[논문]엽록체 DNA 바코드 분석을 통한 한국산 두릅나무과 식물 14종의 유연관계 분석

황환수; 최용의

doi:10.5010/jpb.2016.43.1.82

엽록체 DNA 바코드 분석을 통한 한국산 두릅나무과 식물 14종의 유연관계 분석
Phylogenetic analysis of 14 Korean Araliaceae species using chloroplast DNA barcode analysis 원문보기

Journal of plant biotechnology = 식물생명공학회지, v.43 no.1, 2016년, pp.82 - 90

황환수 (강원대학교 산림환경과학대학 산림자원학과) , 최용의 (강원대학교 산림환경과학대학 산림자원학과)

초록
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한국에 분포하는 두릅나무과 식물 대부분은 중요한 약용 식물로 경제적인 가치가 크다. 본 연구는 분자적 방법인 엽록체 DNA 바코드 염기서열 분석을 통해 한국에 자생하고 있는 두릅나무과 식물 14종 전체의 속 및 종간 유연관계를 파악해 보고 이를 구별할 수 있는 마커를 개발하기 위해 수행되었다. 국제 생물 DNA 바코드 컨소시엄(CBOL, the Consortium for the Barcode of Life)이 DNA barcoding marker로 제안한 엽록체 DNA 7영역의 염기서열을 분석한 결과, psbA-trnH영역에서 가장 많은 삽입, 결실 및 염기치환이 나타났으며 조사된 한국의 두릅나무과 식물 14종 모두 구분 될 수 있었다. 또한 각각의 영역에서 특정 속과 종만이 지니는 특이적인 염기서열을 찾을 수 있었다. 인삼의 경우 중국삼과 한국삼의 염기서열에는 차이가 전혀 없었다. 7영역을 모두 유합하여 작성한 계통수에서는 통탈목이 특이성을 나타내며 가장 기부에 분계조를 형성하였다. 두릅나무속과 인삼속은 자매군을 형성하였고, 오갈피속 5 종 역시 서로 높은 유연관계를 나타내었다. 결론적으로 한국에 자생하는 14종의 두릅나무과 식물들이 모두 엽록체 DNA 바코드 마커 개발을 통해 동정이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most Araliaceae plant species distributed in Korea are economically important because of their high medicinal values. This study was conducted to develop barcode markers from sequence analysis of chloroplast DNA in 14 taxa of Araliaceae species grown in South Korea. Sequencing of seven chloroplast DNA regions was performed to establish the DNA barcode markers, as suggested by the Consortium for the Barcode of Life (CBOL). From the sequence analysis of chloroplast DNA, we identified specific sequences and nucleotides that allowed us to discriminate among each other 14 Korean Araliaceae species. The sequence in the region of psbA-trnH revealed the most frequent DNA indels and substitutions of all 7 regions studied. This psbA-trnH marker alone can discriminate among all 14 species. There are no differences between Korean and Chinese Panax ginseng in all seven sequenced chloroplast DNA regions. A phylogenetic tree constructed using the seven chloroplast DNA regions revealed that Tetrapanax papyriferus should be classified as an independent clade. The Aralia and Panax genera showed a close phylogenetic relationship. Five species in the Eleutherococcus genus were more closely related to Kalopanax septemlobus than to any Panax species.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1997). 하지만 CBOL에서 엽록체 DNA barcoding marker로 제안한 7가지 영역 모두에 대한 두릅나무과 식물의 연구는없었기에, 본 연구에서는 한국에 자생하는 두릅나무과식물 14종 모두를 재료로 하여 식물 DNA 바코드 부위 염기서열 분석을 통해 속 및 종을 명확하게 구별할 수 있는marker nucleotide 및 DNA marker를 개발하고자 하였다.

제안 방법

수집된 두릅나무과(Araliaceae) 식물 14종에서 DNA를 분리하고 엽록체 DNA에 존재하는 7개의 바코드 영역(atpF-atpH,matK, psbA-trnH, psbK-psbI, rbcL, rpoB 및 rpoC1)을 PCR증폭한 후 염기서열을 분석하였다. 7개 영역 각각의 sequence크기 및 G+C 함량을 분석한 결과는 Table 3과 같다.

대상 데이터

이 연구에 사용된 14종의 두릅나무과(Araliaceae) 식물들은 자생지에서 직접 채집된 생체 재료를 사용하였으며 Table 1에 나타내었다. 잎은 오염이나 균을 고려해 되도록 어린잎을 채취하였다.

