STRUCTURE AND DYNAMICS OF THE HYBRID ZONE BETWEEN BLACK-CAPPED CHICKADEE (POECILE ATRICAPILLUS) AND CAROLINA CHICKADEE (P. CAROLINENSIS) IN SOUTHEASTERN PENNSYLVANIA

Auk, The, Apr 2007 by Reudink, Matthew W, Mech, Stephen G, Mullen, Sean P, Curry, Robert L

ABSTRACT. -

Analysis of the structure and stability of a hybrid zone can serve as a starting point for examining mechanisms that influence spatial and evolutionary relationships between species. Recent studies of the hybrid zone between Black-capped Chickadee (Poecile atricapillus) and Carolina Chickadee (P. carolinensis) have suggested that genetic introgression is limited to a narrow zone, while also reinforcing the conclusion that the line of contact between these parapatrically distributed species is now shifting northward. We investigated the structure, position, and recent movement of the chickadee hybrid zone in southeastern Pennsylvania. Using selectively neutral microsatellite DNA markers, along with mitochondrial DNA haplotypes, we documented large differences in genetic composition among three populations ≤65 km apart where we sampled large numbers of breeding residents during 1998-2003. Genetic results indicate that the three sites support a population of Carolina Chickadees (Great Marsh), a population in which most individuals exhibit evidence of hybridization (Nolde Forest), and a population comprising mostly Black-capped Chickadees but with evidence of hybridization now taking place (Hawk Mountain). The patterns within the Nolde Forest population suggest that selection against hybrids may not be as strong as has been concluded from studies in other parts of the chickadee hybrid zone. Comparison of mitochondrial and nuclear genotypes between samples collected ~15 years apart suggest that the northern edge of the hybrid zone shifted by ~20 km over this interval, with hybridization now occurring as far north as the Kittatinny Ridge and beyond, where only Blackcapped Chickadee genotypes were previously detectable. Our data and historical accounts suggest that the hybrid zone, now ~50 km wide, may have become wider while also shifting northward. These results support the hypothesis that Carolina Chickadees enjoy a selective advantage during hybridization with Black-capped Chickadees, but both the proximate mechanisms and ultimate causes remain to be investigated.

Received 8 December 2004, accepted 5 April 2006.

Key words: chickadee, contact zone, hybrid, introgression, Poecile.

Structure et dynamique de la zone d'hybridation entre Poecile atricapillus et P. carolinensis dans le sud-est de la Pennsylvanie

RÉSUMÉ. - L'analyse de la structure et de la stabilité de la zone d'hybridation peut servir de point de départ pour examiner les mécanismes qui influencent les relations spatiales et évolutives entre les espèces. Des études récentes portant sur la zone d'hybridation entre la Mésange à tête noire (Poecile atricapilltis) et la Mésange de Caroline (P. carolinensis) suggèrent que l'introgression génétique est limitée à une zone étroite, tout en renforçant l'idée que la zone de contact entre ces deux espèces parapatriques est en train de se déplacer vers le nord. Nous avons examiné la structure, la position et les mouvements récents de la zone d'hybridation des mésanges dans le sud-est de la Pennsylvanie. À l'aide de marqueurs microsatellites neutres de l'ADN et d'haplotypes d'ADN mitochondrial, nous avons documenté de grandes différences au niveau de la composition génétique de trois populations situées à 65 km l'une de l'autre, pour lesquelles nous avons échantillonné de grands nombres d'individus reproducteurs résidents entre 1998 et 2003. Les résultats génétiques indiquent que les trois sites supportent respectivement une population de Mésanges de Caroline (Great Marsh), une population dont la plupart des individus montrent des signes d'hybridation (Nolde Forest) et une population composée surtout de Mésanges à tête noire présentant des signes d'hybridation (Hawk Mountain). Les tendances dans la population de Nolde Forest suggèrent que la sélection envers les hybrides n'est peut-être pas aussi forte que ce qui avait été conclu à partir des études réalisées dans d'autres parties de la zone d'hybridation des mésanges. La comparaison des génotypes mitochondriaux et nucléaires entre les échantillons récoltés à environ 15 ans d'intervalle suggère que la limite nord de la zone d'hybridation s'est déplacée d'environ 20 km pendant cet intervalle. Des hybridations se produisent maintenant jusqu'à Kittatinny Ridge et même plus au nord, où seulement les génotypes de Mésange à tête noire étaient autrefois détectés. Nos données et les comptes-rendus historiques suggèrent que la zone d'hybridation, maintenant large d'environ 50 km, peut avoir élargie tout en se déplaçant vers le nord. Ces résultats supportent l'hypothèse que les Mésanges de Caroline profitent d'un avantage sélectif lors de l'hybridation avec les Mésanges à tête noire mais les mécanismes proximaux et les causes ultimes demeurent peu connus.

HYBRIDIZATION IS COMMON in birds, occurring at least occasionally in >9% of species (Grant and Grant 1992). The causes and consequences of hybridization raise fundamental questions about avian evolution, particularly in regard to isolating mechanisms and species limits. Excellent opportunities exist for addressing these questions in hybrid zones, where otherwise allopatric species come into contact and interbreed (Barton and Hewitt 1985; Hewitt 1988, 1989; Harrison 1993). Among birds, hybrid zones may be broad or narrow, and they may be geographically stable or may shift in position over time (Grant and Grant 1992). The outcome for any particular pair of hybridizing species will depend on patterns of dispersal and selection, which will in turn be subject to extrinsic ecological influences, such as the presence of landscape ecotones, as well as "endogenous" mechanisms that affect the relative fitness of hybrids (e.g., Bronson et al. 2003a).