[논문]ISSR 표지자를 이용한 느릅나무 자연집단의 유전변이 분석

안지영; 홍경낙; 이제완; 양병훈

doi:10.14578/jkfs.2013.102.4.560

ISSR 표지자를 이용한 느릅나무 자연집단의 유전변이 분석
Population Genetic Variation of Ulmus davidiana var. japonica in South Korea Based on ISSR Markers 원문보기

韓國林學會誌 = Journal of Korean Forest Society, v.102 no.4, 2013년, pp.560 - 565

안지영 (국립산림과학원 산림유전자원과) , 홍경낙 (국립산림과학원 산림유전자원과) , 이제완 (국립산림과학원 산림유전자원과) , 양병훈 (산림청 산림환경보호과)

초록
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국내의 느릅나무(Ulmus davidiana var. japonica) 집단에 대한 유전구조와 유전다양성을 분석하였다. 느릅나무 7개 자연집단, 171개체에 대하여 7개 ISSR 표지자를 이용하여 총45개의 다형적 증폭산물을 확인하였다. 유효대립인자와 다형적 유전자좌 비율의 평균값은 1.5개와 89%이었다. Shannon의 다양성 지수(I)가 0.435, 빈도주의 방법에 의한 이형접합도 기대치($H_e$)는 0.289, 베이즈 추정에 의한 이형접합도 기대치(hs)가 0.323으로 나타났다. AMOVA 분석에서 느릅나무 집단의 유전변이 중 4.2%가 집단간 차이(${\Phi}_{ST}=0.042$)에 기인하였으며, 95.8%를 집단내 개체들이 보유하고 있었다. 베이즈 추정에 의한 집단간 유전분화율(${\theta}^{II}$)은 0.043으로 나타났다. 국내 느릅나무 집단의 유전다양성은 다른 느릅나무속 수종과 유사한 수준에 해당하였으나, 집단간 유전분화 정도는 매우 낮았다. 베이즈 근사추정에서 집단별 고정지수(평균 $PS-F_{IS}=0.822$)나 집단 특이적 유전분화율(평균 $PS-F_{ST}=0.101$)에서 유의할 만한 차이를 보이는 집단은 없었다. 군집분석과 주성분분석에서 7개의 집단들을 3개 군집으로 나눌 수 있었으나, 두 방법의 군집 양상은 일치하지 않았다. 또한 베이즈 군집분석에서 집단간 유연관계와 지리적 분포의 상관성을 확인할 수 없었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Population genetic structure and diversity of Ulmus davidiana var. japonica in South Korea were studied using ISSR markers. A total of 45 polymorphic ISSR amplicons were cropped from 7 ISSR primers and 171 individuals of 7 populations. The average of effective alleles and the proportion of polymorphic loci were 1.5 and 89% respectively. The Shannon's diversity index (I) was 0.435 and the expected heterozygosity from the frequentist's method ($H_e$) and the Bayesian inference (hs) were 0.289 and 0.323 respectively. From AMOVA, 4.2% of total genetic variation in the elm populations was explained with the difference among populations (${\Phi}_{ST}=0.042$) and the other 95.8% was distributed within populations. The ${\theta}^{II}$ value by Bayesian method which was comparable to the FST was 0.043. So the level of genetic diversity in the elm populations was similar to that in Genus Ulmus and the level of genetic differentiation was lower than that of others. No population showed a significant difference in the population-specific fixation indices (average of $PS-F_{IS}=0.822$) or the population-specific genetic differentiations (average of $PS-F_{ST}=0.101$). Seven populations were allocated into 3 groups in the UPGMA and the PCA, but the grouping patterns were different. Also, we could not confirm any geographic trend from Bayesian clustering.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 식물종의 효과적인 유전자원 보존을 위해서는 해당 자원에 대한 유전변이 분포 정보가 필수요건중 하나이다(Kramer and Havens, 2009). 본 연구는 느릅나무 유전자원 보존을 위해 필요한 느릅나무 집단의 유전다양성과 유전구조를 ISSR 표지들을 이용하여 파악하고, 집단간 유연관계를 구명하고자 수행하였다.

가설 설정

043으로 추정되었다(Table 5). 베이즈 추론의 모델 선택에서 집단내 근친교배와 유전분화 발생을 가정한 Full 모델의 편차정보기준(DIC=1376.27)이 최소로 계산되어서 최적 모델로 선정하였다. Full 모델에서 입력자료의 정보량은 근친교배율(f; I_E=0.

