오대산 물황철나무(Populus koreana) 집단의 유전다양성 및 공간적 유전구조 분석 Genetic Diversity and Spatial Genetic Structure of Populus koreana Population in Mt. Odae, Korea원문보기
본 연구에서는 물황철나무(Populus koreana Rehder) 집단을 대상으로 I-SSR 표지자를 이용해 유전다양성과 유전적 공간구조를 분석하였다. 물황철나무는 중국, 러시아 극동지역과 북한의 고산 계곡부 등에 서식하는 낙엽활엽 교목이다. 물황철나무는 남한에서 강원도 일대에 제한적으로 분포한다. 특히 오대산 집단은 물황철나무의 남방한계지로서 유전자원보존의 중요성이 강조된다. 8개의 I-SSR primer로 유전다양성을 추정한 결과, Shannon의 다양성 지수(I)는 0.230, 이형접합도의 기대치(He)는 0.151로 유사한 생활사를 갖는 타 수종에 비해 유전다양성이 매우 낮게 나타났다. 유전적 군락을 확인하기 위해 공간적 자기상관성 분석을 수행한 결과, 조사 지역 내의 물황철나무 집단은 400 m 이내에서 유전적으로 유사한 군락구조를 갖고 있는 것으로 나타났다. 물황철나무 집단의 현지외 유전자 보존을 위한 표본추출 시, 개체 간 거리를 400 m 이상으로 두는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
본 연구에서는 물황철나무(Populus koreana Rehder) 집단을 대상으로 I-SSR 표지자를 이용해 유전다양성과 유전적 공간구조를 분석하였다. 물황철나무는 중국, 러시아 극동지역과 북한의 고산 계곡부 등에 서식하는 낙엽활엽 교목이다. 물황철나무는 남한에서 강원도 일대에 제한적으로 분포한다. 특히 오대산 집단은 물황철나무의 남방한계지로서 유전자원보존의 중요성이 강조된다. 8개의 I-SSR primer로 유전다양성을 추정한 결과, Shannon의 다양성 지수(I)는 0.230, 이형접합도의 기대치(He)는 0.151로 유사한 생활사를 갖는 타 수종에 비해 유전다양성이 매우 낮게 나타났다. 유전적 군락을 확인하기 위해 공간적 자기상관성 분석을 수행한 결과, 조사 지역 내의 물황철나무 집단은 400 m 이내에서 유전적으로 유사한 군락구조를 갖고 있는 것으로 나타났다. 물황철나무 집단의 현지외 유전자 보존을 위한 표본추출 시, 개체 간 거리를 400 m 이상으로 두는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
This study describes analysis of genetic diversity and spatial genetic structure of Korean poplar (Populus koreana Rehder) in Mt. Odae using I-SSR markers. P. koreana is a deciduous broad-leaved tree species that primarily grows in the alpine valleys of China, Russia and North Korea. In South Korea,...
This study describes analysis of genetic diversity and spatial genetic structure of Korean poplar (Populus koreana Rehder) in Mt. Odae using I-SSR markers. P. koreana is a deciduous broad-leaved tree species that primarily grows in the alpine valleys of China, Russia and North Korea. In South Korea, P. koreana is found limitedly in Gangwon province. Especially, the population in Mt. Odae is located on the southern limit line, its importance is emphasized from the genetic resource conservation perspective. The Shannon's diversity (I=0.230) and the expected heterozygosity (He=0.151) were relatively low as compared with those of other plant species. Spatial autocorrelation analysis using Tanimoto's distance showed that the genetic patch was founded within 400 m. It is suggested that individual trees for ex situ conservation should be sampled with a minimum distance of 400 m between trees.
This study describes analysis of genetic diversity and spatial genetic structure of Korean poplar (Populus koreana Rehder) in Mt. Odae using I-SSR markers. P. koreana is a deciduous broad-leaved tree species that primarily grows in the alpine valleys of China, Russia and North Korea. In South Korea, P. koreana is found limitedly in Gangwon province. Especially, the population in Mt. Odae is located on the southern limit line, its importance is emphasized from the genetic resource conservation perspective. The Shannon's diversity (I=0.230) and the expected heterozygosity (He=0.151) were relatively low as compared with those of other plant species. Spatial autocorrelation analysis using Tanimoto's distance showed that the genetic patch was founded within 400 m. It is suggested that individual trees for ex situ conservation should be sampled with a minimum distance of 400 m between trees.
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문제 정의
따라서 본 연구는 물황철나무의 오대산 자생집단을 대상으로 I-SSR 표지자를 이용해 유전다양성 및 공간구조를 분석하고자 하였다. 이에 따른 결과는 물황철나무 현지내·외 보존대책 수립과 체계적 관리방안을 마련하는데 있어 중요한 기초정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구는 오대산 물황철나무 집단의 유전다양성과 공간적 유전구조를 분석하여 유전변이량을 산출하고 그 원인을 추정하며, 현지외 유전자원 보존을 위한 표본추출 전략을 제시하기 위해 수행되었다. 오대산 물황철나무 집단을 대상으로 유전다양성을 평가한 결과, 유사한 생활사를 갖는 타 수종들에 비해 유전다양성이 매우 낮게 나타났다.
