AFLP 마커를 이용한 소규모 사시나무림의 공간적 유전구조 구명 Fine-scale Spatial Genetic Structure of a Small Natural Stand of Populus davidiana in South Korea using AFLP markers원문보기
변화하는 자연환경에서 식물이 생존하기 위해서는 적절한 유전다양성을 유지할 뿐 아니라 지역적응성을 갖추어야 세대를 성공적으로 이어나갈 수 있다. 만약 유전다양성이 급격히 감소하게 된다면 집단이 쇠퇴하고 소멸 위험성이 커지게 된다. 본 연구는 주변 집단으로 부터 화분이나 종자의 유입이 어려운 소규모 사시나무 집단의 유전구조를 구명하였다. 월악산 미륵리의 사시나무림은 전체 분포면적 $14,000m^2$에 성목은 350개체로 추정되며, 임분내에 설정한 $70m{\times}70m$ 조사구에 출현하는 123개체 중 61개체를 대상으로 AFLP 마커를 이용하여 유전변이를 분석하였다. 조사구내 사시나무의 수령은 평균 16년 최고 32년생이었으며, 개체의 공간적 분포는 약한 밀집 형태를 이루고 있었다. AFLP primer 6조합에서 196개 증폭산물을 확인하였으며, 이 중 151개는 다형성을 보였다. primer 조합당 평균 유전자좌수는 32.7(표준편차=7.2), 이형접합도 기대치($H_e$)는 0.154, Shannon의 다양성 지수(S.I.)는 0.254로 나타나서, 월악산 사시나무는 우리나라 사시나무 집단 평균에 비하여 매우 낮은 유전다양성을 갖고 있는 것으로 나타났다. 공간적 유전구조는 24 m 이내에서 분포하는 개체들 간에 유전적 유사성이 나타났으며, 소규모 면적과 고립된 분포지 특성으로 인하여 비교적 작은 유전군락이 형성된 것으로 생각된다.
변화하는 자연환경에서 식물이 생존하기 위해서는 적절한 유전다양성을 유지할 뿐 아니라 지역적응성을 갖추어야 세대를 성공적으로 이어나갈 수 있다. 만약 유전다양성이 급격히 감소하게 된다면 집단이 쇠퇴하고 소멸 위험성이 커지게 된다. 본 연구는 주변 집단으로 부터 화분이나 종자의 유입이 어려운 소규모 사시나무 집단의 유전구조를 구명하였다. 월악산 미륵리의 사시나무림은 전체 분포면적 $14,000m^2$에 성목은 350개체로 추정되며, 임분내에 설정한 $70m{\times}70m$ 조사구에 출현하는 123개체 중 61개체를 대상으로 AFLP 마커를 이용하여 유전변이를 분석하였다. 조사구내 사시나무의 수령은 평균 16년 최고 32년생이었으며, 개체의 공간적 분포는 약한 밀집 형태를 이루고 있었다. AFLP primer 6조합에서 196개 증폭산물을 확인하였으며, 이 중 151개는 다형성을 보였다. primer 조합당 평균 유전자좌수는 32.7(표준편차=7.2), 이형접합도 기대치($H_e$)는 0.154, Shannon의 다양성 지수(S.I.)는 0.254로 나타나서, 월악산 사시나무는 우리나라 사시나무 집단 평균에 비하여 매우 낮은 유전다양성을 갖고 있는 것으로 나타났다. 공간적 유전구조는 24 m 이내에서 분포하는 개체들 간에 유전적 유사성이 나타났으며, 소규모 면적과 고립된 분포지 특성으로 인하여 비교적 작은 유전군락이 형성된 것으로 생각된다.
A locally adapted plant population under harsh environmental changes might survive for a long generation through maintaining proper level of genetic diversity. When it happens losing the genetic diversity too much fast, the population could be declining and probably become extinct. An isolated small...
