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문제 정의
- 본 연구에서는 전나무의 현지내 유전자원 보전전략 수립을 위한 기초 자료를 제공하기 위하여, ISSR 표지를 이용하여 우리나라에 분포하는 전나무 자연집단의 유전다양성과 유전분화량을 구명하였다.
제안 방법
- PCR 증폭산물은 2% agarose gel에서 전기영동 하였다. ISSR band의 존재 유무에 따라 입력 자료를 정리하고, 유전통계 분석에 이용하였다.
- PCR 반응용액은 10 ng total DNA, 0.6U Taq DNA polymerase (KisanBio, KS-T0120), 1X reaction buffer, 각 0.1 mM dNTPs, 0.0025% BSA, 1.5 mM MgCl2, 0.375 µM ISSR primer를 첨가하여 총 20 µL로 조성하였다.
- PCR 실행은 ISSR primer의 GC 함량에 따라 결합온도를 50~54℃에서 조정하였으며, 94℃에서 5분간 초기 변성시킨 후, 94℃ 30초, 50~54℃ 30초, 72℃ 60초의 과정을 44회 반복하고, 72℃에서 10분간 최종 증폭시켰다. PCR 증폭산물은 2% agarose gel에서 전기영동 하였다.
- 채취된 침엽 시료에서 DNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, USA)를 이용하여 total DNA를 추출하였다. PCR 반응용액은 10 ng total DNA, 0.
대상 데이터
- 375 µM ISSR primer를 첨가하여 총 20 µL로 조성하였다. 예비실험에서 재현성이 우수하고 다형성을 보이는 6개 primer(#813, #815, #820, #824, #840, #857; UBC Primer Set No. 9, Biotechnology Laboratory in University of British Columbia)를 선발하여 본 실험에 사용하였다.
- 조사지는 강원도 인제, 홍천, 평창, 경상북도 문경, 청도, 전라북도 남원 등 국내 자생하는 6개 전나무 집단을 선정하였으며(Figure 1), 집단내 시료채취는 개체목간의 간격을 최소 30 m 이상을 유지하며 집단당 20개체에서 침엽을 채취하였다.
데이터처리
- 또한 AMOVA 분석으로 집단간 유전변이량(ϕST)과, 베이즈 추론의 최적 모델을 근거로 한 유전분화 수치(θII, GST)를 추정하였으며, Mantel test로 집단간 지리적 거리와 유전적 거리에 따른 상관관계를 검증하였다.
- 유효대립유전자 수(Ae), 이형접합도 기대치(He), Shannon의 유전다양성지수(I), 그리고 베이즈 추론을 근거로 한 이형접합도 기대치(hs)등 집단별 유전다양성을 GenAlExv6.41(Peakall and Smouse, 2006), Hickory(Holsinger et al., 2002) 및 ABC4F 프로그램(Foll et al., 2008)을 이용하여 계산하였다. 또한 AMOVA 분석으로 집단간 유전변이량(ϕST)과, 베이즈 추론의 최적 모델을 근거로 한 유전분화 수치(θII, GST)를 추정하였으며, Mantel test로 집단간 지리적 거리와 유전적 거리에 따른 상관관계를 검증하였다.
- 또한 AMOVA 분석으로 집단간 유전변이량(ϕST)과, 베이즈 추론의 최적 모델을 근거로 한 유전분화 수치(θII, GST)를 추정하였으며, Mantel test로 집단간 지리적 거리와 유전적 거리에 따른 상관관계를 검증하였다. 집단간 유연관계를 구명하기 위하여 Nei의 유전적 거리를 이용한 주성분분석과 UPGMA 방법으로 군집분석을 실시하였으며, STRUCTURE 프로그램(Pritchard et al., 2000)을 이용하여 베이즈 군집분석과 군집별 개체의 할당 비율을 확인하였다.
이론/모형
- 1%)이 설명하였으며, UPGMA 분석과 마찬가지로 제1주성분을 기준으로 남원-청도-문경 집단의 제1군집과 인제-홍천-평창 집단이 속한 제2군집으로 구분되었으며, 문경 집단의 경우 제1군집에 속하지만 남원과 청도 집단과 유전적 거리가 상대적으로 크게 나타났다(Figure 3). 베이즈 군집 분석을 위한 최적군집수는 Evanno 등(2005)의 방법에 따라서 2개 군집으로 계산되었으며, 최적군집수(K=2) 조건에서 남원-문경 집단의 제1군집과 청도-홍천-평창-인제 집단이 속한 제2군집으로 배정되었다(Table 4).
성능/효과
- 따라서 국내 전나무 집단의 현지내 보존 집단을 선정하는데 있어서 유전형상이 다른 각각의 상위 군집에서 유전다양성의 높은 집단을 선정하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 결과적으로 국내 전나무 집단은 군집분석에서 남원-문경-청도 집단이 속한 제1군집과 홍천-평창-인제 집단이 속한 제2군집으로 유전형상이 구분되며, 각 군집에서는 남원 집단과 인제 집단에서 가장 높은 유전다양성이 확인되어, 국내 전나무 집단의 유전다양성과 유전구조를 근거로 판단하였을 때, 남원 집단과 인제 집단이 현지내 보존집단으로 우선 고려될 수 있다. 아울러 산림유전자원의 현지내 보존 집단의 선정에서는 유전다양성이나 생물종 분포, 대상종의 생육 상태 등 생물학적 가치뿐 아니라 경관적 가치나 현지내 보존을 위한 관리 여건 등의 무생물적 요소도 중요한 판단기준으로 감안해야 할 것이므로(Palsboll et al.