제안 방법

300 bp에서 1,200 bp 범위 내에서 관찰된 증폭산물의 유무에 따라 ‘1’과 ‘0’으로 분석자료를 입력하였다.
PCR 반응용액은 15 μL당 5 ng template DNA, 1×reaction buffer, 0.375 μM primer, 각 0.1 mM dNTPs, 2mM MgCl2, 0.0025% BSA(Bovine serum albumin), 0.6Unit Taq DNA polymerase(KS-T0120, KisanBio, 한국)가 포함되도록 하였다.
국내에 분포하는 느릅나무 7개 집단(Figure 1)에서 집단별로 성목 20~30개체를 선정하고, 개체간 평균 50 m 간격을 띄우고 잎사귀를 채취하였다. 채취한 엽 시료를 마쇄한 후 DNeasy Plant Mini Kit(Qiagen, USA)를 이용하여 total DNA를 추출하였다.

대상 데이터

UBC ISSR 프라이머(UBC Primer Set No. 9, Biotechnology Laboratory in University of British Columbia)를 이용하여 재현성 검증 및 다형성 확인을 위한 예비 실험을 수행하고, 7개 프라이머(UBC #807, #810, #811, #812, #813, #814, #873)를 선정하여 느릅나무 집단의 유전분석에 사용하였다. PCR 반응용액은 15 μL당 5 ng template DNA, 1×reaction buffer, 0.
국내에 분포하는 느릅나무 7개 집단(Figure 1)에서 집단별로 성목 20~30개체를 선정하고, 개체간 평균 50 m 간격을 띄우고 잎사귀를 채취하였다. 채취한 엽 시료를 마쇄한 후 DNeasy Plant Mini Kit(Qiagen, USA)를 이용하여 total DNA를 추출하였다.
느릅나무 7개 집단을 대상으로 선정된 7개 ISSR 프라이머를 이용하여 얻어진 다형적 증폭산물의 총 수는 45개였다. 유효 대립유전자 수(N_e)는 평균 1.

데이터처리

, 2008)을 사용하였다. Nei의 유전적 거리를 이용한 군집분석은 Phylip v1.1 프로그램(Felsenstein, 1993)을 이용하였고, 베이즈 군집분석은 STRUCTURE v2.3 프로그램(Pritchard et al., 2000)을 이용하였다.
다형적 유전자좌 비율을 비롯한 유전통계량은 GeneAlEx 6.41 프로그램(Peakall and Smouse, 2006)을 이용하여 계산하였다. 집단 간 유전분화 정도를 분석하기 위해 AMOVA(Analysis of molecular variance)를 수행하였고, 지리적 거리와 유전적 거리의 상관성을 판단하기 위하여 Mantel 검정을 실시하였다.
베이즈 추론에 따라 집단 내 평균 이형접합체 빈도(hs), 근친교배 정도와 집단간 유전적 분 화인 f와 θII값을 HICKORY v1.1 프로그램(Holsinger et al., 2002)을 사용하여 계산하였다.
, 2002)을 사용하여 계산하였다. 베이즈 추론에 따른 각 집단별 FIS 및 FST 값을 구하기 위해 ABC4F 프로그램(Foll et al., 2008)을 사용하였다. Nei의 유전적 거리를 이용한 군집분석은 Phylip v1.
41 프로그램(Peakall and Smouse, 2006)을 이용하여 계산하였다. 집단 간 유전분화 정도를 분석하기 위해 AMOVA(Analysis of molecular variance)를 수행하였고, 지리적 거리와 유전적 거리의 상관성을 판단하기 위하여 Mantel 검정을 실시하였다. 베이즈 추론에 따라 집단 내 평균 이형접합체 빈도(hs), 근친교배 정도와 집단간 유전적 분 화인 f와 θ^II값을 HICKORY v1.

