Ochranářská genetika vydry říční

Mgr. Petra Hájková, Ph.D.

Doctoral thesis

Conservation genetika of the Eurasian otter

Abstract:

The Eurasian otter (Lutra lutra) is a large vertebrate species for which there is concern in conservation biology and genetics. Over the past century the species underwent significant declines, resulting in extinction or fragmentation of most European populations. Furthermore, otters are elusive animals making it difficult to measure their abundance and population structure, although such parameters are crucial in conservation biology and management. However, in recent years genetic techniques have become available which permit estimation of population parameters. Using non-invasively obtained samples, such as faeces, disturbance to animals is minimised. We used non-invasive genetic sampling (NGS) to identify individuals and assess otter population size in two different habitats. Further, we studied the genetic structure and demographic history of otter populations in the Czech and Slovak Republics using DNA extracted from both tissue and faecal samples. In a pilot study the NGS methodology was tested and optimised for the use of spraints (otter faeces). Amplification success rate of microsatellite DNA extracted from spraints was strongly affected by the type of sample, with higher success rates in anal jelly samples than faeces; and by the temperature, with a negative effect of increased temperature at the time of sample collection in the field. To increase the effectiveness of spraint genotyping we recommend collecting of very fresh samples in cold months and early in the morning, preferably in a frozen state; and the collection of anal jelly samples, or the jelly part from faeces, whenever possible. Subsequently, non-invasive genetic sampling was used to estimate otter population size in two different habitats, and results compared with the most frequently used field method, a survey based on snow tracking. A total of 448 spraint samples were analysed using 10 microsatellite loci and SRY marker for sex identification. In a 100 km2 oligotrophic otter habitat with linear water bodies, both methods yielded similar estimates (10-12 individuals). However, in a 100 km2 fishpond area, consisting of a complex network of rivers, fishponds, channels and marshes, genotyping of spraints revealed the presence of a higher number of individuals (46-50 genotypes) than the snow survey (38 individuals). Capture-mark-recapture (CMR) based estimates using the Capwire software were even higher, being twice the number assessed through snow tracking (76-81 individuals). Our results suggest the performance of both NGS and snow tracking are comparable in simple linear habitats but, in complex habitats with a high otter density, a combination of genetic and field methods, or CMR analysis using genetic data, is recommended. We emphasise the importance of strict protocols for detection and elimination of genotyping errors and suggest improvements that may increase the success rate and efficiency of NGS in otters. The last part of the thesis is a study of the population genetic structure of otters in the Czech and Slovak Republics. A relatively high level of genetic differentiation was found between the Czech and Slovak populations (FST = 0.154, P = 0.0002), supported by a perfect assignment in Bayesian cluster analysis. Both the Czech and Slovak populations showed significant heterozygosity excess (assuming an infinite allele model) indicating recent population bottlenecks. A recent population decline was also suggested by coalescent analysis, inferring a drop to ca. 25% of past effective population size in both populations. The timing of the decline was in accordance with published data from otter surveys, suggesting that the strongest decline probably occurred between the 1970s and the mid-90s. Although the populations started to recover in the last decade, their effective population size is still very low in consequence of recent bottleneck. The results of this study confirm that otter populations remain vulnerable to rapid demographic change and,

Abstract:

despite the claims of fish-farmers and anglers for legal culls, it remains highly desirable that they stay a strongly protected species in both countries. The expansion and re-connection of otter populations observed recently is essential for the future health of populations, and should be facilitated through habitat conservation.

Abstract:

