An integrative approach to the conservation of the endangered Apennine yellow-bellied toad in southern Italy
Author(s)
Martino, Giuseppe
Date Issued
July 5, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Biodiversity is facing with the sixth mass extinction, and it is widely acknowledged that amphibians are among the most endangered groups of animals. Traditionally, conservation policies have been addressed to the preservation of endangered habitat or to the protection of species diversity. Yet, conservation exercises have rarely accounted for the differential contribution of single populations to the species conservation.
In fact, populations with higher levels of genetic diversity are less likely to be affected by the detrimental consequences of habitat reduction/fragmentation and population decline, like inbreeding depression and genetic drift. Thus, the identification of the populations with higher levels of genetic diversity should represent a conservation priority, as it might provide species with better chances to survive in the face of extinction threats.
Another aspect that has been to date little or not considered in conservation policies is the contribution of phenotypic diversity and plasticity to the conservation of populations. The role of plasticity in phenotypic adaptation to rapid environmental changes has been recently attentioned by evolutionary and ecological research. In fact, the process of adaptation to novel environmental conditions can also occur via the expression of phenotypic plasticity, i.e. the ability of one genotype to express varying phenotypes when exposed to different environmental conditions. Therefore, the identification of inter-individual variation within populations in suites of phenotypic traits of adaptive value, like performance traits, stress tolerance, anti-predatory behaviour can play a role in identifying populations for successful conservation programs. Yet, integrative approaches accounting for both genetic and phenotypic diversity in a conservation framework are scarce, if not missing at all.
The Apennine yellow-bellied toad Bombina pachypus (Bonaparte, 1838) is an appropriate biological system to test integrative approaches in a conservation framework. B. pachypus is an
endemic species for the Italian peninsula showing strong population decline through the most of its range. The causes of decline have been identified in a series of contributing factors including climate change, habitat loss, and chytridiomycosis outbreaks, caused by the Chytrid fungus Batrachochytrium dendrobatidis. Interestingly, the population decline is apparently not affecting the populations inhabiting the southernmost portion of its range, i.e. the Aspromonte region. The Aspromonte region is a mountain region which acted as Pleistocene glacial refugium for temperate species and has been identified as hotspot of intraspecific genetic diversity for many species, including B. pachypus. Preliminary investigations linked the high level of genetic diversity of B. pachypus populations from this area with a higher resistance to the chytridiomycosis outbreak. However, a comprehensive framework accounting for environmental/climatic factors and the genetic and phenotypic features of B. pachypus populations is still missing.
The aim of this research is to investigate the characteristics and the conservation status of the B. pachypus populations from the Aspromonte region, in order to understand factors and processes explaining the resistance of this population to the decline. To achieve this goal we developed an integrative approach accounting for environmental/climatic factors and both genetic and phenotypic features of B. pachypus populations. In particular, this research aimed to answer the following questions:
1. What is the current distribution and conservation status of B. pachypus populations within the Aspromonte region?
2. What is the occurrence pattern of the pathogen B. dendrobatidis among B. pachypus populations?
3. What is the fine-scale geographic structure of genetic variation of B. pachypus populations in this area, acknowledged as its genetic diversity hotspot?
4. Is there inter-individual variation in adaptive phenotypic traits?
This study was developed in three distinct, but intimately linked, experimental phases. The first phase of the study consisted in characterizing the geographic structure of genetic variation of B. pachypus populations from the Calabrian mountain system, in order to define the boundaries of the Aspromonte population. Thanks to the results from this study we were also able to define the proper genetic diversty hotspot of B. pachypus in the Aspromonte region. In the second phase of the study, I performed an intensive field survey to map the fine scale distribution of B. pachypus, in order to define the effective conservation status of this species within its hotspot of biodiversity. Finally, the third phase, was dedicated to the study of the interindividual variation in a phenotypic trait of high adaptive value: the anti-predatory deimatic behaviour named unken-reflex, which consists in
suddenly showing aposematic ventral coloration after the predator attack is perceived. Results from these studies are thus discussed in the frames of conservation and ecological research.
La biodiversità sta affrontando la sesta estinzione di massa ed è ampiamente riconosciuto che
gli anfibi sono tra i gruppi di animali più a rischio. Tradizionalmente, le politiche di conservazione
sono state indirizzate alla conservazione degli habitat in via di estinzione o alla protezione della
diversità delle specie. Tuttavia, gli sforzi di conservazione hanno raramente tenuto conto del
contributo differenziale delle singole popolazioni alla conservazione delle specie.
Infatti, le popolazioni con livelli più elevati di diversità genetica hanno meno probabilità di
essere influenzate dalle conseguenze dannose della riduzione/frammentazione dell'habitat e del
declino della popolazione, come la depressione da consanguineità e la deriva genetica. Pertanto,
l'identificazione delle popolazioni con livelli più elevati di diversità genetica dovrebbe rappresentare
una priorità di conservazione, in quanto potrebbe fornire alle specie migliori possibilità di
sopravvivere di fronte alle minacce di estinzione.