이론/모형

본 연구에서 두릅나무과 식물의 계통학적 분석은 Maximumlikelihood analysis (ML) method로 수행되었다. 당근을 외군으로 7가지 엽록체 DNA 염기서열을 융합하여 작성한계통수에선 통탈목이 가장 기부에 독립적인 분계조를 형성하며 다른 종들과 근연관계가 다소 먼 것으로 나타났다(Fig.
당근의 염기서열은 NCBI Genbank에 등록되어 있는 정보를 활용하였다. 분자계통학적 유연관계 분석은 MEGA5.2program (http://www.megasoftware.net)을 사용하여 Maximumlikelihood analysis (ML) 방법으로 수행되었으며(Tamura et al.2011), bootstrap test 1,000번을 반복 실행하였다(Felsenstein1985).

성능/효과

psbA-trnH 및 rpoC1 영역을 분석한 결과(Fig. 3)에서는psbA-trnH의 영역의 경우 230개의 위치에서 삽입/결실과 염기서열이 치환이 조사되어 가장 많은 변이를 나타냈으며 조사된 모든 두릅나무과 종들을 구분할 수 있어서 가장 이상적인 바코드 마커로 나타났다. 팔손이는 92 ~ 98,161 ~ 173번 위치에서 특이적인 염기서열의 삽입이 있었고, 191번 위치에서는 오갈피속 식물들만이 염기서열 T의 삽입이 있었다.
본 연구에서 두릅나무과 식물의 계통학적 분석은 Maximumlikelihood analysis (ML) method로 수행되었다. 당근을 외군으로 7가지 엽록체 DNA 염기서열을 융합하여 작성한계통수에선 통탈목이 가장 기부에 독립적인 분계조를 형성하며 다른 종들과 근연관계가 다소 먼 것으로 나타났다(Fig. 4). 인삼(Panax ginseng)의 경우 81% bootstrap 값으로 두릅나무속(Aralia)과 자매군을 형성했는데, 이는 두릅나무과에서 두릅나무속, 인삼속(Panax)이 하나의 계통이라는 연구(Kim et al.
(2004)의 연구에서는 Aisan Palmate그룹에 속하는 것으로 나타나 본 연구와 차이를 보였다. 본 연구는 엽록체DNA의 7개 영역을 모두 종합하였기 때문에 통탈목이 독립적인 그룹에 속한다고 밝혀진 객관적인 데이터로 판단된다.
한편 rpoC1 영역은 분석 결과 조사된 영역 중 가장 작은 변이(21개)가 나타났지만 오갈피속 수종 5종 모두를 구별할 수 있는 독특한 염기서열 차이를 확인할 수 있었다. 전체 7개 엽록체 바코드 마커 영역을 합하여 sequence를 분석한 경우 가장 많은 차이를 보인 수종은 통탈목으로 psbA-trnH와 psbK-psbI 영역에 수많은 삽입, 결실과 염기치환을 보였고, 땃두릅나무와 음나무 등도 다른 종들과 구별되는 연속적인 염기서열이 나타났다.
2004)의 보고와 일치한다. 한편 한국과 중국에서 인삼 샘플을 각각 수집하여 엽록체 염기서열을 비교한 결과, 조사한 모든 영역에서 유전적인 차이가 전혀 나타나지 않음을 확인할 수 있었다. 수천 년 전부터 중국과 대한민국에 독자적으로 인삼이 자생하였다면 어떠한 염기서열의차이가 있어야 한다고 여겨지기 때문에, 두 나라 중 한쪽의 종자가 다른 나라로 건너간 것이라고 판단되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	두릅나무과 식물의 서식지는?	두릅나무과(Araliaceae) 식물은 전 세계적으로 약 80 ~ 90여개의 속에 900여종이 속해있으며 열대지방인 인도양, 태평양 그리고 동남아시아에 주로 분포하지만 인삼속(Panax), 송악속(Hedera), 땃두릅나무속(Oplopanax) 등 몇몇 속들은 북쪽의 온대지방이나 아열대지방에서 적응하여 서식하고 있다. 최근 연구에 따르면 국내에는 총 9속 14종 4변종으로 18개의 분류군이 분포한다고 알려져 있다(Kim2007).
	두릅나무과 식물이 의약자원으로 사용된 예시는?	두릅나무과 식물은 예전부터 중요한 의약자원으로 인삼(Panax ginseng)이나 가시오갈피(Eleutherococcus senticosus)등의 뿌리나 수피는 약용으로 이용되고 있으며, 최근 사회가 발전함에 따라 두릅나무(Aralia elata)나 음나무(Kalopanaxseptemlobus)와 같은 두릅나무과 종들도 고부가가치의 산채류로 취급받고 있다. 인삼은 동양에서 높은 명성을 지닌 약용 식물 중 하나로 강장, 피로회복 등에 효능이 있어(Wen et al. 1996) 고대로부터 이용되어져 왔고, 가시오갈피 또한 강장, 진정작용, 류머티즘, 당뇨병 등에 효과가 있는 것으로 알려져 뿌리, 줄기, 열매를 약재로 사용해왔다(Davydov and Krikorian 2000; Fujikawa et al. 1996; Umeyamaet al. 1992). 두릅나무는 항미생물 활성물질이 확인 된 이후 항균제나 식품 보존제 등으로 활용할 수 있는 가능성이 제기되었고(Ma et al. 1995, 1996), 순에서 추출된 flavonoid배당체 화합물은 높은 항산화 활성을 나타내었다(Lee etal. 2009).
	DNA 바코드의 장점은?	DNA 바코드는 종 동정을 위해 생물다양성 협약(Conventionon Biodiversity)에서 권고하는 표준 방법으로(Hebert et al.2003), DNA 염기서열을 이용하여 간편하게 종간의 변이를 확인하고 동정 할 수 있다는 장점 때문에 최근에 활발히 연구되고 있다. 국내에서는 한약재의 감별을 위한 마커개발에 이용되거나(Kim et al.

