본 연구는 ISSR 표지자를 이용하여 동강할미꽃 3개 지역, 5개 집단, 총 177 개체로부터 유전적 특성을 구명하기 위하여 수행되었다. 6개 ISSR primer의 56개 표지자에서의 종 수준에서의 유전다양성은 P=94.6, SI=0.377, h=0.240로, 제한된 분포와 작은 집단크기를 고려할 때 상당한 수준으로 평가되었다. AMOVA 분석 결과 전체 유전변이의 약 12%가 지역 간에, 약 13%가 지역 내 집단 간에 존재하는 것으로 나타나, 지역 및 집단에 따른 분화정도는 상대적으로 낮은 것으로 평가되었다. 이는 인근집단 간에 유전자 교류가 비교적 원활히 이루어지기 때문으로 판단되었다. 동강할미꽂 집단 간 분화정도는 주로 지리적 거리에 의해 영향을 받는 것으로 나타났으며, 유집분석과 주좌표분석을 통해서도 이를 확인할 수 있었다. 크기가 작고 고립된 삼척집단(SC)에서는 많은 유전자좌에서의 표지자 밴드의 빈도가 현저히 다르거나 다른 방향으로 고정되어 유전적 부동이 진행되고 있음을 알 수 있었다. 앞으로 동강할미꽃의 집단크기가 계속 감소하면 유전다양성이 심각하게 훼손될 뿐만 아니라 집단 전체의 절멸로 이어질 우려가 있다. 따라서 동강할미꽃의 보전을 위해서는 무엇보다 고유의 서식처 환경을 보호하여 집단크기가 감소하거나 집단 간의 연결성이 훼손되지 않도록 해야 할 것이다. 현지에서의 종자산포나 이식 등의 보전 조치는 생태적, 유전적 특성을 고려하여 신중히 이루어져야 한다. 또한 집단의 유전적 구조 변화 등에 관한 기초연구와 함께 동강할미꽃의 효율적 보전을 위한 통합적인 체계 구축이 시급한 과제 중의 하나이다.
본 연구는 ISSR 표지자를 이용하여 동강할미꽃 3개 지역, 5개 집단, 총 177 개체로부터 유전적 특성을 구명하기 위하여 수행되었다. 6개 ISSR primer의 56개 표지자에서의 종 수준에서의 유전다양성은 P=94.6, SI=0.377, h=0.240로, 제한된 분포와 작은 집단크기를 고려할 때 상당한 수준으로 평가되었다. AMOVA 분석 결과 전체 유전변이의 약 12%가 지역 간에, 약 13%가 지역 내 집단 간에 존재하는 것으로 나타나, 지역 및 집단에 따른 분화정도는 상대적으로 낮은 것으로 평가되었다. 이는 인근집단 간에 유전자 교류가 비교적 원활히 이루어지기 때문으로 판단되었다. 동강할미꽂 집단 간 분화정도는 주로 지리적 거리에 의해 영향을 받는 것으로 나타났으며, 유집분석과 주좌표분석을 통해서도 이를 확인할 수 있었다. 크기가 작고 고립된 삼척집단(SC)에서는 많은 유전자좌에서의 표지자 밴드의 빈도가 현저히 다르거나 다른 방향으로 고정되어 유전적 부동이 진행되고 있음을 알 수 있었다. 앞으로 동강할미꽃의 집단크기가 계속 감소하면 유전다양성이 심각하게 훼손될 뿐만 아니라 집단 전체의 절멸로 이어질 우려가 있다. 따라서 동강할미꽃의 보전을 위해서는 무엇보다 고유의 서식처 환경을 보호하여 집단크기가 감소하거나 집단 간의 연결성이 훼손되지 않도록 해야 할 것이다. 현지에서의 종자산포나 이식 등의 보전 조치는 생태적, 유전적 특성을 고려하여 신중히 이루어져야 한다. 또한 집단의 유전적 구조 변화 등에 관한 기초연구와 함께 동강할미꽃의 효율적 보전을 위한 통합적인 체계 구축이 시급한 과제 중의 하나이다.
The genetic diversity and structure of P. tongkangensis in 5 populations from 3 regions was investigated using 56 markers derived from 6 ISSR primers. Genetic diversity at the species level (P=94.6, SI=0.377, h=0.240) was substantial considering the limited distribution and small size of populations...