Vydra riečna (Lutra lutra) patrí medzi druhy veľkých stavovcov, ktoré sú v centre záujmu ochranárskej biológie a genetiky. V priebehu minulého storočia vo väčšine európskych krajín došlo k výraznému poklesu početnosti a k následnej fragmentácii populácií. Navyše vydry žijú skrytým spôsobom života a zistenie ich početnosti a populačnej štruktúry je preto značne problematické, hoci tieto informácie sú veľmi dôležité pre ich úspešnú ochranu a manažment. V posledných rokoch sa však stali dostupnými genetické metódy, ktoré umožňujú skúmať aj populačné parametre. Pri analýzach neinvazívne získaného materiálu, napríklad trusu, je navyše minimalizované vyrušovanie skúmaného živočícha. Neinvazívnu genetickú metódu (non-invasive genetic sampling, NGS) sme použili pre identifikáciu jedincov a stanovenie početnosti populácie vydry v dvoch rôznych biotopoch. Ďalej sme na základe analýz DNA získanej z tkanív uhynutých vydier a trusu voľne žijúcich jedincov skúmali genetickú štruktúru a demografickú históriu populácií v Českej a Slovenskej republike. V rámci pilotnej štúdie sme testovali a optimalizovali NGS pre trus vydry riečnej. Úspešnosť amplifikácie DNA izolovanej z trusu bola ovplyvnená najmä typom vzorky ­ výrazne vyššia úspešnosť u výlučkov análnych žliaz v porovnaní s trusom; a teplotou v čase zberu vzorky negatívny vplyv rastúcej teploty. Pre zvýšenie efektívnosti analýz je vhodný zber veľmi čerstvých vzoriek v chladných mesiacoch, pokiaľ možno v skorých ranných hodinách a najlepšie zmrznutých vzoriek. Z dôvodu vyššej úspešnosti je vhodné zbierať prednostne výlučky análnych žliaz a v prípade trusu jeho mukóznu časť. Neinvazívnu genetickú metódu sme použili pre odhad početnosti populácie vydry v dvoch rôznych biotopoch; a následne ju porovnávali s najčastejšie používanou terénnou metódou, stopovaním na čerstvom snehu. Spolu bolo analyzovaných 448 vzoriek trusu na 10 mikrosatelitových lokusoch a marker SRY pre identifikáciu pohlavia. Na území s rozlohou 100 km2 v horskej/podhorskej oblasti s lineárnymi vodnými tokmi boli pomocou oboch metód získané veľmi podobné výsledky (10-12 jedincov). Na území s rovnakou veľkosťou, ale nachádzajúcom sa v centre rybnikárskej oblasti, s komplexným systémom riek, rybníkov, kanálov a mokrín, bola pomocou NGS zistená prítomnosť vyššieho počtu jedincov (45-50 genotypov) ako pri stopovaní na čerstvom snehu (38 jedincov). Pomocou programu Capwire, ktorý pracuje s NGS dátami na ,,capture-mark-recapture" (CMR) princípe, bola početnosť odhadnutá až na 76-81 jedincov, teda dvojnásobok počtu zisteného stopovaním. Naše výsledky ukázali, že v prípade jednoduchých lineárnych biotopov NGS a stopovanie na snehu poskytujú podobné odhady početnosti, ale v komplexnejších biotopoch s vysokou denzitou populácie je vhodnejšia kombinácia oboch metód alebo CMR analýzy genetických dát. Pre získanie spoľahlivých dát pomocou NGS je nutné dôsledne dodržiavať protokoly pre detekciu a elimináciu genotypizačných chýb. Poslednú časť dizertačnej práce tvorí štúdia populačno-genetickej štruktúry vydier v Českej a Slovenskej republike. Medzi českou a slovenskou populáciou bola zistená relatívne vysoká diferenciácia (FST = 0,154; P = 0,0002), potvrdzujúca existenciu bariéry toku génov. V oboch populáciách bol zistený signifikantný nadbytok heterozygotnosti (vzhľadom k počtu alel), čo indikuje recentný populačný bottleneck. Recentný pokles početnosti bol zistený aj koalescenčnou analýzou, pričom pokles bol odhadnutý na približne 25 % pôvodnej efektívnej veľkosti populácie v oboch krajinách. Tieto výsledky sú v súlade s publikovanými údajmi o výskyte a odhadovanej početnosti vydier na území ČR a SR v priebehu 20. storočia, pričom k najvý

Abstract:

raznejšiemu poklesu došlo pravdepodobne v rozmedzí rokov 1970-1995. Až v poslednom desaťročí začala početnosť vydry opäť narastať a jej areál sa zväčšovať. Z dôvodu nízkej efektívnej veľkosti, vyplývajúcej z demografickej histórie, sú však obe populácie naďalej citlivé na výraznejšie demografické zmeny; preto je nutné zachovať status chráneného druhu. Súčasné šírenie a prepájanie populácií je významné z hľadiska životaschopnosti populácie a malo by byť podporované vhodnou ochranou biotopov.

Keywords

vydra říční, Lutra lutra, ochranářská genetika, neinvazivní genetické metody, mikrosatelity, populačně genetická struktura, Eurasian otter, conservation genetics, noninvasive genetic sampling, microsatellites, population genetic structure

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 8. 2008

Thesis defence

• Date of defence: 29. 9. 2008
• Supervisor: Ing. Pavel Jurajda, Ph.D.
• Reader: Mgr. Pavel Munclinger, Ph.D., Ing. Peter Urban, Ph.D., doc. RNDr. František Sedláček, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Zoology