A locally adapted plant population under harsh environmental changes might survive for a long generation through maintaining proper level of genetic diversity. When it happens losing the genetic diversity too much fast, the population could be declining and probably become extinct. An isolated small population of Populus davidiana was investigated to study out the genetic diversity and the fine-scale spatial genetic structure. The estimated number of adult trees in the population of Mt. Worak, South Korea, was 350 in the total area of $14,000m^2$. The number of adults in a study plot ($70m{\times}70m$) was 123. The average age was 16-year-old and a 32-year-old tree was the oldest. The distribution of individuals was slightly aggregated in the plot. Sixty-one among the 123 individuals were randomly sampled to estimate genetic variation using AFLP markers. One hundred fifty-one (77%) of total 196 amplicons were polymorphic from six AFLP primer combinations. The average number of loci per primer combination was 32.7 (S.D.=7.2). Expected heterozygosity ($H_e$) and Shannon's diversity index (S.I.) were 0.154 and 0.254, respectively. These values were extremely lower than those of other P. davidiana populations in South Korea. Genetic patchiness was showed within 21 meters by spatial autocorrelation analysis and the isolated small size of population might be mainly attributed to the formation of such small patch size.
A locally adapted plant population under harsh environmental changes might survive for a long generation through maintaining proper level of genetic diversity. When it happens losing the genetic diversity too much fast, the population could be declining and probably become extinct. An isolated small population of Populus davidiana was investigated to study out the genetic diversity and the fine-scale spatial genetic structure. The estimated number of adult trees in the population of Mt. Worak, South Korea, was 350 in the total area of $14,000m^2$. The number of adults in a study plot ($70m{\times}70m$) was 123. The average age was 16-year-old and a 32-year-old tree was the oldest. The distribution of individuals was slightly aggregated in the plot. Sixty-one among the 123 individuals were randomly sampled to estimate genetic variation using AFLP markers. One hundred fifty-one (77%) of total 196 amplicons were polymorphic from six AFLP primer combinations. The average number of loci per primer combination was 32.7 (S.D.=7.2). Expected heterozygosity ($H_e$) and Shannon's diversity index (S.I.) were 0.154 and 0.254, respectively. These values were extremely lower than those of other P. davidiana populations in South Korea. Genetic patchiness was showed within 21 meters by spatial autocorrelation analysis and the isolated small size of population might be mainly attributed to the formation of such small patch size.
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문제 정의
본 연구는 AFLP 마커를 이용하여 주변 집단으로부터 고립되어 소규모로 존재하는 월악산 사시나무 집단의 유전다양성을 측정하고 개체들의 공간분포 특성에 따른 유전구조를 구명하기 위하여 수행하였다.
본 연구는 월악산 사시나무 집단의 유전다양성과 공간적 유전구조를 구명하였다. 월악산 사시나무림은 일본잎갈나무 채종원내에 폭 70 m, 길이 200 m 띠모양으로 전체 14,000 m2면적에 350개체가 분포하는 것으로 추정되며, 임의로 설정된 조사구 4,900 m2 내에 123개체 중 61개체를 대상으로 유전변이를 분석 하였다.
제안 방법
AFLP 유전자좌 결정은 오류율을 최소화하기 위하여 형광반응도(peak height threshold)를 높게 잡아서(rfu≥100; relative fluorescence unit) 전체 개체들에서 균일한 중복 양상을 보이는 증폭산물을 선정하고(Whitlock et al., 2008), 일정한 크기의 증폭산물(100-350 bp)을 수확하여 작은 증폭 산물에서 나타나는 임의 변동과 큰 증폭산물에서의 homoplasy 기회를 줄이고자 하였다(Vekemans et al., 2002)
사시나무 시료를 마쇄하고 DNeasy Plant Mini Kit(Qiagen, Venlo, Netherlands)를 이용하여 genomic DNA를 추출하였다. AFLP 표지자 분석은 Vos et al.(1995) 방법을 형광 발색시약의 사용을 위해 일부 변형하고(Hong et al., 2015), hot-start PCR 방법을 사용하였다. genomic DNA 0.
대상 데이터
본 연구의 조사지는 1976년 조성된 국립산림품종관리센터의 일본잎갈나무 채종원(충북 충주시 수안보면 미륵리 산31-3번지)내에 동서방향 폭 70 m, 남북방향 길이 200m 정도의 띠모양으로 남아있는 사시나무, 신갈나무, 굴참나무의 혼효림(위도 36°50′ 42.9″ 및 경도 128°04′ 12.6″)이다. 월악산 일대에 대한 기존의 다양한 산림식생 연구에서 사시나무의 존재에 대한 보고를 찾을 수가 없으며(Lee et al.