The genetic diversity and structure of P. tongkangensis in 5 populations from 3 regions was investigated using 56 markers derived from 6 ISSR primers. Genetic diversity at the species level (P=94.6, SI=0.377, h=0.240) was substantial considering the limited distribution and small size of populations. Genetic differentiation among regions (12%) and among populations (13%) in the region was not clearly evident, which suggested a moderate level of gene flow among adjacent populations. The Mantel test revealed a significant correlation between genetic differentiation (${\Phi}_{ST}$) and geographic distance among populations. This was supported by cluster analysis and principal coordinate analysis (PCoA). The significant difference in marker band frequency at many loci and their fixation in opposite directions in the smallest and most isolated population SC were considered due to genetic drift. Therefore, the genetic diversity of P. tongkangensis could be compromised if the distribution area or the size of the population was further reduced. In particular, small and isolated populations could be at great risk of extinction. Considering this, the unique habitats of P. tongkangensis should be protected and the reduction of population size should be closely monitored. Conservation efforts including the seeding and planting of seedlings should be done carefully based on their genetic and ecological traits. Our data support the argument that establishing an integrated management system for the efficient conservation of P. tongkangensis is critical.
The genetic diversity and structure of P. tongkangensis in 5 populations from 3 regions was investigated using 56 markers derived from 6 ISSR primers. Genetic diversity at the species level (P=94.6, SI=0.377, h=0.240) was substantial considering the limited distribution and small size of populations. Genetic differentiation among regions (12%) and among populations (13%) in the region was not clearly evident, which suggested a moderate level of gene flow among adjacent populations. The Mantel test revealed a significant correlation between genetic differentiation (${\Phi}_{ST}$) and geographic distance among populations. This was supported by cluster analysis and principal coordinate analysis (PCoA). The significant difference in marker band frequency at many loci and their fixation in opposite directions in the smallest and most isolated population SC were considered due to genetic drift. Therefore, the genetic diversity of P. tongkangensis could be compromised if the distribution area or the size of the population was further reduced. In particular, small and isolated populations could be at great risk of extinction. Considering this, the unique habitats of P. tongkangensis should be protected and the reduction of population size should be closely monitored. Conservation efforts including the seeding and planting of seedlings should be done carefully based on their genetic and ecological traits. Our data support the argument that establishing an integrated management system for the efficient conservation of P. tongkangensis is critical.
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문제 정의
본 연구는 ISSR 표지자를 이용하여 동강할미꽃 3개 지역, 5개 집단, 총 177 개체로부터 유전적 특성을 구명하기 위하여 수행되었다. 6개 ISSR primer의 56개 표지자에서의 종 수준에서의 유전다양성은 P=94.
본 연구는 동강할미꽃의 자생지 보호와 유전자원 보존을 위한 기초자료를 제공할 목적으로, ISSR 표지자를 이용하여 동강할미꽃의 유전다양성 정도와 지역 및 지역 내 집단 간의 유전적 분화 정도를 추정하였다.
제안 방법
각 size 별로 분석된 band는 한 유전자좌의 산물로 간주하였고, 밴드의 존재 유무에 따라 단일 유전자좌의 두 개의 대립유전자와 관련된 두 가지 표현형(출현, 1; 비출현, 0)의 빈도로 데이터화하였다. ISSR 표지자의 우성적 특성을 고려하여 모든 유전분석은 위의 band의 존재 여부에 따른 빈도에 근거하여 수행되었다. 다만 다른 연구 결과와의 비교를 위하여 열성 표현형의 빈도를 이용하여 Hardy-Weinberg 평형 가정 하에서 기대되는 대립유전자 빈도를 추정하여 Nei’s(1973) 유전자 다양도(h)를 계산하였다.
00025% BSA, 1XPCR 반응 buffer(Biotherm, Genecreft), 그리고 1 unit Taq polymerase(Biotherm, Genecreft)로 조성되었다. PCR 반응은 T-gradient thermal cycler(Biometra)를 사용하여, 먼저 1분 30초간 94℃에서 전처리 후, 40초간 94℃, 45초간 51℃, 그리고 1분 30초간 72℃의 3단계 사이클을 35회 반복하였다. 그리고 마지막으로 72℃에서 5분간 최종 증폭과정을 거쳤다.
