가시연은 서식지 감소 등의 원인으로 인해 환경부에서 멸종위기야생동식물Ⅱ급으로 지정된 식물로, 본 종의 보전전략 및 복원대책 수립을 위한 기초자료로 활용하고자 한국에 분포하는 가시연 엽록체의 유전적 다양성 분석을 수행하였다. 가시연꽃 DNA시료는 2008년 4월부터 2010년 10월까지 전국에 걸쳐 총 41개체군 767개체로부터 확보하였으며, 이를 사용하여 엽록체 유전체의 psbA-trnH ...
가시연은 서식지 감소 등의 원인으로 인해 환경부에서 멸종위기야생동식물Ⅱ급으로 지정된 식물로, 본 종의 보전전략 및 복원대책 수립을 위한 기초자료로 활용하고자 한국에 분포하는 가시연 엽록체의 유전적 다양성 분석을 수행하였다. 가시연꽃 DNA시료는 2008년 4월부터 2010년 10월까지 전국에 걸쳐 총 41개체군 767개체로부터 확보하였으며, 이를 사용하여 엽록체 유전체의 psbA-trnH IGS 및 psbK-psbI IGS 구간 염기서열을 결정하였다. 그 결과, 엽록체 psbK-psbI IGS 구간에서 3가지 유형의 변이와 psbA-trnH IGS 구간에서의 2가지 유형의 변이가 확인되었으며, 두 구간의 염기 변이를 종합적으로 고려할 경우, 모두 4가지의 일배체형이 한국산 가시연 개체군에 존재하는 것으로 파악되었다. 확인된 4가지의 일배체형은 AAGA-A9/A type, TCTT-A9/A type, TCTT-A9/G type, TCTT-A10/G type으로, AAGA-A9/A type은 144개체(18.8%), TCTT-A9/A type은 299개체(39%), TCTT-A9/G type은 45개체(5.9%), 그리고 TCTT-A10/G type은 279개체(36.4%)에서 각각 나타났으며, 그 빈도에 있어 TCTT-A9/A type이 가장 높고, TCTT-A9/G type이 가장 낮은 것으로 나타났다. 개체군 수준에서는 경북 경산 당음지와 당산제를 제외한 39개체군에서 단일한 일배체형으로 구성된 것으로 나타났으며, 경북 경산 당음지와 당산제의 경우는 TCTT-A9/A와 TCTT-A10/G의 2가지 일배체형이 공존하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과로 볼 때, 한국산 가시연은 최소한 4계열의 모계로부터 퍼져 나간 것으로 추정되며, 동일한 개체군에 단일한 일배체형이 우점하는 원인으로는 가시연이 주로 폐쇄화를 통한 자가수분으로 생식을 하기 때문인 것으로 추정된다. 한편, 이들 일배체형의 지리적 분포를 고려할 때, 가시연의 산포는 지역적인 근거리 전파와 함께 이주성 중대형 조류를 통한 장거리 전파를 통해 일어났던 것으로 추정되며, 인간에 의한 인위적인 전파의 가능성도 배제하기 어려운 것으로 나타났다. 특히 한국의 가시연 자생지가 대부분 최근 7-80년 이내에 인간에 의해 축조된 인공 습지이며, 가시연 1개체가 500-600개의 종자를 형성할 수 있는 점을 고려한다면, 가시연의 개체군 동태는 비교적 빠르게 변화하는 것으로 추정된다. 가시연 엽록체 psbK-psbI IGS 구간의 염기변이는 A가 연속적으로 9개 나타나는(A9) 유형과 10개 나타나는 유형(A10), 그리고 A와 G의 치환에 의한 변이가 나타나며, psbA-trnH IGS 구간은 stem-and-loop 구조의 loop 부분에서 TCTT//AAGA inversion에 의해 기인한다. 이러한 변이에 의해 4가지의 일배체형이 나타나며, 이들 일배체형 사이의 최단 진화 경로는 AAGA-A9/A ↔ TCTT-A9/A ↔ TCTT-A9/G ↔ TCTT-A10/G로 나타난다. 빈도가 높고 분포 범위가 가장 높은 일배체형이 원시형이라고 가정할 때, 한국 가시연 엽록체 일배체형은 TCTT-A9/A로부터 psbA-trnH IGS 구간의 inversion에 의해 AAGA-A9/A가 기원하며, 가장 빈도가 적은 TCTT-A9/G는 TCTT-A9/A로부터 A→G 치환에 의해 기원하고, TCTT-A10/G 유형은 TCTT-A9/G로부터 A연속 수가 9개에서 10개로 미끄러짐(slippage)을 통해 증가하여 기원한 것으로 추정된다. 본 연구결과 얻어진 한국 가시연의 유전적 다양성 정보와 가시연의 생활사 특성을 고려할 때, 가장 낮은 빈도로 존재하는 TCTT-A9/G 일배체형을 갖는 개체들이 존재하는 경기 안성 방축저수지, 전남 나주 도토리제와 형제제 등에 대해서는 우선적인 보호 및 관리 대책 마련이 필요할 것으로 사료되며, 가시연의 종자가 서식지 퇴적층에 종자은행을 형성하면서 다년간에 걸쳐 발아가 되는 것으로 볼 때 성급한 복원을 시도하기 보다는 가시연이 발아하고 생육하기 적절한 환경을 유지할 수 있는 보전 방안을 수립하는 것이 우선일 것으로 판단된다. 부득이하게 서식지의 복원이 필요할 경우에는 원래 서식하던 개체와 동일한 일배체형을 갖는 개체로부터가 복원을 시도하는 것이 필요하다.