참고문헌 (35)

Artyukova EV, Gontcharov AA, Kozyrenko MM, Reunova GD, Zhuravlev YN (2005) Phylogenetic relationships of the far eastern Araliaceae inferred from ITS sequences of nuclear rDNA. Russ J Genet 41:649-658

상세보기
Bae E, Yook C, Oh O, Chang S, Nohara T, Kim D (2001) Metabolism of chiisanoside from Acanthopanax divaricatus var. albeofructus by human intestinal bacteria and its relation to some biological activities. Biol Pharm Bull 24:582-585

상세보기
CBOL Plant Working Group (2009) A DNA barcode for land plants. Proc Natl Acad Sci USA 106:12794-12797

상세보기
Chandler GT, and Plunkett GM (2004) Evolution in Apiales:nuclear and chloroplast markers together in (almost) perfect harmony. Bot J Linn Soc 144:123-147

상세보기
Davydov M, Krikorian AD (2000) Eleutherococcus senticosus (Rupr. & Maxim.) Maxim. (Araliaceae) as an adaptogen: a closer look. J Ethnopharmacol 72:345-393

상세보기
Felsenstein J (1985) Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap. Evolution 39:783-791

상세보기
Fujikawa T, Yamaguchi A, Morita I, Takeda H, Nishibe S (1996) Protective effects of Acanthopanax senticosus Harms from Hokkaido and its components on gastric ulcer in restrained cold water stressed rats. Biol Pharm Bull 19:1227-1230

상세보기
Hahn D, Kasai R, Kim J, Taniyasu S, Tanaka O (1984) A new glycosyl ester of a 3, 4-seco-triterpene from korean medicinal plant, Acanthopanax chiisanensis (Araliaceae). Chem Pharm Bull 32:1244-1247

상세보기
Hebert PDN, Cywinska A, Ball SL, Waard JRd (2003) Biological identifications through DNA barcodes. P. R. Soc. London, Series B 270:313-321

상세보기
Jung S, Huh H, Hong J, Choi J, Chun H, Bang K, Huh M (2003) Genetic diversity and population structure of Kalopanax pictus (Araliaceae). J Plant Biol 46:255-262

원문보기 상세보기
Kim CH (2007) Araliaceae, The Genera of Vascular Plants of Korea, flora of Korea editorial committee (eds), 155, Academy publishing Co., Seoul, Korea. pp.725-732
Kim GR, Kim HR, Choi HS, Han JG, Kim SY, Kim CS (2015) Phylogenetic relationship of Araliaceae in Korea by seed morphological characteristics. J Wetlands Research 17:139-145

원문보기 상세보기
Kim NH, Yang DC, Eom AH (2004) A phylogenetic relationships of Araliaceae based on PCR-RAPD and ITS sequences. Korean J Plant Res 17:82-93
Kim WJ, Ji Y, Lee YM, Kang YM, Choi G, Moon BC (2015) Development of molecular markers for the authentication of Zanthoxyli Pericarpium by the analysis of rDNA-ITS DNA barcode regions. Kor J Herbology 30:41-47