사진 자료로부터 선명하고 재현성이 높은 band만을 유전다양성 분석의 대상으로 하였다. 각 size 별로 분석된 band는 한 유전자좌의 산물로 간주하였고, 밴드의 존재 유무에 따라 단일 유전자좌의 두 개의 대립유전자와 관련된 두 가지 표현형(출현, 1; 비출현, 0)의 빈도로 데이터화하였다. ISSR 표지자의 우성적 특성을 고려하여 모든 유전분석은 위의 band의 존재 여부에 따른 빈도에 근거하여 수행되었다.
0(Black, 1996)를 이용하였다. 이어 PHYLIP v3.5c(Felsenstein, 1993)의 NEIGHBOR 프로그램에서 UPGMA 방법으로 유집한 후 최종적으로 TREEVIEW v1.6.6 프로그램(Page, 1993)에서 dendrogram을 산출하였다. 집단 간의 유연관계를 확인하기 위한 다른 방법으로 GENAIEX program(Peakall and Smouse, 2001)을 이용하여 주좌표분석(Principal Coordinate Analysis; PCoA)을 수행하였다.
8% agarose gel(w/v)에서 2시간 동안 전기영동되었다. 전기영동 후 gel을 ethidium bromide로 정색하여 UV trans-illuminator상에서 사진을 찍어 분석에 사용하였다(Fig. 1).
대상 데이터
60개의 ISSR primer(50 from UBC primer set, Biotechnology Laboratory, University of British Columbia;10 from Wolfe Laboratory, Department of Evolution, Ecology and Organismal Biology, The Ohio State University) 중 재현성이 높은 6개를 선정하여 분석에 사용하였다; 5개 UBC primer: #813, #815, #824, #836, #843;1개 Wolf Lab. primer: Mao.
강원도의 3개 지역, 5개 집단에서 총 177개체로부터 DNA를 추출하기 위해 소량의 잎 단편을 취득하였다(Table 1). 평창 지역(PC)의 3개 집단 중, 집단 PC1은 해발 약 220 m의 바위틈에 200여개체가 산재해있었다.
사진 자료로부터 선명하고 재현성이 높은 band만을 유전다양성 분석의 대상으로 하였다. 각 size 별로 분석된 band는 한 유전자좌의 산물로 간주하였고, 밴드의 존재 유무에 따라 단일 유전자좌의 두 개의 대립유전자와 관련된 두 가지 표현형(출현, 1; 비출현, 0)의 빈도로 데이터화하였다.
데이터처리
POPGENE v1.32 프로그램(Yeh et al., 1999)을 이용하여 다형적 유전자좌의 비율(P)과 Shannon’s information index(SI) (Shannon and Weaver, 1949)를 구했다.
다만 다른 연구 결과와의 비교를 위하여 열성 표현형의 빈도를 이용하여 Hardy-Weinberg 평형 가정 하에서 기대되는 대립유전자 빈도를 추정하여 Nei’s(1973) 유전자 다양도(h)를 계산하였다.
또한 집단 간의 유전적 분화 정도(ΦST)와 지리적 거리와의 상관관계를 알아보기 위해 IBD program(Bohonak, 2002)을 이용하여 Mantel test를 수행하였다.
, 1999)을 이용하여 다형적 유전자좌의 비율(P)과 Shannon’s information index(SI) (Shannon and Weaver, 1949)를 구했다. 유전다양성의 집단내 및 집단 간 분포정도를 알아보기 위해 ARLEQUIN v.3.0 (Excoffier and Schneider, 2005)을 이용하여 AMOVA(analysis of molecular variance) 분석을 수행하였다. 또한 집단 간의 유전적 분화 정도(ΦST)와 지리적 거리와의 상관관계를 알아보기 위해 IBD program(Bohonak, 2002)을 이용하여 Mantel test를 수행하였다.
6 프로그램(Page, 1993)에서 dendrogram을 산출하였다. 집단 간의 유연관계를 확인하기 위한 다른 방법으로 GENAIEX program(Peakall and Smouse, 2001)을 이용하여 주좌표분석(Principal Coordinate Analysis; PCoA)을 수행하였다.
