  of  heterozygosity. Heterozygosity  at  population‐level was  able  to  explain  as much  as  34%  of  the observed variation in FA but a single key locus was the main driver underlying this pattern,  although  we  could  not  entirely  rule  out  genome‐wide  effects.  These results  suggest  local  linkage  disequilibrium with  key  loci  and/or  genome‐wide effects  as  the potential molecular basis of developmental  stability. Presumably the  large error of  inference associated with  individual estimates of FA precluded individual‐based  analyses  from obtaining  an equivalent  statistical power  as  the one obtained in population‐based analyses.  

In Chapter 4 I explore how genetic variation of house sparrow populations is partitioned along different urbanization classes using 16 neutral microsatellite markers.  With  the  exception  of  the  most  central  urban  population,  house sparrow populations in our study area did not reveal strong bottleneck signatures although  these  could have been masked by ongoing dispersal events. Principal coordinate  analyses  showed  a  moderate  distinction  between  either  the urban/suburban populations and  the  rural ones. Hierarchical Dest values  further suggested genetic drift as an important determinant of spatial genetic variation.  

Page 177: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Summary 

167  

In  Chapter  5  I  apply  an  individual‐based  approach  to  detect  small‐scale geographical  variation  in  kinship distributions. As predicted,  spatial patterns of genetic  similarity were nonrandom distributed. Urban areas were characterized by  a  higher  average  relatedness  and  higher  proportion  of  close  kin.  Spatial autocorrelograms  further  supported  small‐scale  population  structure  but  also reported a smaller extent of positive genetic structure  in highly urbanized areas, suggesting  genetic  drift might  be  stronger  here  due  to  small  population  sizes. These  results  advocate  to  integrate  both  individual  and  population‐based analyses when attempting to visualize small‐scale population structures.  

Although  not  the  primary  aim  of  this  thesis,  some  of  these  results may have implications for future conservation schemes. Evidence is mounting that loss of  native  vegetation  may  have  strong  repercussions  on  house  sparrow  body condition, both for nestlings as well as adults (Chapter 1).  Considerable attention should therefore be given to the protection of these small landscape elements if we aim  to stop or even  reverse  the current urban sparrow decline.  In addition, behavioral tracking data (Chapter 1) suggested that the focus should be on both increasing  the  volume  as  well  as  optimizing  the  spatial  configuration  of  key vegetation patches, e.g. reducing inter‐patch distances to the minimal. 

  

Page 178: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen
Page 179: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Samenvatting 

169 

Samenvatting 

Wereldwijd  zien  we  een  toename  van  de  mate  van  urbanisatie  of verstedelijking wat enkel maar het belang en potentieel van het urbane habitat als bron voor biodiversiteit onderstreept. Deze habitats herbergen bovendien nu reeds enkele bedreigde vogelsoorten en hebben bijgevolg de aandacht getrokken van ecologen en conservatiebiologen. Een van deze soorten, de huismus,  is van oudsher nauw  geassocieerd met de mens en het urbane milieu maar  vertoont sinds  een  aantal  decennia  een  opmerkelijke  daling  in  populatiegroottes  en aantallen. Onder  invloed van een steeds goeiende publieke  interesse hebben tal van  onderzoeksinstellingen  studies  opgestart  in  een  poging  de  onderliggende oorzaken van de achteruitgang van de huismus te verklaren. Echter, tot op heden is  geen  enkele  van  de  vooruitgeschoven  hypotheses  omtrent  de  achteruitgang van de huismus als onomstotelijk bewezen geacht. 

In deze doctoraatsscriptie bestudeer ik fenotypische en genetische variatie in  huismussenpopulaties  langsheen  een  urbane‐rurale  gradiënt  en  tracht  de hierover  nog  bestaande  lacunes  in  onze  huidige  kennis  op  te  vullen.  Hierbij integreer  ik  data  over  zowel  dagelijkse  bewegingspatronen,  morfologische stressindicatoren  als  neutrale  genetsiche  variatie.  Omgevings‐  en  genetische stress werden gekwantificeerd aan de hand van een combinatie van fluctuerende asymmetrie (FA) en ptilochronologie. Fluctuerende asymmetrie refereert naar de kleine  willekeurige  deviaties  tussen  beide  zijden  van  een  bilateraal  kenmerk (zowel tarsus‐ als staartpenlengte werden hiervoor aangewend) en weerspiegelt de  onderliggende mate  van  ontwikkelingsinstabiliteit.  Ptilochronologie  gebruikt de grootte van groeibanden, alternerende lichte en donkere banden loodrecht op de  schacht  van  een  veer,  als  proxy  voor  nutritionele  stress,  waarbij  kleinere groeibanden  representatief  staan  voor een  lagere nutritionele  conditie  van het individu. 

