Analysis of Genetic Diversity of Chinese Minnow (Rhynchocypris oxycephalus) in Korea Using Environmental DNA

Abstract

The Korean Peninsula, characterized by its complex topography and division into five major river basins, is geographically situated between China and Japan, a location that has historically shaped its ecological landscape. Consequently, it is hypothesized that the freshwater fauna of South Korea, including its fish species, has been significantly influenced by the biogeographical and ecological dynamics of these neighboring countries. The Chinese minnow (Rhynchocypris oxycephalus), an indicator species widely distributed across South Korean rivers, faces growing threats to its habitats due to rapid environmental changes driven by climate change and anthropogenic activities. Thus, to conserve this ecological important species in its native and extended range, the genetic monitoring is crucial. In this study, we employed non-invasive methods to assess the genetic diversity and evolutionary history of R. oxycephalus populations using environmental DNA (eDNA) samples collected from 13 rivers and tributaries across Korea. Species-specific primers were designed for the amplification of mitochondrial cytochrome b (Cytb) and 16S ribosomal RNA (16S rRNA) genes (~1 kbp). The study revealed 29 haplotypes in 41 generated Cytb sequences and 13 haplotypes in 21 16S rRNA sequences. Distinct genetic traits were identified in clades of Seomjin River basin and Sincheon in Han River basin, while shared haplotypes evidenced the possible gene flow between Han River basin and Nakdong River basin. The estimated divergence times of 3.0-3.4 Ma between the R. oxycephalus populations from Korea, China, and Japan indicate the historical dispersal and colonization during the late Pliocene. This study highlights the efficacy of eDNA as a non-invasive tool for assessing genetic diversity and provides critical insights for the conservation and management of R. oxycephalus genetic resources in Korea. Also, further investigation of the haplotype diversity and the phylogenetic relationships of R. oxycephalus could provide advanced insights for understanding their genetic traits and evolutionary history.|한반도는 복잡한 지형과 다섯 개의 주요 하천 유역으로 나뉘며, 중국과 일본 사이에 위치한 지리적 특성은 역사적으로 한반도 생태환경에 중요한 영향을 주었다. 이러한 특성으로 인해 한국의 담수 생물군, 특히 어류 종들은 이웃한 국가들의 생물지리학적 및 생태적 역학에 의해 상당한 영향을 받았을 것으로 추정된다. 버들치 (Rhynchocypris oxycephalus)는 국내 하천에서 널리 분포하는 대표적인 지표종으로, 기후 변화와 인간 활동으로 인한 환경 변화에 의해 서식지가 위협받고 있다. 따라서 생태적으로 중요한 종을 기존의 서식지와 확장된 서식지에서 보존하기 위해 유전적 모니터링은 필수적이다. 본 연구에서는 국내 전역의 13개 하천과 지류에서 수집한 환경유전자 (eDNA) 샘플을 사용한 비침습적 방법을 적용하여 버들치 개체군의 유전적 다양성과 진화적 역사를 평가했다. 미토콘드리아 cytochrome b (Cytb)와 16S ribosomal RNA (16S rRNA) 유전자(~1 kbp)를 증폭하기 위해 버들치에 종 특이적인 프라이머를 제작하였다. 연구 결과, 41개의 Cytb 염기서열에서 29개의 하플로타입과 21개의 16S rRNA 염기서열에서 13개의 하플로타입이 확인되었다. 섬진강 유역과 한강 유역의 신천에서는 서로 다른 유전적 특성이 나타났으며, 한강 유역과 낙동강 유역 사이에서 유전적 흐름의 가능성을 추정할 수 있는 공유된 하플로타입이 확인되었다. 한국, 중국, 일본의 버들치 개체군 간의 약 300만년-340만년 사이로 추정되는 분화 시점은 후기 플라이오세 시기에 개체군 확산과 군집화를 나타낸다. 본 연구는 유전적 다양성 평가를 위한 비침습적 도구로서 eDNA의 유용성을 강조하며, 국내 버들치의 유전적 자원 보존과 관리에 중요한 통찰을 제공할 수 있을 것으로 생각된다. 추후 버들치의 하플로타입 다양성과 계통발생적 관계에 대한 추가 연구를 통해 해당 종의 유전적 특 성과 진화적 역사를 이해하는 데 중요한 정보를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.