이론/모형
또한 집단 간의 유전적 분화 정도(ΦST)와 지리적 거리와의 상관관계를 알아보기 위해 IBD program(Bohonak, 2002)을 이용하여 Mantel test를 수행하였다. 집단 간 유연관계를 알아보기 위한 유전적 거리(Nei, 1978)의 계산은 RAPDDIST v1.0(Black, 1996)를 이용하였다. 이어 PHYLIP v3.
성능/효과
본 연구는 ISSR 표지자를 이용하여 동강할미꽃 3개 지역, 5개 집단, 총 177 개체로부터 유전적 특성을 구명하기 위하여 수행되었다. 6개 ISSR primer의 56개 표지자에서의 종 수준에서의 유전다양성은 P=94.6, SI=0.377, h=0.240로, 제한된 분포와 작은 집단크기를 고려할 때 상당한 수준으로 평가되었다. AMOVA 분석 결과 전체 유전변이의 약 12%가 지역 간에, 약 13%가 지역 내 집단 간에 존재하는 것으로 나타나, 지역 및 집단에 따른 분화정도는 상대적으로 낮은 것으로 평가되었다.
AMOVA 분석 결과 전체 유전변이의 약 12%가 지역 간 차이로, 약 13%가 지역 내 집단 간 차이로, 나머지 75%가 집단 내 개체 간 차이로 설명되었다(Table 2). 이는 유럽에 널리 분포하는 할미꽃속 P.
240로, 제한된 분포와 작은 집단크기를 고려할 때 상당한 수준으로 평가되었다. AMOVA 분석 결과 전체 유전변이의 약 12%가 지역 간에, 약 13%가 지역 내 집단 간에 존재하는 것으로 나타나, 지역 및 집단에 따른 분화정도는 상대적으로 낮은 것으로 평가되었다. 이는 인근집단 간에 유전자 교류가 비교적 원활히 이루어지기 때문으로 판단되었다.
AMOVA 분석 결과 전체 유전변이의 약 25%가 집단 간 차이에 기인하는 것으로 설명되었고, 나머지 75%는 집단 내 개체 간에 존재하였다(Table 2). 개체수가 가장 작았던 삼척 집단(SC)을 제외했을 때 집단 간 분화 정도는 약 16.
이는 인근집단 간에 유전자 교류가 비교적 원활히 이루어지기 때문으로 판단되었다. 동강할미꽂 집단 간 분화정도는 주로 지리적 거리에 의해 영향을 받는 것으로 나타났으며, 유집분석과 주좌표분석을 통해서도 이를 확인할 수 있었다. 크기가 작고 고립된 삼척 집단(SC)에서는 많은 유전자좌에서의 표지자 밴드의 빈도가 현저히 다르거나 다른 방향으로 고정되어 유전적 부동이 진행되고 있음을 알 수 있었다.
동강할미꽃 5개 집단에서 조사된 56개의 ISSR 표지자 밴드 중 53개에서 다형성을 보였다. 이 중 한 집단에서만 관찰된 고유 밴드가 6개였는데, 집단 PC1과 SC에서 각각 2개, 그리고 집단 PC3와 JS에서 각각 1개씩 관찰되었다(자료 미제공; 필요 시 교신저자를 통해 제공 가능).
동일종에서 조사된 ISSR, RAPD 및 AFLP 우성 표지자에서의 유전변이 정도는 유사하게 나타나 직접비교가 가능한 것으로 판단된 바 있다(Nybom, 2004). 따라서 동강할미꽃의 제한적인 분포특성과 작은 집단크기를 고려할 때 관찰된 유전다양성은 상당한 수준으로 평가되었다. 한편 동강할미꽃 4개 집단의 유전다양성 정도는 강원도 일부 집단에서 조사된 할미꽃의 ISSR 유전다양성에 비해서도 높은 수준이었다(Jeong et al.
대부분의 동강할미꽃 집단은 불과 수 km에서 10 km의 범위 안에 산재해있다. 따라서 인접한 크고 작은 집단 간에 유전자 교류가 원활히 이루어져 집단 내의 유전다양성이 어느 정도 유지되고 집단 간의 차이도 심화되지 않는 것으로 추정할 수 있었다. 본 연구에서 확인된 집단 간의 지리적 거리와 유전적 분화정도와의 강한 상관관계가 위의 추정을 뒷받침하는 것으로 간주되었다(Table 3, Fig.
