Combining otolith shape analysis and chemical composition for the delineation of stock structure in marine fishes

Abstract

Accurate knowledge on the organization of marine species along their geographical distribution is key for fisheries science, management and conservation policies. Over the last decades, several stock identification methodologies have been developed and improved to further unravel fish population structure and connectivity, considering that fish stocks are the basic units for fisheries management. From the wide range of artificial and natural markers available for stock identification, otolith-based approaches are among the most used methods. Their broad and successful application is related with both otolith shape and chemical composition which are influenced by environmental conditions of the surrounding habitat and life history traits of each species, allowing the identification of discrete population units along a species distribution range.The aim of this PhD thesis is to disentangle the population structure of three highly valued commercial marine fish species: blackbelly rosefish (Helicolenus dactylopterus), European hake (Merluccius merluccius) and common sole (Solea solea) along their geographical distribution range in the Northeast Atlantic Ocean and Mediterranean Sea. For this purpose, a combination of otolith-based methods, namely otolith shape and otolith chemistry, was used to investigate their applicability and efficiency as natural markers for the identification of fish populations, as well as their concordance and/or complementarity.The first approach was based on otolith shape analysis. This technique allowed distinguishing several discrete population units, but with distinct resolution for the three species. While all sampled populations demonstrated a high overlap within the Northeast Atlantic Ocean, the blackbelly rosefish showed a more structured stock organization when compared with the other species, most probably due to its more sedentary lifestyle. In the Mediterranean, a clear distinction between western and eastern areas was found for all species. Overall, the ability of this technique for stock discrimination in the selected species was supported. However, it was less effective in more circular otoliths, as those found in the common sole, when compared with more complex shaped blackbelly rosefish and European hake otoliths.The second approach was based on the analysis of the chemical composition of European hake otoliths. Analysing the chemical composition of the otolith core and edge allowed identifying different natal origins and assigning individuals back to their capture location, respectively. Core and edge chemical composition indicated that different spawning groups and adult stocks may be present. Results suggested that the stock organization of European hake in the Northeast Atlantic Ocean is more complex than the two stock units currently defined by the International Council for the Exploration of the Sea (ICES). Comparing the results obtained for European hake using otolith shape and chemical composition, a concordance between the two methods with regard to the identification of stock units in both the Northeast Atlantic Ocean and Mediterranean Sea was observed, although the chemical analyses provided a more detailed Atlantic stock organization.Overall, the present study contributes to the scientific evidence that otolith shape and chemical composition are effective stock identification methods in the fisheries scientists’ toolkit. Still, and considering that each method has its limitations in terms of spatial-temporal resolution, an integrative approach is recommended to provide a better understanding of fish stock structure. Ultimately, the results here presented are a stepping-stone in fisheries management and conservation by contributing to a better alignment of biological and management units for commercial fish species.

Conhecimento preciso sobre a organização das espécies marinhas ao longo da sua distribuição geográfica é essencial para a ciência, gestão e políticas de conservação pesqueira. Várias metodologias de identificação de stocks têm vindo a ser criadas e aperfeiçoadas ao longo das últimas décadas, com o intuito de desvendar com maior clareza a estrutura populacional e conectividade dos peixes, tendo em conta que os stocks pesqueiros são a unidade base para a gestão de pescas. De entre uma grande variedade de marcadores artificiais e naturais, os otólitos são umas das abordagens mais utilizadas. O sucesso da sua utilização prende-se com o facto de a sua forma e composição química serem influenciadas pelas condições ambientais do habitat envolvente e pelas características de vida de cada espécie, permitindo identificar unidades populacionais ao longo da sua distribuição espacial. O objetivo da presente tese de doutoramento é desvendar a estrutura populacional de três espécies de peixes marinhos de elevado valor comercial: o cantarilho-legítimo (Helicolenus dactylpterus), pescada-branca (Merluccius merluccius) e linguado-legítimo (Solea solea), ao longo da sua distribuição geográfica no Nordeste do Oceano Atlântico e Mar Mediterrâneo. Para tal, foi utilizada uma combinação de dois diferentes métodos baseados em otólitos, nomeadamente a forma e a sua composição química, de modo a investigar a sua aplicabilidade e eficácia como marcadores naturais em estudos de identificação de diferentes populações, bem como a sua concordância e/ou complementaridade. Primeiramente, foi realizada a análise da forma dos otólitos. Esta técnica permitiu identificar diferentes unidades populacionais, com diferente resolução entre as três espécies em estudo. Embora tenha sido encontrada uma elevada sobreposição nas populações do Oceano Atlântico Nordeste, o cantaril-legítimo apresentou uma organização mais estruturada quando comparado com as restantes espécies, provavelmente devido ao seu estilo de vida mais sedentário. No caso do Mar Mediterrâneo, foi encontrada uma clara diferenciação entre o leste e oeste para todas as espécies. No final, a capacidade discriminativa desta técnica para identificação de stocks foi comprovada para as espécies em causa. No entanto, esta técnica, demonstrou ser menos eficaz em otólitos com contornos mais redondos como os do linguado-legítimo, quando comparado com as formas mais complexas dos otólitos de cantarilho-legítimo e pescada-branca.A segunda abordagem teve como base a composição química dos otólitos de pescada-branca. Análises da composição química do núcleo e da margem do otólito permitiram a identificação de diferentes locais de origem e a correta atribuição dos indivíduos ao seu local de captura, respetivamente. Foram encontradas algumas discrepâncias entre as análises do núcleo e da margem do otólito, levando à conclusão de que diferentes grupos de desova e de adultos poderão estar presentes. Os resultados obtidos sugerem que a organização populacional desta espécie seja mais complexa do que a atualmente definida pelo Conselho Internacional para a Exploração do Mar (CIEM) para o Oceano Atlântico Nordeste. A comparação dos resultados obtidos para a pescada-branca através da forma e química de otólitos sugerem concordância entre as duas técnicas no que diz respeito à identificação de unidades de stock, tanto no Atlântico Nordeste como no Mediterrâneo. No entanto, a composição química forneceu informação mais detalhada sobre a sua organização no Oceano Atlântico Nordeste.Em geral, o presente estudo contribui para a evidência científica de que a forma e a composição química dos otólitos são métodos eficazes de identificação de diferentes unidades populacionais dentro do vasto leque de ferramentas disponíveis em ciências pesqueiras. Ainda assim, e tendo em conta que cada método apresenta as suas limitações em termos de resolução espácio-temporal, é recomendada uma abordagem integrativa de forma a alcançar um melhor entendimento da estrutura de stocks pesqueiros. No final, os resultados apresentados são um progresso na gestão e conservação das pescas, contribuindo para um melhor alinhamento entre as unidades biológicas e a gestão das espécies comerciais.