가시연은 서식지 감소 등의 원인으로 인해 환경부에서 멸종위기야생동식물Ⅱ급으로 지정된 식물로, 본 종의 보전전략 및 복원대책 수립을 위한 기초자료로 활용하고자 한국에 분포하는 가시연 엽록체의 유전적 다양성 분석을 수행하였다. 가시연꽃 DNA시료는 2008년 4월부터 2010년 10월까지 전국에 걸쳐 총 41개체군 767개체로부터 확보하였으며, 이를 사용하여 엽록체 유전체의 psbA-trnH IGS 및 psbK-psbI IGS 구간 염기서열을 결정하였다. 그 결과, 엽록체 psbK-psbI IGS 구간에서 3가지 유형의 변이와 psbA-trnH IGS 구간에서의 2가지 유형의 변이가 확인되었으며, 두 구간의 염기 변이를 종합적으로 고려할 경우, 모두 4가지의 일배체형이 한국산 가시연 개체군에 존재하는 것으로 파악되었다. 확인된 4가지의 일배체형은 AAGA-A9/A type, TCTT-A9/A type, TCTT-A9/G type, TCTT-A10/G type으로, AAGA-A9/A type은 144개체(18.8%), TCTT-A9/A type은 299개체(39%), TCTT-A9/G type은 45개체(5.9%), 그리고 TCTT-A10/G type은 279개체(36.4%)에서 각각 나타났으며, 그 빈도에 있어 TCTT-A9/A type이 가장 높고, TCTT-A9/G type이 가장 낮은 것으로 나타났다. 개체군 수준에서는 경북 경산 당음지와 당산제를 제외한 39개체군에서 단일한 일배체형으로 구성된 것으로 나타났으며, 경북 경산 당음지와 당산제의 경우는 TCTT-A9/A와 TCTT-A10/G의 2가지 일배체형이 공존하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과로 볼 때, 한국산 가시연은 최소한 4계열의 모계로부터 퍼져 나간 것으로 추정되며, 동일한 개체군에 단일한 일배체형이 우점하는 원인으로는 가시연이 주로 폐쇄화를 통한 자가수분으로 생식을 하기 때문인 것으로 추정된다. 한편, 이들 일배체형의 지리적 분포를 고려할 때, 가시연의 산포는 지역적인 근거리 전파와 함께 이주성 중대형 조류를 통한 장거리 전파를 통해 일어났던 것으로 추정되며, 인간에 의한 인위적인 전파의 가능성도 배제하기 어려운 것으로 나타났다. 특히 한국의 가시연 자생지가 대부분 최근 7-80년 이내에 인간에 의해 축조된 인공 습지이며, 가시연 1개체가 500-600개의 종자를 형성할 수 있는 점을 고려한다면, 가시연의 개체군 동태는 비교적 빠르게 변화하는 것으로 추정된다. 가시연 엽록체 psbK-psbI IGS 구간의 염기변이는 A가 연속적으로 9개 나타나는(A9) 유형과 10개 나타나는 유형(A10), 그리고 A와 G의 치환에 의한 변이가 나타나며, psbA-trnH IGS 구간은 stem-and-loop 구조의 loop 부분에서 TCTT//AAGA inversion에 의해 기인한다. 이러한 변이에 의해 4가지의 일배체형이 나타나며, 이들 일배체형 사이의 최단 진화 경로는 AAGA-A9/A ↔ TCTT-A9/A ↔ TCTT-A9/G ↔ TCTT-A10/G로 나타난다. 빈도가 높고 분포 범위가 가장 높은 일배체형이 원시형이라고 가정할 때, 한국 가시연 엽록체 일배체형은 TCTT-A9/A로부터 psbA-trnH IGS 구간의 inversion에 의해 AAGA-A9/A가 기원하며, 가장 빈도가 적은 TCTT-A9/G는 TCTT-A9/A로부터 A→G 치환에 의해 기원하고, TCTT-A10/G 유형은 TCTT-A9/G로부터 A연속 수가 9개에서 10개로 미끄러짐(slippage)을 통해 증가하여 기원한 것으로 추정된다. 본 연구결과 얻어진 한국 가시연의 유전적 다양성 정보와 가시연의 생활사 특성을 고려할 때, 가장 낮은 빈도로 존재하는 TCTT-A9/G 일배체형을 갖는 개체들이 존재하는 경기 안성 방축저수지, 전남 나주 도토리제와 형제제 등에 대해서는 우선적인 보호 및 관리 대책 마련이 필요할 것으로 사료되며, 가시연의 종자가 서식지 퇴적층에 종자은행을 형성하면서 다년간에 걸쳐 발아가 되는 것으로 볼 때 성급한 복원을 시도하기 보다는 가시연이 발아하고 생육하기 적절한 환경을 유지할 수 있는 보전 방안을 수립하는 것이 우선일 것으로 판단된다. 부득이하게 서식지의 복원이 필요할 경우에는 원래 서식하던 개체와 동일한 일배체형을 갖는 개체로부터가 복원을 시도하는 것이 필요하다.
Euryale ferox was designated as an Endangered Wild Animals and Plants Level II by the Ministry of Environment, Government of Korea because it is vulnerable to extinction due to reduction in habitat and other reasons. Genetic diversity of the chloroplast genome of E. ferox in Korea was analyzed in th...
Euryale ferox was designated as an Endangered Wild Animals and Plants Level II by the Ministry of Environment, Government of Korea because it is vulnerable to extinction due to reduction in habitat and other reasons. Genetic diversity of the chloroplast genome of E. ferox in Korea was analyzed in this research in order to utilize the data as basic information to build conservation strategy and restoration scheme. DNA samples were collected for 767 individuals of 41 populations, in total, from April 2008 to October 2010, and DNA sequences of the psbA-trnH IGS and the psbK-psbI IGS regions of the chloroplast genome were obtained for