모든 집단 쌍간의 유전적 분화 정도는 인접하고 있는 집단 PC2와 PC3 사이가 0.048로 가장 낮았고, 가장 멀리 떨어진 집단 SC와 집단 PC3 사이의 값이 0.458로 가장 높았다(Table 3). 삼척 집단은 다른 집단과의 분화정도가 평균 0.
따라서 인접한 크고 작은 집단 간에 유전자 교류가 원활히 이루어져 집단 내의 유전다양성이 어느 정도 유지되고 집단 간의 차이도 심화되지 않는 것으로 추정할 수 있었다. 본 연구에서 확인된 집단 간의 지리적 거리와 유전적 분화정도와의 강한 상관관계가 위의 추정을 뒷받침하는 것으로 간주되었다(Table 3, Fig. 2).
삼척집단(SC)을 제외한 4개 집단의 다형적 유전자좌의 비율(P)은 집단 PC2에서 62.5%로 가장 낮았고, 집단 PC1에서 69.6%로 가장 높은 값을 보였다(Table 1). 유전자좌당 평균 대립유전자수(A)와 유효대립유전자수(Ae) 역시 집단 PC2에서 각각 1.
고립된 소집단에서는 유전적 부동의 영향으로 대립유전자 빈도가 다른 집단과 크게 다르거나 심한 다른 방향으로 고정되기도 한다. 실지로 삼척집단에서는 적어도 7개 이상의 유전자좌에서의 표지자 밴드의 빈도가 다른 집단과 현저히 다르거나 다른 방향으로 고정되어(Fig. 5), 유전적 부동의 영향이 강하게 작용하고 있음을 알 수 있었다.
3 - 5). 유집분석과 주좌표분석의 결과를 통해 인접한 지역이나 집단 간의 밀접한 유전적 유연관계와 함께 고립된 소집단 SC의 이질성을 확인할 수 있었다.
162, 표에 제시되지 않음). 집단 간 분화 정도인 25%의 유전변이는 다시 세 지역 간 차이 약 12%, 지역 내 집단 간 차이 약 13%로 분할되었다.
집단 간 유전적 거리에 기초한 유집분석 결과, 지리적으로 서로 가까운 평창 지역 3개 집단이 먼저 소그룹을 형성하였고 그 위에 정선(JS) 집단이 유집되었으며 최종적으로 삼척 (SC) 집단이 합쳐졌다(Fig. 3). 집단별 주좌표분석(PCoA)에서는 평창, 정선, 삼척 집단이 명확하게 구분되었는데, 약 56%를 설명력을 지닌 제 1 주좌표에서는 삼척 집단이 뚜렷이 분리되었고, 약 15.
3). 집단별 주좌표분석(PCoA)에서는 평창, 정선, 삼척 집단이 명확하게 구분되었는데, 약 56%를 설명력을 지닌 제 1 주좌표에서는 삼척 집단이 뚜렷이 분리되었고, 약 15.6%를 설명하는 제 2 주좌표에서는 정선 집단이 이질적으로 나타났다(Fig. 4a). 개체별 분석에서는 우선 제 1 주좌표와 제 2 주좌표의 설명력이 각각 23.
동강할미꽂 집단 간 분화정도는 주로 지리적 거리에 의해 영향을 받는 것으로 나타났으며, 유집분석과 주좌표분석을 통해서도 이를 확인할 수 있었다. 크기가 작고 고립된 삼척 집단(SC)에서는 많은 유전자좌에서의 표지자 밴드의 빈도가 현저히 다르거나 다른 방향으로 고정되어 유전적 부동이 진행되고 있음을 알 수 있었다. 앞으로 동강할미꽃의 집단크기가 계속 감소하면 유전다양성이 심각하게 훼손될 뿐만 아니라 집단 전체의 절멸로 이어질 우려가 있다.
