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청개구리의 보호구역을 어떻게 지정할 것인가?

우리 연구실에서 함께 동물 보전을 위해 연구하고 있는 Andersen 박사님 그리고 장이권 교수님새로운 논문을 출판하였습니다.

멸종 위기 종의 제한적인 서식지는 서식지 단편화 및 손실로 인하여 유전적 병목 현상과 환경에 대한 작은 변화를 증폭시킬 위험이 있습니다. 개체군 생존율 분석(Population viability analyses, PVAs)을 포한 생태학적 분석은 연구 종에 대하여 비침습적 또는 유해하지 않은 방법으로 개체군의 궤적을 예측할 수 있습니다. 따라서 연구 종들은 보전을 위하여 개체군을 모델링 하는데 필수적인 요소가 될 수 있습니다. 서식지 적합성 모델은 보호 구역을 지정을 제안하기 위하여 사용되었지만, 개체군 생존율 분석(Population viability analyses, PVAs)은 이 점에 대해 일반적으로 사용되지 않습니다.

한국에서의 수원청개구리(Dryophytes suweonensis)와 노랑배청개구리(D. flaviventris)에 적합한 서식지. 도시 지역과 도로가 겹쳐져 서식지가 불투명하게 나타나는 지도를 보여줍니다.

수원청개구리(Dryophytes suweonensis)와 노랑배청개구리(Dryophytes flaviventris)는 한국의 고유종이자 멸종 위기 종 입니다. 수원청개구리(D. suweonensis)와 노랑배청개구리(D. flaviventris)가 멸종 위기 처한 것은 서식지 파괴와 단편화 그리고 외래종 외 다른 포식자들에게 포식 당하기 때문입니다. 우리는 생태적 지위와 연결성 그리고 Vortex에 PVAs를 결합한 통합 모델링 접근법을 사용하여 보호 구역 지정에 대한 기준 시나리오에서 각 종의 멸종 가능성을 판단하였습니다.

한국의 수원청개구리(Dryophytes suweonensis)와 노랑배청개구리(Dryophytes flaviventris) 개체군 크기의 하위 개체군 서식지. 연결된 서식지 간의 최단 거리 경로와 먼저 연결성을 가질 수 있는 곳을 보여줍니다. 현재 조건에서 Vortex 시뮬레이션의 평균 멸종 예상 기간 (연도)은 하위 개체군에 표시됩니다. 그림 내에 있는 차트는 기준 시나리오에서 각 종에 대한 연도별 생존율을 나타냅니다. 

지정된 시나리오에서는 미래의 운반 능력 감소 중지(보호 지역 상태를 통하여 향후 서식지 파괴 중지), 자연 재해의 영향 감소(가뭄의 영향 완화) 및 사망률 감소(외래종 포식자의 개체수 통제와 올챙이를 성체까지 사육)을 통해 Vortex에서 시뮬레이션 되었습니다. 이러한 보전 관리의 통합성을 현재 실천되고 있는 ‘무 보전’이 아닌 ‘적극적인 보전 활동’으로 분류하였습니다. 또한 단계적 접근 방식을 사용하여 각 지역의 보전 우선 순위를 판단했습니다. 현재 조건(무 보전)에서 100년 후 결과적으로 유효한 메타 모집단은86.5%의 멸종율을 갖는 수원청개구리(Dryophytes suweonensis) 167 ± 325 개체 및 90.3%의 멸종율을 갖는 노랑배청개구리(Dryophytes flaviventris) 165 ± 200 개체였습니다. 전 지역(93개의 서식지, 426.9 km2)을 적극적으로 보전 및 관리를 한 결과 두 종의 메타 모집단 크기가 크게 증가한 멸종율은 0% 수원청개구리(D. suweonensis) 15,910 ± 2,855 노랑배청개구리(D. flaviventris) 4,400 ± 874로 나타났습니다.

단계적으로 지정된 시나리오를 위한 표준편차 포함한 수원청개구리(Dryophytes suweonensis)의 100년 후 메타 모집단을 나타냅니다.
단계적으로 지정된 시나리오를 위한 표준편차 포함한 노랑배청개구리(Dryophytes flaviventris)의 100년 후 메타 모집단을 나타냅니다.