사시나무 61개체에 대하여 AFLP primer 6조합에서 196개 증폭산물을 확인하였다. 이들 증폭산물중 151개는 다형성(polymorphic band)을 나타내었고, primer 조합당 평균 유전자좌수는 32.
본 연구는 월악산 사시나무 집단의 유전다양성과 공간적 유전구조를 구명하였다. 월악산 사시나무림은 일본잎갈나무 채종원내에 폭 70 m, 길이 200 m 띠모양으로 전체 14,000 m2면적에 350개체가 분포하는 것으로 추정되며, 임의로 설정된 조사구 4,900 m2 내에 123개체 중 61개체를 대상으로 유전변이를 분석 하였다.
, 1989). 월악산 일대에 산림식생에 관한 연구에서 사시나무 집단의 존재에 대해서는 보고된 바가 없는데(Lee et al., 2015a; Lee et al., 2015b; Kang et al., 2013;Jang et al., 2015), 본 연구에서는 1976년에 조성된 월악산 미륵리 채종원 260,000 m2(Han et al., 2007)의 낙엽송 조림지 부근 14,000 m2의 면적에서 사시나무 집단을 확인하였다. 이 지역의 산림식생에 관한 여러 연구에서 사시나무 집단에 대해서 보고된 바가 없지만 사시나무의 수령(최고 32년생)을 고려했을 때 채종원 조성 당시 또는 이전부터 소규모로 분포하였을 가능성이 높다.
데이터처리
41 프로그램(Peakall and Smouse,2006)을 이용하였다. 개체 위치정보와 Smouse & Peakall(1999)의 유전적 거리를 이용한 공간적 자기상관분석을 실시하였는데 거리등급(distance class)은 6 m 간격으로 12개 등급으로 나눴고, 각 등급에서 999회의 permutation을 실시하여 95% 신뢰구간을 산출하고 유의성을 검증하였다.
유전다양성 지수 등 유전통계량 추정과 공간적 자기상관분석은 GeneAlEx 6.41 프로그램(Peakall and Smouse,2006)을 이용하였다. 개체 위치정보와 Smouse & Peakall(1999)의 유전적 거리를 이용한 공간적 자기상관분석을 실시하였는데 거리등급(distance class)은 6 m 간격으로 12개 등급으로 나눴고, 각 등급에서 999회의 permutation을 실시하여 95% 신뢰구간을 산출하고 유의성을 검증하였다.
성능/효과
개체의 유전변이에 대한 공간적 자기상관성(spatial autocorrelation) 분석 결과, 조사지역내의 사시나무는 약 24 m 이내에서 분포하는 개체들 간에는 유전적 유사성이 있으며, 24 m에서 48 m 범위 내에서 임의 분포, 48 m 이외에는 유전적으로 상이한 개체가 분포하는 것으로 나타났다(Figure 2). 그러나 각 개체간 공간적 거리와 유전적 거리(genetic distance)에는 상관성이 없었다(Mantelr=0.
근접한 거리에 동일한 유전자형을 갖고 있어서 근맹아 번식으로 추정되는 2개체는 잠정적으로 클론(putative clone)으로 판정하였다. 동일한 종의 유전다양성을 비교하는 연구에서 집단의 다양성 수치가 AFLP 보다 microsatellite 마커에서 2배 정도 높게 나타나는 경향(Mariette et al.,2001; Nybom, 2004)을 고려하여도, microsatellite 마커를 이용한 국내의 사시나무 집단의 평균 이형접합도 기대치(He=0.603, Lee et al., 2011)와 비교할 때 월악산 사시나무가 다른 지역의 사시나무 유전변이량보다 적음을 알 수 있었다. 다른 사시나무속 수종들에서 microsatellite 마커의 이형접합도 기대치는 중국의 중국황철 0.
월악산 사시나무 집단의 공간적 유전구조 분석에서 직선거리 24 m 이내에는 유전적으로 유사한 개체가 분포하는 것으로 나타났다. 월악산 사시나무와 비슷한 수준의 유전다양성을 지닌 물황철나무는 더 큰 유전군락 크기를 갖는데(Shin et al.