them. As a result, three types of sequence variation were detected from the psbK-psbI IGS region and two types from psbA-trnH IGS region. Altogether, four chloroplast haplotypes were identified from the Korean E. ferox individuals, when both the region was considered together. Those four haplotypes are: AAGA-A9/A type, TCTT-A9/A type, TCTT-A9/G type, and TCTT-A10/G type. The AAGA-A9/A type were found from 144 individual(18.8%), TCTT-A9/A type from 299 individual(39%), TCTT-A9/G type from 45 individual (5.9%), and TCTT-A10/G type from 279 individual(36.4%). At population level, only single haplotype was detected from each of 39 populations, except two populations at Gyungsan, Gyungbuk (Dangeumji and Dangsanje) where two haplotypes - TCTT-A9/G and TCTT-A10/G types - co-existed. These results strongly suggest that there exist at least four different maternal lineages in Korean E. ferox and self-pollination through cleistogamous flowers is responsible for the domination of single chloroplast haplotype per site. By the way, it seems possible that both short-distance local dispersal by rodents and water current and long-distance dispersal by migratory birds of medium to large size have influenced the dispersal of E. ferox in Korea, when the geographical distribution of each haplotypes were considered. Also, anthropogenic influence on the distribution of E. ferox cannot be excluded. Especially as the majority of the E. ferox habitats are artificially constructed reservoirsor wetlands which are not older than 80 years and one E. ferox can produce 500-600 seeds, population dynamics of E. ferox seems to change rather quickly. The sequence variations of psbK-psbI IGS region are caused by the changes in the repeat number of Adenine(A) and substitution between A and G, while that of psbA-trnH IGS region is by TCTT//AAGA inversion of the loop region of the stem-and-loop structure. These sequence variations produce four haplotypes. The shortest spanning tree estimated are AAGA-A9/A ↔ TCTT-A9/A ↔ TCTT-A9/G ↔ TCTT-A10/G. If most common and widely distributed haplotype was considered as an ancestral type, AAGA-A9/A haplotype has derived from TCTT-A9/A haplotype by inversion in the psbA-trnH IGS region, the least abundant TCTT-A9/G haplotype originated from TCTT-A9/A haplotype by A→G substitution, and TCTT-A10/G haplotype evolved from TCTT-A9/G haplotype after A9 to A10 by slippage during DNA replication. The results suggest that those habitats with least abundant TCTT-A9/G haplotype - Bangchook reservoir at Anseong, Kyunggi, Dotorije and Hyeongjeje at Naju, Jeonnam - requires priority in protection and establishing management plan. Also, building conservation strategy to preserve and improve living conditions and ecological environment so that E. ferox can germinate and grow healthy is more important than starting restoration program without consideration of the life history and specifics of E. ferox. When habitat restoration is inevitably necessary for E. ferox, restoration program based on haplotype information presented here should be considered first.