제안 방법
잎 시료로부터 QIAGEN DNeasy Tissue kit(Qiagen, USA)를 이용해 total DNA를 추출하였다. I-SSR 분석을 위해 UBC(University of British Columbia)에서 제작된 primer 중 재현성이 우수하고, 개체간다형성(polymorphism)을 보이며, 증폭된 band가 선명하고 구분이 용이한 8개의 primer를 본 실험에 사용하였다(Table 1).
증폭산물은 2.0% agarose gel에 180 V의 전압으로 60분 동안 전기영동한 후, UV trans-illuminator 상에서 촬영하여 밴드의 존재 유무를 판정하였으며 이를 각각 ‘1’과 ‘0’으로 표시해 data matrix를 작성하였다.
대상 데이터
잎 시료로부터 QIAGEN DNeasy Tissue kit(Qiagen, USA)를 이용해 total DNA를 추출하였다. I-SSR 분석을 위해 UBC(University of British Columbia)에서 제작된 primer 중 재현성이 우수하고, 개체간다형성(polymorphism)을 보이며, 증폭된 band가 선명하고 구분이 용이한 8개의 primer를 본 실험에 사용하였다(Table 1).
공시재료는 강원도 평창군 진부면 오대산 상원사 지역(북위 37°47' 동경 128°33')에 분포하는 물황철나무 집단을 대상으로 하였다.
물황철나무는 분석 대상 지역에서 울폐된 숲의 안쪽이나 건조한 사면부에는 거의 분포하지 않았으며, 주로 광조건이 양호한 계곡을 중심으로 분포하고 있었다. 따라서 본 연구에서는 계곡 주변의 임도를 중심으로 최소 15 m 이상의 거리를 유지하며 51개체의 공시목을 선정하여 잎 시료를 채취하였다(Figure 1).
데이터처리
, 1999)을 이용하여 다형성 유전자좌의 비율(percentage of polymorphic loci; P), 이형접합도 기대치(expected heterozygosity; He), Shannon의 다양성지수(I)등을 계산하였다. 유전적 공간구조를 구명하기 위해 개체 간 Tanimoto distance를 이용해 공간적 자기상관분석(spatial autocorrelation)을 수행하였다. 200 m 거리간격으로 Distogram을 작성하였으며, SGS version 1.
따라서 본 연구에서는 Hardy-Weinberg의 평형 가정하에서 열성동형접합체의 빈도를 이용하여 대립유전자의 빈도를 추정하였다. 집단의 유전다양성을 추정하기 위해 POPGENE version 1.31 program(Yeh et al., 1999)을 이용하여 다형성 유전자좌의 비율(percentage of polymorphic loci; P), 이형접합도 기대치(expected heterozygosity; He), Shannon의 다양성지수(I)등을 계산하였다. 유전적 공간구조를 구명하기 위해 개체 간 Tanimoto distance를 이용해 공간적 자기상관분석(spatial autocorrelation)을 수행하였다.
이론/모형
I-SSR은 우성표지지로서 표현형적으로 우성인 대립유전자를 갖는 동형접합체와 이형접합체의 구분이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 Hardy-Weinberg의 평형 가정하에서 열성동형접합체의 빈도를 이용하여 대립유전자의 빈도를 추정하였다. 집단의 유전다양성을 추정하기 위해 POPGENE version 1.
성능/효과
170로 계산되었다. 500회의 permutation 분석에 의해 형성된 신뢰구간에 대해 유의성을 판별한 결과, 95%의 유의수준에서 400 m 이내에 분포하는 개체 간 유전적 동질성이 나타나 자기상관성이 인정되었으며, 그 이상 떨어진 개체들 간에는 임의분포하는 것으로 나타났다(Figure 2).
공간적 자기상관성 분석 결과, Tanimoto의 유전거리는 평균 0.170로 계산되었다. 500회의 permutation 분석에 의해 형성된 신뢰구간에 대해 유의성을 판별한 결과, 95%의 유의수준에서 400 m 이내에 분포하는 개체 간 유전적 동질성이 나타나 자기상관성이 인정되었으며, 그 이상 떨어진 개체들 간에는 임의분포하는 것으로 나타났다(Figure 2).
, 2003). 따라서 물황철나무 보존을 위한 표본추출 전략 수립 시 물황철나무의 종자산포 및 생태적 특성과 함께 유전구조를 고려하여 최소 400 m 이상의 거리를 두는 것이 바람직할것으로 판단된다.
물황철나무 유전변이 분석에 사용된 8개의 I-SSR primer에서 총 77개의 증폭산물이 관찰됐으며, primer 당 평균 4.5개의 다형적 증폭산물을 얻을 수 있었다(Table 1). 유전다양성을 추정한 결과, 다형적 유전자좌 비율(P)은 46.