우선 지정 순위를 결정하면 정부 기관에 보호해야 서식지 지정과 능동적 또는 수동적 관리를 적용해야 하는지 여부를 판단할 수 있을 것입니다. 어떠한 노력도 하지 않으면 수원청개구리(Dryophytes suweonensis)와, 노랑배청개구리(Dryophytes flaviventris)는 멸종될 것 입니다. 정부가 직접 위와 같은 내용을 적용하여 관리하는 보전은 유용할 뿐만 아니라 우선 순위로 보호 지역을 지정하는 방법론으로 우리의 연구는 향후의 연구로 이어질 수 있을 것 입니다.

한국의 수원청개구리(Dryophytes suweonensis)와 노랑배청개구리(Dryophytes flaviventris) 서식지 지정 우선 순위를 나타냅니다.

Andersen D., Jang Y. & Borzée A. (2022). Influence of landscape and connectivity on anuran conservation: population viability analyses to designate protected areas. Animal Conservation, published online. DOI: 10.1111/acv.12829

How do you designate protected areas for treefrogs?

New lab paper published in Animal Conservation in collaboration with Dr. Andersen and Prof. Jang!

Threatened species with restricted ranges are at risk from habitat fragmentation and loss, which amplifies genetic bottleneck and impacts of small changes to their environments. Ecological models including population viability analyses (PVAs) can predict the trajectory of populations in a way that is not invasive or detrimental to the study species. They can therefore be a vital tool in modelling populations for conservation purposes. Although habitat suitability models have been used in studies to suggest areas for protected area designation, PVAs are generally not used in this regard.

Habitat suitability map for Dryophytes suweonensis and D. flaviventris in the Republic of Korea. Urban areas and transportation are overlaid to show impermeable landscape.

Dryophytes suweonensis and Dryophytes flaviventris are two threatened treefrog species endemic to the Korean Peninsula. The two species face threats of habitat loss and degradation and predation by invasive species among others. We used an integrated modelling approach combining ecological niche, connectivity, and PVAs in Vortex to determine the likelihood of extinction of each species under baseline and protected area designation scenarios.

Subpopulation patches with population sizes for Dryophytes suweonensis and D. flaviventris in the Republic Korea. Least cost paths between connected patches are shown with linkage priority. Average years to extinction (SD) from Vortex simulations under current conditions are indicated for subpopulations. Inset chart shows the probability of survival by year for each species under the baseline scenario.

Designation scenarios were simulated in Vortex through halting future reduction in carrying capacity (halting future degradation to sites through protected area status), reducing effects of catastrophes (mitigating the effects of drought) and reducing mortality rates (controlling invasive predator populations and ex situ raising of tadpoles to maturity). We classified the combination of these management efforts as “active management” as opposed to “no management” which is currently being practiced. We additionally used a stepwise approach to determine designation priority of individual patches. Under current conditions (no management), the resulting effective metapopulations after 100 years were 167 ± 325 individuals with an 86.5% extinction probability for D. suweonensis and 165 ± 200 individuals with a 90.3% extinction probability for D. flaviventris. Under active management of all sites (93 sites covering 426.9 km2), the extinction probability was 0% for both species with significantly increased metapopulation sizes, 15,910 ± 2,855 for D. suweonensis and 4,400 ± 874 for D. flaviventris.

Average metapopulation after 100 years for Dryophytes suweonensis with standard deviation for stepwise designation scenario simulations.
Average metapopulation after 100 years for Dryophytes flaviventris with standard deviation for stepwise designation scenario simulations.

Determining designation priority can inform the regulatory bodies on which habitat to designate and whether active or passive management should be applied. Without intervention, these species will be likely to face imminent extinction. In addition to being useful for government-imposed conservation management, our study can be followed by future studies as a methodology for prioritizing sites for protected area designation.

Designation priority of habitat patches for Dryophytes suweonensis and D. flaviventris in the Republic of Korea. Priority was determined through stepwise removal of designation for individual sites.