In  Hoofdstuk  1  integreer  ik  dagelijkse  verplaatsingsafstanden, ptilochronologie  en  landschapskarakteristieken.  Globaal  genomen  waren homeranges uitermate klein, waardoor deze soort mogelijk zeer gevoelig  is aan keinschalige landschapsveranderingen, al dan niet geïnduceerd door de mens. De omvang  van  homeranges  varieerde  langsheen  het  urbane‐rurale  continuum, waarbij  urbane  huismussen  gekarakteriseerd  werden  door  de  kleinste 

Page 180: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Samenvatting 

170 

homeranges.  Bovendien  was  enkel  in  het  urbane  habitat  de  grootte  van  een homerange  gerelateerd  aan  de  spatiale  distributie  van  vegetatie  (struiken  en hagen werden als meest belangrijke vegetatie voor huismussen geïdentificeerd). Urbane  huismussen  vertoonden  de  laagste  nutritionele  conditie  en  deze  was positief  geassocieerd  met  de  omvang  van  de  homerange,  m.a.w.  binnen  het urbane milieu bleken huismussen met de grootste homerange gekarakteriseerd te worden door de hoogste nutritionale conditie. Samenvattend, deze resultaten suggereren dat de omvang van urbane homeranges gelimiteerd werd door een sterke fragmentatie van beschikbare vegetatie wat uiteindelijk resulteerde in een verlaagde  nutritionele  conditie.  Verder  experimentaal  onderzoek  is  echter aangewezen. 

In  Hoofdstuk  2  onderzoek  ik  de  bruikbaarheid  van  FA  als  maat  voor omgevingsstress. Nutritionele stress (Hoofdstuk 1) was niet geassocieerd met de mate  van  asymmetrie,  noch  op  individueel  noch  op  populatieniveau.  Deze resultaten roepen op tot enige voorzichtigheid bij het gebruiken en interpreteren van FA als proxy voor omgevingsstress. 

In  Hoofdstuk  3  associeer  ik  FA  met  de  mate  van  genetisch  diversiteit (heterozygositeit).  Volgens  de  heterozygositeitshypothese  promoot  genetische diversiteit de homeostatische mechanismen die de ontwikkeling van een kenmerk tegen  willekeurige  perturbaties  bufferen  en  aldus  de  mate  van  asymmetrie minimaliseren. Onze resultaten ondersteunden deze hypothese en  toonden aan dat,  in  tegenstelling  tot  omgevingsstress  (Hoofdstuk  2),  genetische  stress geassocieerd was met  FA. Op  populatieniveau  verklaarde  heterozygositeit  34% van de  variatie  in  FA en meer opmerkelijk was dat deze  relatie  sterk gedreven werd door het effect van slechts één enkele locus, hoewel genoomwijde effecten niet onomstotelijk verworpen konden worden. Deze resultaten suggereren lokaal linkage  disequilibrium  of  genoomwijde  effecten  als  de  potentiele  moleculaire basis  van ontwikkelingsstabiliteit. Een gebrek aan  voldoende  statistische power verhinderden  analyses  op  individueel  niveau  voorafgaande  resultaten  te bevestigen. 

In  Hoofdstuk  4  onderzoek  ik  de  neutrale  genetische  variatie  van huismussenpopulaties  langsheen  een  urbane‐rurale  gradiënt.  Enkel  de  meest centraal  verstedelijkte  populatie  vertoonde  een  genetisch  signatuur  van  een plotse daling in populatiegrootte (cfr. ‘flessenhals’), hoewel het niet uitgesloten is dat dergelijke signaturen ook in andere (urbane) populaties aanwezig waren maar gemaskeerd werden door een influx van immigranten. Een principale coordinaten analyse vertoonde een matige scheiding tussen enerzijds de urbane en suburbane 

Page 181: Passer domesticus Passer domesticus - House Sparrowhousesparrow.eu/pdfs/english/gestelCvan_2011_Fenot... · scriptie en mij steeds gesteund hebben in mijn studiekeuzes. Ook mijn zussen

Samenvatting 

171  

populaties en anderzijds de rurale populaties. Analyses op basis van hierarchische Dest waardes wezen tenslotte op de aanwezigheid van een aanzienlijke mate van genetische drift binnen huismussenpopulaties. 

In  Hoofdstuk  5  gebruik  ik  een  individueel  gebaseerde  analyse  om kleinschalige  spatiale  verschillen  in  verwantschapsdistributies  te  identificeren. Urbane  regios werden  gekarakteriseerd  door  een  gemiddeld  genomen  hogere verwantschap  en  sterkere  populatiestructuur.  Spatiale  autocorrelogrammen ondersteunden  verder  deze  kleinschalige  populatiestructuur  en  suggereerden bovendien een hogere mate van genetische drift  in sterk verstedelijkte milieus. Deze  individueel  gebaseerde  analyses  onderstrepen  nogmaals  hun  belang  en toegevoegde waarde  aan meer  ‘traditionele’ populatie  gebaseerde  analyses bij het onderzoeken van kleinschalige genetische populatiestructuur. 

Hoewel niet het hoofddoel van deze doctoraatsscriptie kunnen  sommige resultaten  mogelijk  van  enig  belang  zijn  voor  conservatiebiologen.  Er  komen steeds meer aanwijzingen naar voren dat het verlies van inheemse vegetatie een cruciale rol speelt in de achteruitgang van de huismus door zijn sterke negatieve impact  op  de  lichaamsconditie  van  pulli  en  adulte  huismussen  (Hoofdstuk  1). Bijzonder  aandacht dient dan ook besteed  te worden  aan de bescherming  van deze  kleine  landschapselementen  indien  we  de  huidige  daling  in  het huismussenbestand willen  stoppen.  Homerange  data  (Hoofdstuk  1)  suggereert dat de focus niet enkel op het volume dient te liggen maar tevens op de spatiale configuratie van landschapselementen.