원문보기 상세보기
Kress WJ, Erickson DL (2007) A two-locus global DNA barcode for land plants: the coding rbcL gene complements the noncoding trnH-psbA spacer region. PLoS ONE 2:e508

상세보기
Lahaye R1, van der Bank M, Bogarin D, Warner J, Pupulin F, Gigot G, Maurin O, Duthoit S, Barraclough TG, Savolainen V (2008) DNA barcoding the floras of biodiversity hotspots. Proc Natl Acad Sci U S A 105:2923-2928

상세보기
Lee CH, Lee ST (1991) A palynotaxonomic study of the genus Fatsia Decne. et Planch. and its relatives (Araliaceae). Kor J Pla Tax 21:9-25

상세보기
Lee CH, Wen J (2004) Phylogeny of Panax using chloroplast trnC-trnD intergenic region and the utility of trnC-trnD in interspecific studies of plants. Mol Phylogenet Evol 31:894-903

상세보기
Lee GH, Jung JW, Ahn EM (2009) Antioxidant activity of isolated compounds from the shoot of Aralia elata Seem. Kor J Herbology 24:137-142
Lee J, Kim CS, Lee IY (2015a) Discrimination of Echinochloa colona (L.) Link from other Echinochloa species using DNA Barcode. Weed Turf Sci 4:225-229

원문보기 상세보기
Lee J, Kim CS, Lee IY (2015b) Molecular identification of Pooideae, Poaceae in Korea. Weed Turf Sci 4:18-25

원문보기 상세보기
Lowry II PP, Plunkett GM, Wen J (2004) Generic relationships in Araliaceae: looking into the crystal ball. S Afr J Bot 70:382-392

상세보기
Ma SJ, Kuk JH, Ko BS, Park KH (1995) Isolation of 3,4-dihydroxybenzoic acid with antimicrobial activity from bark of Aralia elata. Agr Chem Biotechnol (1):46
Ma SJ, Kuk JH, Ko BS, Park KH (1996) Isolation and characterization of 4-hydroxycinnamic acid with antimicrobial activity from Aralia elata. Agr Chem Biotechnol 39:265-267
Nakai T (1939) Flora Sylvatica Koreana, Vol. X VI, Forestal experiment station, Government general of Chosen, Seoul, Korea, pp.1-48
Oh O, Chang S, Yook C, Yang K, Park S, Nohara T (2000) Two 3, 4-seco-lupane triterpenes from leaves of Acanthopanax divaricatus var. albeofructus. Chem Pharm Bull 48:879-881

상세보기
Park WC, Lee ST (1989) A palynotaxonomic study of the Korean Araliaceae. Kor J Pla Tax 19:103-121

상세보기
Plunkett G, Soltis D, Soltis P (1997) Clarification of the relationship between Apiaceae and Araliaceae based on matK and rbcL sequence data. Am J Bot 84:565-565

상세보기
Plunkett GM, II PPL, Frodin DG, Wen J (2005) Phylogeny and geography of Schefflera: pervasive polyphyly in the largest genus of Araliaceae. Ann Mo Bot Gard 92:202-224
Plunkett GM, Wen J, Lowry II PP (2004) Intrafamilial classifications and characters in Araliaceae: Insights from the phylogenetic analysis of nuclear (ITS) and plastid (trnL-trnF) sequence data. Plant Syst Evol 245:1-39
Plunkett GM, Soltis DE, Soltis PS (1996) Higher level relationships of Apiales (Apiaceae and Araliaceae) based on phylogenetic analysis of rbcL sequences. Am J Bot 83:499-515

상세보기
Tamura K, Peterson D, Peterson N, Stecher G, Nei M, and Kumar S (2011) MEGA5: Molecular Evolutionary Genetics Analysis using maximum likelihood distance, and maximum parsimony methods. Mol Biol Evol 28:2731-2739

상세보기
Umeyama A, Shoji N, Takei M, Endo K, Arihara S (1992) Ciwujianosides D1 and C1: Powerful inhibitors of histamine release induced by anti-immunoglobulin E from rat peritoneal mast cells. J Pharm Sci 81:661-662

상세보기
Wen J, Plunkett GM, Mitchell AD, Wagstaff SJ (2001) The evolution of Araliaceae: a phylogenetic analysis based on ITS sequences of nuclear ribosomal DNA. Syst Bot 26:144-167
Wen J, Zimmer EA (1996) Phylogeny and biogeography of Panax L. (the ginseng genus, Araliaceae): inferences from ITS sequences of nuclear ribosomal DNA. Mol Phylogenet Evol 6:167-177

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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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