4b). 평창의 3개 집단과 정선 집단의 분리 정도가 상당히 약해졌으며, 특히 집단 PC2와 PC3의 개체들과 정선 집단(JS)의 개체들이 부분적으로 섞이는 경향을 보였다. 삼척의 SC집단은 여전히 이질적으로 분리되었지만 주로 제 2 주좌표에서의 차이에 기인하는 것으로 나타났다(Fig.
이 중 한 집단에서만 관찰된 고유 밴드가 6개였는데, 집단 PC1과 SC에서 각각 2개, 그리고 집단 PC3와 JS에서 각각 1개씩 관찰되었다(자료 미제공; 필요 시 교신저자를 통해 제공 가능). 확인된 6개 고유 밴드 중 3개는 모든 집단에서 0.064 미만의 낮은 빈도로 관찰되었으나, SC 집단의 2개 고유밴드는 각각 0.4, 0.6의 높은 빈도를 보였다. 또한 PC1 집단에서 관찰된 고유 밴드 중 하나도 0.
후속연구
, 2009). 그러나 보다 객관적인 비교는 충분한 수의 할미꽃 집단에 대한 유전분석이 이루어져야만 가능할 것으로 판단되었다.
, 2009), 교배 양식이나 기타 생물학적 기본 특성이나 유전다양성에 대한 연구는 거의 이루어진 바 없다. 따라서 동강할미꽃을 효율적으로 보전하기 위해서는 자생지의 서식처 보호를 포함한 긴급처방과 함께 개체군 크기 및 유전적 구조 변화의 지속적 감시 같은 장기적이고 체계적인 보전 연구가 필요할 것이다.
집단크기나 생태적 구조 변화에 대한 장기적 감시연구와 함께 교배양식이나 유전적 특성에 관한 기초연구도 수행되어야 한다. 또한 유사종인 분홍할미꽃이나 다른 관련종과의 유전적 차이 정도와 유연관계에 대한 연구도 함께 이루어져야 할 것이다. 현지에서의 종자산포나 이식 등의 보전 조치는 생태적, 유전적 특성을 고려하여 신중히 이루어져야 하며, 종자 저장 등의 현지 외 보전 방법도 검토되어야 한다.
동강할미꽃의 유전다양성 보전을 위해서는 무엇보다 고유의 서식처 환경을 보호하여 집단크기의 감소나 집단 간의 연결성이 더 이상 훼손되지 않도록 해야 할 것이다. 집단크기나 생태적 구조 변화에 대한 장기적 감시연구와 함께 교배양식이나 유전적 특성에 관한 기초연구도 수행되어야 한다. 또한 유사종인 분홍할미꽃이나 다른 관련종과의 유전적 차이 정도와 유연관계에 대한 연구도 함께 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동강할미꽃이 주로 서식하는 지역은?
동강할미꽃은 동강을 따라 석회암 지역의 암벽지에 자생하며(Lee, 2000), 수면 위 2-20 m 사이의 양지바른 곳에 주로 자라고 있다(Wonju Regional Environmental Office, 2006b). 또한 강원도 정선의 자병산과 삼척 덕항산 일대에도 자생하고 있음이 보고된 바 있다(Kim et al.
동강할미꽃은 무엇인가?
C. Lee)은 미나리아재비과(Ranunculaceae)의 한국 특산 희귀식물로 비교적 최근에 신종으로 발표되었다(Lee, 2000). 형태적으로는 할미꽃에 비해 꽃이 남보라색이고 분홍할미꽃에 비해서는 열매의 암술대가 꼿꼿이 선다는 점에서 차이가 난다(Lee, 2000).
동강할미꽃의 형태적인 특징은?
Lee)은 미나리아재비과(Ranunculaceae)의 한국 특산 희귀식물로 비교적 최근에 신종으로 발표되었다(Lee, 2000). 형태적으로는 할미꽃에 비해 꽃이 남보라색이고 분홍할미꽃에 비해서는 열매의 암술대가 꼿꼿이 선다는 점에서 차이가 난다(Lee, 2000). 또한 핵형에서도 5쌍의 중부염색체와 3쌍의 차단부염색체를 가지는 할미꽃이나 분홍할미꽃에 비해 동강할미꽃은 5쌍의 중부염색체, 2쌍의 차중부염색체 그리고 1쌍의 차단부염색체를 갖고 있음이 보고되었다(Lee et al.
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