- 생물다양성 보존과 지속가능한 이용을 위한 현지내 보존집단을 선정하는데 있어서, 수종이 보유하고 있는 유전변이의 분포양상과 정도를 적절히 보존하기 위해서는 유전다양성 지수의 고려뿐 아니라 유전형상이 다른 상위 군집 수준에서 현지내 보존 집단을 선정하는 것이 중요하다(Rossetto, 2006). 따라서 국내 전나무 집단의 현지내 보존 집단을 선정하는데 있어서 유전형상이 다른 각각의 상위 군집에서 유전다양성의 높은 집단을 선정하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 결과적으로 국내 전나무 집단은 군집분석에서 남원-문경-청도 집단이 속한 제1군집과 홍천-평창-인제 집단이 속한 제2군집으로 유전형상이 구분되며, 각 군집에서는 남원 집단과 인제 집단에서 가장 높은 유전다양성이 확인되어, 국내 전나무 집단의 유전다양성과 유전구조를 근거로 판단하였을 때, 남원 집단과 인제 집단이 현지내 보존집단으로 우선 고려될 수 있다.
- 90%로 나타나서 두 경우에 차이가 없었다(Table 2). 따라서 우리나라 전나무 집단은 빈도주의 분석법에 따라 남원, 문경 청도 집단의 한 군집과 홍천 평창 인제 집단이 속한 군집의 유전형상이 다른 2개의 상위 군집으로 구분되는 것이 보다 타당한 것으로 판단된다.
- 또한 빈도주의 분석법으로 확인된 군집과 베이즈 군집분석(data not shown)으로 확인된 군집을 ‘지역’으로 설정하고, 개체-집단-지역의 세 수준의 AMOVA 분석에서 전체 변이량중 지역간 차이는 3.90%로 나타나서 두 경우에 차이가 없었다(Table 2).
- 295로 빈도주의 분석과 유사한 수준이었다(Table 1). 빈도주의 통계와 베이즈 추론에서 확인된 유전다양성은 유사한 경향을 보이며, 집단의 유전 다양성은 인제 집단을 포함한 남원, 청도집단이 비교적 높고, 문경, 평창, 홍천 집단에서 낮은 경향을 보였으나 집단간에 유의한 차이는 없었다.
- 전나무 6개 집단에 대한 AMOVA 분석 결과 전체 유전변이의 94.4%는 집단내 개체간 차이에 기인하며, 집단간 차이는 5.6%로 나타났다(Table 2). 베이즈 추론을 이용한 전나무의 유전구조 구명에서 최적 모델은 편차정보기준(DIC)이 가장 낮은 경우로써 근친교배와 유전분화를 모두 가정한 Full 모델이었다.
- 전나무 집단의 유전변이 분석에 사용된 6개의 ISSR primer에서 총 38개의 band를 확인하였으며, 이 중 다형성 ISSR band는 30개로 primer당 평균 5.0개의 다형성 증폭 산물이 확인되었다. 집단별 다형성 유전자좌의 비율(%P)은 평균 85.
- 전나무 집단의 평균 유전다양성은 유효대립인자 수(Ae)가 1.5개, 이형접합도 기대치(He)는 0.288, Shannon의 유전다양성 지수(I)는 0.429, 집단별 다형성 유전자좌의 비율(%P)은 85.6%, 베이즈 추론의 이형접합체 빈도(hs)가 0.295로 확인되었다. 수목에서의 유전변이는 생육기간, 교배양식을 비롯하여 유전자 이동에 영향을 미치는 종자 비산 및 화분 산포 특성, 분포지 환경과 천이단계 등 생태적 특성과 관계가 있는 것으로 알려져 있다(Hamrick et al.
- 전나무의 집단간 지리적 거리와 유전적 거리간에 상관성이 있으며, UPGMA 군집분석뿐 아니라 주성분분석에서도 남원-청도-문경 집단의 제1군집과 인제-홍천-평창 집단의 제2군집으로 구분되어 집단의 유전적 근연성과 지리적 근접성이 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 베이즈 군집 분석에서는 이와 다른 군집 구조가 확인되었다.
- UPGMA 분석에서도 남원-청도-문경 집단의 제1군집과 인제-홍천-평창 집단의 제2군집으로 구분되어 집단의 유전적 관계에 따른 지리적 분포를 보여주고 있다(Figure 2). 주성분 분석에서는 전체 변이의 85.5%를 상위 3개 주성분(PC1=45.1%, PC2=24.3%, PC3=16.1%)이 설명하였으며, UPGMA 분석과 마찬가지로 제1주성분을 기준으로 남원-청도-문경 집단의 제1군집과 인제-홍천-평창 집단이 속한 제2군집으로 구분되었으며, 문경 집단의 경우 제1군집에 속하지만 남원과 청도 집단과 유전적 거리가 상대적으로 크게 나타났다(Figure 3). 베이즈 군집 분석을 위한 최적군집수는 Evanno 등(2005)의 방법에 따라서 2개 군집으로 계산되었으며, 최적군집수(K=2) 조건에서 남원-문경 집단의 제1군집과 청도-홍천-평창-인제 집단이 속한 제2군집으로 배정되었다(Table 4).
- 집단간 지리적 거리와 유전적 거리를 비교한 Mantel 검증에서 두 인자간에 상관성이 나타나서(r=0.74, P < 0.05), 집단간 지리적 거리가 멀수록 유전적으로 상이한 집단이 분포하는 것으로 판단된다.
- 0개의 다형성 증폭 산물이 확인되었다. 집단별 다형성 유전자좌의 비율(%P)은 평균 85.6%로 남원 집단과 청도 집단이(90.0%)이 가장 높고, 문경 집단(80.0%)이 가장 낮게 조사되었다(Table 1). 유전변이량은 평균 유효 대립유전자 수(Ae)가 1.
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