월악산 사시나무림에서 AFLP 마커를 이용한 다형적 유전자좌 비율(P)은 83.4%, 이형접합도 기대치(He)는 0.154, Shannon의 다양성 지수(S.I.)는 0.254로 나타났으며, 근맹아 번식으로 추정되는 클론은 2개체가 확인되었다. 기존에 보고된 microsatellite 마커를 사용한 사시나무속 연구(Peng et al.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사시나무속 수종의 특징은 무엇인가?
사시나무속 수종들은 번식이 쉽고 생장이 빠르며, 유전체의 크기가 작은 특징 때문에 임목유전학의 모델 수종으로 이용되고 있다(Bradshaw et al., 2000).
사시나무의 껌질과 목재는 어떻게 쓰이는가?
, 2005), 수고 20 m, 지름 1 m까지 자라는 낙엽활엽 교목으로 꽃은 4월에 암수딴그루로 피며, 종자는 5월경에 성숙한다. 껍질은 한약재(Choi et al., 2013), 목재는 가구재로 쓰인다(Kim,2009). 극동러시아, 중국, 일본에 분포하고 있으며, 북한에는 함경남북도, 평안남도, 남한에서는 태백산을 중심으로 해발 400 m - 600 m에 자생하는 수종이고, 최남단 분포지는 대구의 팔공산으로 알려져 있다(Noh et al.
AFLP의 한계점은 무엇인가?
AFLP는 우성마커로써 정확한 이형접합도를 확인하는데 한계가 있고 순도 높은 template DNA와 염기서열분석기를 사용해야 하는 등 비교적 높은 실험기술을 필요로한다(Mba and Tohme, 2005). 그러나 다른 우성마커에 비하여 재현성이 우수하고 많은 다형성 표지자를 확보할 수 있기 때문에 집단의 유전 분화나 클론 번식과(clonality) 같은 유전구조의 분석뿐 아니라 종과 품종의 식별, 계통유전학 연구 등에 광범위하게 사용되고 있다(Meudt and Clarke, 2007).
참고문헌 (34)
Booy, G., Hendriks, R.J.J., Smulders, M.J.M., Groenendael, J.V., and Vosman, B. 2000. Genetic diversity and the survival of populations. Plant Biology 2(4): 379-395.
Bradshaw, H.D., Ceulemans, R., Davis, J., and Stettler, R. 2000. Emerging model systems in plant biology: poplar (Populus) as a model forest tree. Journal of Plant Growth Regulation 19(3): 306-313.
Cervera, M.T., Storme, V., Soto, A., Ivens, B., Van Montagu, M., Rajora, O.P., and Boerjan, W. 2005. Intraspecific and interspecific genetic and phylogenetic relationships in the Genus Populus based on AFLP markers. Theoretical and Applied Genetics 111(7): 1440-1456.
Chang, C.S., Kim, H., and Chang, K.S. 2011. Illustrated Encyclopedia of Fauna and Flora of Korea. Design Post. Gyeonggido, Republic of Korea. pp. 510.
Choi, G.Y., Kang, Y.M., Moon, B.C., and Kim, H.Y. 2013. A comparative study about the origins of crude drugs in the northeast asian pharmacopoeias: centered on same name of materials but different genus. Korea Journal of Herbology 28(5): 103-111.
Ellstrand, N.C. and Elam, D.R. 1993. Population genetic consequences of small population size: implications for plant conservation. Annual Review of Ecology and Systematics 24: 217-242.
Fossati, T., Patrignani, G., Zapelli, I., Sabatti, M., Sala, F., and Castiglione, S. 2004. Development of molecular markers to assess the level of introgression of Populus tremula into P. alba natural populations. Plant Breeding 123(4): 382-385.
Han, S.U., Kim, C.S., Kang, K.S., and Oh, C.Y. 2007. Management of Seed Orchard for the Production of Improved Seeds. National Institute of Forest Science. Suwon, Republic of Korea. pp. 256.
Hedrick, P.W. and Kalinowski, S.T. 2000. Inbreeding depression in conservation biology. Annual Review of Ecology and Systematics 31: 139-162.
Hong, K.N. 1997. Molecular Phylogeny of Section Leuce and Genetic Variation of Natural Pouplations of Populus davidiana in Korea Based on RAPD Marker Analysis. Ph.D dissertation. Seoul National University, Republic of Korea. pp. 88.