Un altro aspetto che è stato finora poco o non considerato nelle politiche di conservazione è il
contributo della diversità fenotipica e della plasticità alla conservazione delle popolazioni. Il ruolo
della plasticità nell'adattamento fenotipico ai rapidi cambiamenti ambientali è stato recentemente
oggetto di attenzione da parte della ricerca evoluzionistica ed ecologica. Infatti, il processo di
adattamento a nuove condizioni ambientali può avvenire anche attraverso l'espressione della plasticità
fenotipica, ovvero la capacità di un genotipo di esprimere fenotipi variabili quando esposto a diverse
condizioni ambientali. Pertanto, l'identificazione della variazione interindividuale all'interno delle
popolazioni in suite di tratti fenotipici di valore adattivo, come tratti prestazionali, tolleranza allo
stress, comportamento anti-predatorio può svolgere un ruolo nell'identificazione delle popolazioni
per programmi di conservazione di successo. Tuttavia, gli approcci integrativi che tengono conto
della diversità genetica e fenotipica in un quadro di conservazione sono scarsi, se non del tutto assenti.
L'Ululone dal ventre giallo appenninico Bombina pachypus (Bonaparte, 1838) è un sistema
biologico appropriato per testare approcci integrativi in un quadro di conservazione. B. pachypus è
una specie endemica della penisola italiana che mostra un forte calo demografico in gran parte del
suo areale. Le cause del declino sono state identificate in una serie di fattori che contribuiscono, tra
cui il cambiamento climatico, la perdita di habitat e le epidemie di chitridiomicosi, causate dal fungo
Chitridio Batrachochytrium dendrobatidis. È interessante notare che il calo demografico non sembra
interessare le popolazioni che abitano la porzione più meridionale del suo areale, ovvero la regione
dell'Aspromonte. La regione dell'Aspromonte è una regione montuosa che fungeva da rifugio glaciale
del Pleistocene per le specie temperate ed è stata identificata come punto caldo della diversità genetica
intraspecifica per molte specie, tra cui B. pachypus. Indagini preliminari hanno collegato l'alto livello
di diversità genetica delle popolazioni di B. pachypus di quest'area con una maggiore resistenza
all'epidemia di chitridiomicosi. Tuttavia, manca ancora un quadro completo che tenga conto dei
fattori ambientali/climatici e delle caratteristiche genetiche e fenotipiche delle popolazioni di B.
pachypus.
Lo scopo di questa ricerca è indagare le caratteristiche e lo stato di conservazione delle
popolazioni di B. pachypus dell'Aspromonte, al fine di comprendere fattori e processi che spiegano
la resistenza di questa popolazione al declino. Per raggiungere questo obiettivo abbiamo sviluppato
un approccio integrativo che tiene conto dei fattori ambientali/climatici e delle caratteristiche
genetiche e fenotipiche delle popolazioni di B. pachypus. In particolare, questa ricerca mirava a
rispondere alle seguenti domande:
1. Qual è l'attuale distribuzione e stato di conservazione delle popolazioni di B. pachypus
nell'Aspromonte?
2. Qual è il pattern di occorrenza del patogeno B. dendrobatidis tra le popolazioni di B.
pachypus?
3. Qual è la struttura geografica su piccola scala della variazione genetica delle popolazioni di
B. pachypus in quest'area, riconosciuta come il suo hotspot di diversità genetica?
4. Esiste una variazione interindividuale nei tratti fenotipici adattivi?
Questo studio è stato sviluppato in tre fasi sperimentali distinte, ma intimamente collegate. La
prima fase dello studio è consistita nella caratterizzazione della struttura geografica della variazione
genetica delle popolazioni di B. pachypus del sistema montuoso calabrese, al fine di definire i confini
della popolazione dell'Aspromonte. Grazie ai risultati di questo studio siamo stati anche in grado di
definire il proprio hotspot di diversità genetica di B. pachypus nella regione dell'Aspromonte. Nella
seconda fase dello studio, ho eseguito un'indagine sul campo intensiva per mappare la distribuzione
su scala fine di B. pachypus, al fine di definire l'effettivo stato di conservazione di questa specie
all'interno del suo hotspot di biodiversità. La terza fase, infine, è stata dedicata allo studio della
variazione interindividuale di un tratto fenotipico ad alto valore adattativo: il comportamento
deimatico anti-predatorio denominato unken-reflex, che consiste nel mostrare improvvisamente una
colorazione ventrale aposematica dopo che si è percepito l'attacco del predatore. I risultati di questi
studi sono quindi discussi nell'ambito della conservazione e della ricerca ecologica.
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione sostenibile delle risorse ambientali
Subjects
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