Andersen D., Jang Y. & Borzée A. (2022). Influence of landscape and connectivity on anuran conservation: population viability analyses to designate protected areas. Animal Conservation, published online. DOI: 10.1111/acv.12829

论谱系地理和景观对花背蟾蜍Strauchbufo raddei释放叫声结构的影响

一项新的横跨东北亚的合作研究!在演化史和释放叫声的结构之间没有强相关性,释放叫声必须保守,如此才能作为有效的性识别和反捕食警报。与此前的发现相反,这里我们使用了广泛分布在东亚的花背蟾蜍Strauchbufo raddei作为研究模型,提供了景观屏障和过去冰川作用对谱系地理格局和释放叫声变异影响的证据。

这里,我们使用了化石校正的松散分子钟来估计分化的时间格局,并重建整个东亚的S. raddei线粒体谱系地理(图1)。此外,我们还推断了末次冰期蒙古-俄罗斯分支(N 类群=147)的种群动态,并比较了亨廷山山脉两侧、外贝加尔地区和阿穆尔河流域分支释放叫声的地理变化因素。分子钟显示,两个谱系之间存在基本分裂:东北和南部起源于S. raddei约15.00至9.00 个百万年前。祖先范围估测阐明了,南部谱系,通过散布作用,起源于大约6.80个百万年前,并支持了南部范围向中亚草原扩展,北部范围向今天的外贝加尔地区扩展,约2.60 个百万年前(图1)。

图1.根据893 bp 的CR片段推断的Strauchbufo raddei(N=288)的分化时间估算校准树。分支的颜色和范围的起源也采用类似的颜色编码。每个分支(N=6)的特定景观嵌入在时间树的相应节点旁边。

我们的研究结果还支持,隔离的西北亨廷分支和广泛分布在黑龙江流域的东部亨廷分支之间的释放叫声的显著差异(图2)。很可能,释放叫声的变化归因于北部分支中的一个近期的种群扩张,适用了冰川后北部避难所的模式,该模式仅限于亨廷山脉的西边缘,南部谱系的外贝加尔地区(图2)。因此,我们阐明了花背蟾蜍的释放叫声反映了分支内的谱系地理结构。

图2:Strauchbufo raddei的两个不同分支的波形图、时间树和释放叫声特征。柱状图显示了两个谱系的叫声之间的地理差异:分别位于蒙古和俄罗斯的东北分支(橙色)和南部起源分支(蓝色)。地图上的颜色与柱状图的颜色相匹配。波形图中描述了两个分支之间显著不同的释放叫声特征(叫声持续时间、上升阶段和下降阶段)。

Othman S. N., Choe M., Chuang M.-F., Purevdorj Z., Maslova I., Schepina N., Jang Y. & Borzée A. (2022). Across the Gobi Desert, impact of landscape features on the biogeography and phylogeographically-structured release calls of the Mongolian Toad Strauchbufo raddei in East Asia. Evolutionary Ecology. In press. DOI: 10.1007/s10682-022-10206-4

Impact of phylogeography and landscapes on the structure of release calls in the Mongolian toads, Strauchbufo raddei

New collaborative study from across northeast Asia! Also explained on YouTube! There is no strong relation between evolutionary history and the structures of release calls as release calls must be conserved to be effective as sex recognition and anti-predator alarms. Contrary to earlier findings, here we provide evidence on the effect of landscape barrier and past glaciations on the patterns of phylogeography and release call variability, using the widespread Mongolian toad Strauchbufo raddei distributed across East Asia as study model.

Here, we enforced a fossil-calibrated relaxed clock to estimate the temporal pattern of divergence and to reconstruct the mitochondrial phylogeography of S. raddei across East Asia (Figure 1). Additionally, we inferred the population dynamic of the Mongolian-Russian clades (N taxa = 147) over the last glacial periods, and we compared the geographic variations in the release calls for the clades occurring in either side of the Hentiyn mountains range, the Transbaikal area and the Amur River basin. Molecular dating suggested a basal split between two lineages: the northeastern- and southern-originated of S. raddei c. 15.00 to 9.00 Mya. Ancestral range estimation elucidated the emergence of southern-originated lineage c. 6.80 Mya by dispersals, and supported a southern range expansion towards the central Asian steppes and a northern expansion towards present-day Transbaikal area c. 2.60 Mya (Figure 1).