이와 더불어 환경변화에 따른 개체군 축소에 대비하여 집단을 대표할 만한 유전변이를 보유한 개체를 선발함으로서 집단이 보유하는 유전다양성을 유지할 수 있도록 현지외 보존대책이 강구되어야 한다. 본 연구에서 물황철나무 집단의 공간적 유전구조를 분석한 결과, 약 400 m 이내에서 유전적으로 유사한 군락구조가 형성되었다. 그러므로 현지외 보존을 위한 표본 추출 시, 이를 개체 간 최소거리로 설정한다면 유전다양성을 보존하는데 유리할 것으로 사료된다.
230으로 나타났다(Table 2). 오대산 물황철나무 집단은 유사한 생태적, 생활사적 특성을 보이는 다른 종들에 비해서 유전변이가 낮음을 알 수 있었다. 즉, 다년생 종(He =0.
본 연구는 오대산 물황철나무 집단의 유전다양성과 공간적 유전구조를 분석하여 유전변이량을 산출하고 그 원인을 추정하며, 현지외 유전자원 보존을 위한 표본추출 전략을 제시하기 위해 수행되었다. 오대산 물황철나무 집단을 대상으로 유전다양성을 평가한 결과, 유사한 생활사를 갖는 타 수종들에 비해 유전다양성이 매우 낮게 나타났다. 주원인으로는 물황철나무의 지리적 분포특성이 작용한 것으로 판단되며, 이로 인한 유전자 교류 제한 등 유전변이량이 감소하는 방향으로의 진화적 사건들을 겪은 것으로 보인다.
5개의 다형적 증폭산물을 얻을 수 있었다(Table 1). 유전다양성을 추정한 결과, 다형적 유전자좌 비율(P)은 46.75%, 이형접합도 기대치(He)는 0.151, Shannon의 다양성 지수는 0.230으로 나타났다(Table 2). 오대산 물황철나무 집단은 유사한 생태적, 생활사적 특성을 보이는 다른 종들에 비해서 유전변이가 낮음을 알 수 있었다.
오대산 물황철나무 집단은 유사한 생태적, 생활사적 특성을 보이는 다른 종들에 비해서 유전변이가 낮음을 알 수 있었다. 즉, 다년생 종(He =0.250), 제한된 분포역을 갖는 종(0.280), 타가수정에 의해 번식하는 종(0.270), 바람 또는 물에 의해 종자비산이 이루어지는 종(0.270)들의 평균값(Nybom, 2004)과 비교했을 때 모두 낮은 값을 보였다. 또한 물황철나무와 동일 절(section)에 속하는 P.
후속연구
본 연구는 오대산 물황철 나무 집단의 보존을 위해 수행된 첫 유전학적 결과이며, 아직까지 생태적 요인들에 관한 연구는 부재하다. 보다 장기적이고 효율적인 보존전략 제시를 위해서는 물황철나무의 성 간 생태특성에 대한 번식연구와 종자생리, 집단내 연령구조 및 후계림 가능성 등에 대한 인구통계학적 연구가 반드시 병행되어야 할 것이다.
, 2008), 일반적으로 유전변이량이 적은 집단은 생장율, 번식력, 면역기능 등 생태특성이 취약해 환경변화에 대한 적응력이 낮다. 본 연구를 통해 평가된 물황철나무의 유전다양성은 매우 낮은 값으로 주로 서늘한 서식지를 선호하는 종의 특성을 고려해 볼 때, 기후변화 등 앞으로의 환경변화에 매우 취약할 것으로 판단된다.
이에 따른 결과는 물황철나무 현지내·외 보존대책 수립과 체계적 관리방안을 마련하는데 있어 중요한 기초정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유전다양성을 통해 무엇을 예측할 수 있는가?
, 2008). 유전다양성은 종의 생존 및 적응에 있어 매우 중요한 요소로 유전통계량 산출을 통해 집단의 유전 변이를 추정하고 환경변화에 대한 집단의 회복력을 예측할 수 있다(Lande and Shannon, 1996; Reed and Frankham, 2003). 식물은 종에 따라 또는 종 내 지리적 위치에 따라 독특한 공간적 유전구조를 형성한다.
물황철나무의 서식지는?
물황철나무(Populus koreana Rehder, Korean poplar)는 버드나무과(Salicaceae) Populus에 속하는 낙엽활엽교목으로서 중국, 러시아 극동지역과 북한의 고산 계곡부 등에 서식한다. 높이가 25 m, 지름이 1 m에 달하고, 개화기는 5월로 꼬리모양 꽃차례의 암꽃과 수꽃이 서로 다른 개체에 달리는 자웅이주(dioecy) 번식체계를 갖는다.
물황철나무의 개화 특징은?
물황철나무(Populus koreana Rehder, Korean poplar)는 버드나무과(Salicaceae) Populus에 속하는 낙엽활엽교목으로서 중국, 러시아 극동지역과 북한의 고산 계곡부 등에 서식한다. 높이가 25 m, 지름이 1 m에 달하고, 개화기는 5월로 꼬리모양 꽃차례의 암꽃과 수꽃이 서로 다른 개체에 달리는 자웅이주(dioecy) 번식체계를 갖는다. 삭과의 열매는 6월에 익으며 바람 및 물을 통해 분산된다(Lee, 2006).
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