Euryale ferox was designated as an Endangered Wild Animals and Plants Level II by the Ministry of Environment, Government of Korea because it is vulnerable to extinction due to reduction in habitat and other reasons. Genetic diversity of the chloroplast genome of E. ferox in Korea was analyzed in this research in order to utilize the data as basic information to build conservation strategy and restoration scheme. DNA samples were collected for 767 individuals of 41 populations, in total, from April 2008 to October 2010, and DNA sequences of the psbA-trnH IGS and the psbK-psbI IGS regions of the chloroplast genome were obtained for them. As a result, three types of sequence variation were detected from the psbK-psbI IGS region and two types from psbA-trnH IGS region. Altogether, four chloroplast haplotypes were identified from the Korean E. ferox individuals, when both the region was considered together. Those four haplotypes are: AAGA-A9/A type, TCTT-A9/A type, TCTT-A9/G type, and TCTT-A10/G type. The AAGA-A9/A type were found from 144 individual(18.8%), TCTT-A9/A type from 299 individual(39%), TCTT-A9/G type from 45 individual (5.9%), and TCTT-A10/G type from 279 individual(36.4%). At population level, only single haplotype was detected from each of 39 populations, except two populations at Gyungsan, Gyungbuk (Dangeumji and Dangsanje) where two haplotypes - TCTT-A9/G and TCTT-A10/G types - co-existed. These results strongly suggest that there exist at least four different maternal lineages in Korean E. ferox and self-pollination through cleistogamous flowers is responsible for the domination of single chloroplast haplotype per site. By the way, it seems possible that both short-distance local dispersal by rodents and water current and long-distance dispersal by migratory birds of medium to large size have influenced the dispersal of E. ferox in Korea, when the geographical distribution of each haplotypes were considered. Also, anthropogenic influence on the distribution of E. ferox cannot be excluded. Especially as the majority of the E. ferox habitats are artificially constructed reservoirsor wetlands which are not older than 80 years and one E. ferox can produce 500-600 seeds, population dynamics of E. ferox seems to change rather quickly. The sequence variations of psbK-psbI IGS region are caused by the changes in the repeat number of Adenine(A) and substitution between A and G, while that of psbA-trnH IGS region is by TCTT//AAGA inversion of the loop region of the stem-and-loop structure. These sequence variations produce four haplotypes. The shortest spanning tree estimated are AAGA-A9/A ↔ TCTT-A9/A ↔ TCTT-A9/G ↔ TCTT-A10/G. If most common and widely distributed haplotype was considered as an ancestral type, AAGA-A9/A haplotype has derived from TCTT-A9/A haplotype by inversion in the psbA-trnH IGS region, the least abundant TCTT-A9/G haplotype originated from TCTT-A9/A haplotype by A→G substitution, and TCTT-A10/G haplotype evolved from TCTT-A9/G haplotype after A9 to A10 by slippage during DNA replication. The results suggest that those habitats with least abundant TCTT-A9/G haplotype - Bangchook reservoir at Anseong, Kyunggi, Dotorije and Hyeongjeje at Naju, Jeonnam - requires priority in protection and establishing management plan. Also, building conservation strategy to preserve and improve living conditions and ecological environment so that E. ferox can germinate and grow healthy is more important than starting restoration program without consideration of the life history and specifics of E. ferox. When habitat restoration is inevitably necessary for E. ferox, restoration program based on haplotype information presented here should be considered first.
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