Jang, C.S., Yang, S.G., Jang, H.D., Lee, R.Y., Park, M.S., Kim, K.H., and Oh, B.U. 2015. Floristic study of Woraksan National Park in Korea. Korean Journal of Plant Resources 28(1): 35-63.
Kang, H.K., Back, S.J., and Kim, S.H. 2013. Vegetation structure and management planning of Yonghagugok in Woraksan National Park. Korean Journal of Environment and Ecology 27(4): 487-497.
Kim, D.K. 2009. A study on the development of wooden furniture used with dyed glued laminated wood. Journal of the Korea Furniture Society 20(1): 82-94.
Lande, R. and Shannon, S. 1996. The role of genetic variation in adaptation and population persistence in a changing environment. Evolution 50(1): 434-437.
Leimu, R. and Fischer, M. 2008. A meta analysis of local adaptation in plants. Plos One 4(12): 4010.
Lee, K.M., Kim, Y.Y., and Chung J.M. 2009. Genetic diversity of natural populations of Populus maximowiczii Henry in Korea based on microsatellite marker analysis. pp. 129-138. In: Korean Forest Society. Proceedings of Korean Forest Society. Dongguk University. Seoul, Republic of Korea.
Lee, K.M., Kim, Y.Y., and Jung, O.H. 2011. Genetic variation in populations of Populus davidiana Dode based on microsatellite marker analysis. Genes and Genomics 33(2): 163-171.
Lee, J.Y., Oh, J.G., Jung, S.H., and Kim, H.S. 2015a. Community distribution on mountain forest vegetation of the Geumsusan and Doraksan area in the Worak National Park. Korean Journal of Ecology and Environment 48(2): 129-138.
Lee, J.Y., Oh, J.G., Jang, I.S., and Kim, H.S. 2015b. Community distribution on mountain forest vegetation of the Youngbong area in the Worak National Park. Korean Journal of Ecology and Environment 48(1): 51-60.
Meudt, H.M. and Clarke, A.C. 2007. Almost forgotten or latest practice? AFLP applications, analyses and advances. Trends in Plant Science 12(3): 106-117.
Mariette, S., Chagne, D., Lezier, C., Pastuszka, P., Raffin, A., Plomion, C., and Kremer, A. 2001. Genetic diversity within and among Pinus pinaster populations: comparison between AFLP and microsatellite markers. Heredity 86(4): 469-479.
Nybom, H. 2004. Comparison of different nuclear DNA markers for estimating intraspecific genetic diversity in plants. Molecular Ecology 13(5): 1143-1155.
Noh E.R., Lee S.K., Koo Y.B., and Byun K.O. 1994. Heritability and genetic gain of height in Populus davidiana in 4 year old clonal test. Journal of Korean Forest Society 83(2): 239-245.
Noh, E.R., Lee, S.K., Koo, Y.B., and Hong, R.P. 1989. Growth patterns and variation of some economic characteristics in selected Korean aspen (Populus davidiana Dode). pp. 11-29. In: Forest Genetics Research Institute. Research Report of the Forest Genetics Research Institute. Suwon. Kyonggido, Republic of Korea.
Peng, Y.H., Lu, Z.X., Chen, K., Luukkanen, O., Korpelainen, H., and Lu, C.Y. 2005. Population genetic survey of Populus cathayana originating from southeastern Qinghai Tibetan plateau of China based on SSR markers. Silvae Genetica 54(3): 116-122.
Rathmacher, G., Niggemann, M., Kohnen, M., Ziegenhagen., and Bialozyt, R. 2009. Short distance gene flow in Populus nigra L. accounts for small scale spatial genetic structures: implications for in situ conservation measures. Conservation Genetics 11(4): 1327-1338.
Ripley, B.D. 1981. Spatial Statistics: Wiley Series in Probability and Mathematical Statistics. Wiley Interscience. New York, U.S.A. pp. 272.
Shin, S.K., Song, J.H., Lim, H.I., Jang, K.H., Hong, K.N., and Lee, J.W. 2014. Genetic diversity and spatial genetic structure of Populus koreana population in Mt. Odae, Korea. Journal of Korean Forest Society 103(1): 59-64.
Ueno, S., Aoki, K., and Tsumura, Y. 2009. Generation of expressed sequence tags and development of microsatellite markers for Castanopsis sieboldii var. sieboldii (Fagaceae). Annals of Forest Science 66(5): 1-21.
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