2022 Fiscal Year Annual Research Report
Regime shifts in coastal marine ecosystems: an empirical approach based on advanced monitoring and nonlinear dynamical theory
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19H05641
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
近藤 倫生 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (30388160)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩崎 藍子 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (00826076)
川津 一隆 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (20747547)
長田 穣 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (90750084)
山川 央 公益財団法人かずさDNA研究所, ゲノム事業推進部, 研究員 (40370928)
益田 玲爾 京都大学, フィールド科学教育研究センター, 教授 (60324662)
田中 健太 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (80512467)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 環境DNA / 生物多様性 / レジリアンス / 沿岸生態系 / データ駆動型研究 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
魚類を中心とした群集変動を観測し、レジームシフトを検出するために稼働する、全国多地点での高頻度環境DNA観測網「ANEMONE」は順調に稼働している。大学や国研による観測に加えて、市民連携観測や企業・自治体と連携した調査も実施され、毎週から毎月の観測を実施、今後の追加分析を可能にする抽出DNAサンプルも蓄積している。今年度は80以上の地点より800以上の試料を得た。14地点では毎週の高頻度観測が実施できた。DNA配列データ、環境DNAメタバーコーディングパイプラインClaidentを利用して獲得したオカレンスデータは、社会での利用を促進するため、2022年6月に実験条件と調査情報とともにオープンデータベース「ANEMONE DB」において公開した。また、データ解析については、環境DNA時系列データに適用する事で群集構造や種間相互作用、環境との因果関係、力学的安定性を評価するための従来手法の改善、新手法の開発を進めた。特にレジームシフトの機構に関しては、多種の時系列データをもとに群集構造の変化を抽出し、別途推定した安定性の時間変化と対応させることで、レジームシフトがどのように群集動態の力学的安定性と関連するかを明らかにする手法開発に成功した。このほかにも昨年度に引き続き、群集生態学における種間相互作用係数に対応するヤコビアンを時系列データから高精度に推定するLMDr (Local Manifold Distance regression)の開発に成功し、この手法を実データ（長期海洋・湖沼生態系プランクトン観測データ）に適用することで、群集動態の非線形性を駆動する環境要因の特定が可能であることを確認した。ANEMONE観測データを活用した解析も行い、適切な時系列解析によって地域間の動的類似性を駆動する環境・生物要因を特定可能であることを確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
1. 全国多地点での環境DNA観測に基づく「生態系の構造転換」のパターン理解 環境DNA観測(ANEMONE)は、当初計画以上に運営されている。社会や科学全体に貢献するためにANEMONE観測データを公開するANEMONE DB運用をスタートした。日本沿岸の魚類群集データ解析より生物多様性の緯度パターンやその季節変動といった基本的特徴を捉えつつある。観測データの利用を推進するANEMONEコンソーシアムが設立され、産官学の連携体制を構築できた。
2. 生態系観測データに基づく生態系の力学的性質の評価手法の確立 因果推定の新手法（UCT）、群集生態学における種間相互作用係数に対応するヤコビアンを高精度に推定できる新手法（LMDr)などの生態系観測データ解析手法等を開発し、群集の力学的安定性評価ができるようになった。これらの手法は実データに適用してその有効性が確認された。また異なる群集の力学的類似性評価手法など、これらの手法を応用した新しいデータ解析法を開発した。
3. 詳細な長期生態系観測データの解析による「生態系の構造転換」の機構解明 上記２で開発した手法をもとに、構造転換のパターンや機構、両者の関係を理解するためのデータ解析手法を開発した。開発した手法を既存の長期プランクトンデータに適用し、安定性の時間変動を評価できること、また安定性低下のタイミングが群集組成大変化のタイミングと一致することを確認、レジームシフトの機構評価に本手法が利用できることを支持する結果を得た。
4. 生態系観測に基づくナウキャスト・フォアキャスト手法の開発 生態系観測に基づいてレジームシフトの兆候を評価する手法を開発し、実データによってテストした。また種数や種多様性指標などの群集レベルの特徴の時間変動の力学的特徴を評価する手法を開発し、これをもとに群集の状態を評価する適切な手法を発見できることを示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 全国多地点での高頻度の環境DNA観測に基づく「生態系の構造転換」のパターン理解 ANEMONEによる環境DNA観測を継続するとともに、観測データの精度向上を目指し、異なる分析機関ごとのバイアスを評価する。またANEMONEコンソーシアムと協力しつつ、これを自律的に運営するための手法を検討する。データベース（ANEMONE DB）をのより広い活用・オープン化を促進するため、外部者によるデータ登録を可能にするための追加機能を実装する。
2. 生態系観測データに基づく生態系の力学的性質の評価手法の確立 群集の一部データのみに基づいて群集全体の力学的特徴を評価する手法を開発し、実データによるテストを行う。時系列データからヤコビアンや力学的性質を評価する手法（LMDr）や新しい因果推論手法（UCT）について、査読つき国際誌に投稿、出版を目指す。
3. 詳細な長期生態系観測データの解析による「生態系の構造転換」の機構解明 植物プランクトン観測データ等の実データに対して開発した安定性評価手法を適用し、群集組成の大変化と安定性の低下がどの様に関連しているかを明らかにし、査読つき学術論文として投稿する。
4. 生態系観測に基づくナウキャスト・フォアキャスト手法の開発 群集組成の大変化の予兆となるような安定性の特徴的な変化について、実データをもとに研究を進め、その一般性について検討を進める。
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Research Products
(30 results)