성능/효과

AMOVA 결과에서 느릅나무 집단에 분포하는 전체 유전변이의 4.2%(ΦST=0.042)는 집단간 차이에 기인한 것이며, 나머지 95.8%의 유전변이는 집단 내 개체 간 차이에 의한 것으로 나타났다(Table 4).
그러나 ISSR 표지자를 이용한 국내 느릅나무 집단간 유전분화정도는 ΦST=0.042와 θII=0.043로 나타난 것에 비해 동위효소와 nSSR 표지 자를 사용한 느릅나무속 수종들의 집단간 유전분화정도 (GST)는 0.062 이상으로 나타나서, 표지자가 다른 것을 감안하더라도, 느릅나무는 다른 느릅나무 속 수종들에 비해 유전분화가 적은 것으로 판단되었다.
451개로 가장 적 었다. 다형적 유전자좌의 비율(P)은 평균 88.9%로 완주 집단이 84.4%로 가장 낮았고 봉화와 정선 집단이 각 93.3%로 가장 높게 나타났다. Shannon의 다양성 지수(I)의 평균은 0.
75) 추정에서 더 높게 나타나서 Full 모델이 유전분화모수 추정에 더 유용한 것으로 판단된다. 베이즈 방법에 의한 각 집단별 FST값은 완주 집단이 0.137로 가장 높은 집단 특이적인 분화 값을 보였으며, 봉화 집단이 0.059로 가장 작은 값을 보이고 있으나, 95% 신뢰구간에서 차이가 없어서 우리나라에서 유전적으로 심하게 고립되었거나 독특한 자연선택(selection)을 겪는 느릅나무 집단은 없는 것으로 판단되었다(Table 2).
, 2000)에 식재된 베이즈 추론은 메타집단의 지리적 위치를 반영하지 않기 때문에 근거리 집단이 다른 군집으로 또는 원격지 집단이동일 군집에 속할 수 있으며, 이러한 경우에 생물학적 해석에 어려움이 있다. 본 연구의 2개 군집으로는 느릅나무 집단들의 지리적 분포와 유연관계를 설명할 수 없었으며, 언급한 Mantel 검정 결과에서도 확인된 이러한 불일치는 군집수를 증가시켜서도 개선할 수 없었다(data not shown).
우성인 ISSR 표지자와 공우성인 nSSR 표지자를 사용한 연구결과의 메타분석(Nybom, 2004)에서는 ISSR 표지자에 의해 추정된 유전다양성 평균값이 nSSR 표지자에 의해 추정값의 1/3정도로 낮게 나타났다. 즉, ISSR 표지자에서 유전다양성 수치는 일반적으로 nSSR 표지자에 비해 적고, RAPD 표지자와 유사하며, 동위효소 표지자에 의한 추정 값 보다는 높다. 이러한 경향을 고려하면 우리나라 느릅나무의 유전다양성 수치(ISSR, H_e=0.
UPGMA 분석에서 산청 집단이 다른 집단들과 구분되는 것으로 나타났고, 단양-봉화-영양 집단이 하나의 그룹을 이루고 정선-완주-청도 집단이 다른 하나의 그룹을 이루고 있다(Figure 2). 집단들 간 유전적 거리와 지리적 거리의 상관관계를 Mantel 검정 한 결과 95%수준에서 통계 적으로 유의하지 않았으나(r=-0.333, P=0.062), 유전적 거리를 기초로 주성분분석(PCA)을 수행한 결과 전체 변이의 77.8%를 3개 주성분으로 설명할 수 있는 것으로 나타났다(Figure 3; PC 1=38.5%, PC 2=20.5%, PC 3=18.8%). 7개 집단은 제1, 제2주성분의 분포도에서 3개 그룹으로 나눌 수 있었는데(Figure 3), 위도 36도 이남의 산청 그룹, 36도선의 완주-청도 그룹, 37도 부근의 봉화 등 4집단이 속한 그룹으로 구분되었다.
, 2006)에 비해 느릅나무의 유전분화정도는 작은 것으로 나타났다. 표지자가 다른 것을 감안하더라도 국내 느릅나무의 유전분화정도는 참나무류 수종들과 유사한 유전분화정도를 갖고 있으며, 다른 낙엽활엽교목 수종들에 비해서는 작은 것으로 나타났다(Table 3). 유전다양성과 유전분화정도는 대상 종의 생활사 및 교배양식과 관계가 있는 것으로 나타난 바 있고(Nybom and Bartish, 2000), 대부분의 임목 수종과 같이 다년생의 생활사를 갖고 풍매에 의한 타가교 배가 주를 이루어지는 경우 유전다양성이 높고 유전분화 정도는 작았다(Nybom, 2004).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	느릅나무란?	느릅나무(Ulmus davidiana var. japonica)는 느릅나무과 (Ulmaceae)에 속하는 자웅동주의 낙엽활엽교목으로 3-4월에 꽃이 피고, 4-5월에 시과가 익는다. 느릅나무과 수목들은 바람에 의해 수분을 하고 주로 천연하종으로 갱신되는데 맹아 번식도 가능하며, 2n=28의 염색체형을 갖는다.
	느릅나무과 수목의 염색체형은?	japonica)는 느릅나무과 (Ulmaceae)에 속하는 자웅동주의 낙엽활엽교목으로 3-4월에 꽃이 피고, 4-5월에 시과가 익는다. 느릅나무과 수목들은 바람에 의해 수분을 하고 주로 천연하종으로 갱신되는데 맹아 번식도 가능하며, 2n=28의 염색체형을 갖는다. 세계적으로 느릅나무 속에는 약 30수종이 알려져 있으며, 이중 아시아지역에 20종이 분포하고 있으며 우리나라에는 7수종이 보고되어있다(Kim, 1996).
	ISSR 표지자의 한계점은?	, 2002). 그러나 중합효소반응(PCR; Polymerase chain reaction)에서 우성의 표현 형을 나타내서 정확한 유전자형 정보를 확보할 수 없고, 근친교배 정도나 대립유전자 빈도의 추정에 제약이 있다 (Ouborg et al., 1999).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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