Figure 1. Calibrated tree with estimated divergence for Strauchbufo raddei (N = 288) inferred from 893 bp of the CR fragment. The colour for the clades and the origins of ranges are similarly colour coded. The specific landscape for each clade (N = 6) is embedded next to the corresponding node of the timetree.

Our findings also supported significant differences in the release calls between the isolated north-western Hentiyn clade and the eastern Hentiyn clade distributed widely across the Amur River Basin (Figure 2). Likely, the variation in the release calls attributes to the recent population expansion for one of the northern clades supported the pattern of post-glacial northern refugia restricted to the west margin of Hentiyn Mountains, and Transbaikal area for the southern lineage (Figure 2). Therefore, we clarified that release calls of the Mongolian toad reflect the phylogeographic structures within the clades.

Figure 2: Oscillogram, tree time and release call characteristics of Strauchbufo raddei from two divergent clades. The bar chart shows the geographic variations between the calls of the two lineages: the northeastern clade (orange) and the southern originated clade (blue) in Mongolia and Russia. The colours on the map match with the colours of the bar charts. The release call characteristics that significantly differed between the two clades (call duration, rise time and fall time) are described in the oscillogram.

Othman S. N., Choe M., Chuang M.-F., Purevdorj Z., Maslova I., Schepina N., Jang Y. & Borzée A. (2022). Across the Gobi Desert, impact of landscape features on the biogeography and phylogeographically-structured release calls of the Mongolian Toad Strauchbufo raddei in East Asia. Evolutionary Ecology. In press. DOI: 10.1007/s10682-022-10206-4

从野外到我们的餐桌:运用多种手段解译东北亚林蛙贸易的隐蔽性

实验室新发表的关于东北亚林蛙(Rana sp.)贸易的论文,论文阐明了隐种的划定,以及用于物种识别的形态学方法,以避免对鉴定有误的个体开展交易。

两栖动物的国际贸易增加了全世界和东北亚的物种入侵风险。为了解该地区的两栖动物贸易状况,我们首先开发了物种精准鉴定方法及工作流程,以指导大规模的物种鉴别,分析物种贸易路径;进而,利用进口到韩国的隐种林蛙检测我们的工作流程有效性。

在校准的时间树上确定OTUs的比较物种划界和匹配的比较形态计量学。

该工作流程结合了形态计量学、系统发育特征、物种鉴定模型和系统地理学,从进口到韩国的171个标本中成功鉴定出三种非本地物种:中国林蛙、黑龙江林蛙和高原林蛙。

使用机器学习法和贝叶斯因子定界法评估四种常用的物种鉴定、分类模型(BLAST、ABGD、sGMYC和bPTP),并从171个个体中分离出12个分类单元(OTU)。然后,我们将来自12个OTU的信息进行组合,建立16S系统发育树,包括交易标本和对照标本(n=230)。

中新世以来东北亚部分选定林蛙趾蹼的表型演化。

基于模型的OTUs和系统发育揭示了贸易的林蛙个体可能广泛来源于野生环境,它们养殖场循环,然后融入合法贸易。除了遗传因素外,我们的形态计量学结果还表明,韩国特有物种,特别是桓仁林蛙和贸易中涉及的林蛙之间具有极高的表型隐蔽性。

然而,性状进化结果也点明了过去12.0 Mya中,林蛙趾蹼的独立进化模式,这很可能是整个东北亚林蛙物种鉴别的一个非常有用的关键特征。基于本文开发的大规模物种鉴别工作流程,我们建议东北亚地区制定林蛙物种贸易监测机制,并制定相关法律。

Othman S. N., Shin Y., Kim H.-T., Chuang M.-F., Bae Y., Hoti J., Zhang Y., Jang Y. & Borzée A. (2022).Evaluating the efficiency of popular species identification analytical methods, and integrative workflow using morphometry and barcoding bioinformatics for taxonomy and origin of traded cryptic brown frogs.Global Ecology and Conservation. 38:e02253. DOI: 10.1016/j.gecco.2022.e02253