Population genetic structure of genus Semisulcospira using genetic markers

Abstract

생물다양성협약은 자국내 서식하는 생물 자원에 대한 주권적 권리를 인정하며, 자국 생물종의 자세한 목록 제시와 감시 체계 구축을 의무화 하고 있다. 이에 따라 세계 각국은 국가적 생물 다양성 목록 작성과 생물 다양성 변화 추이의 감시, 생물 자원에 대한 접근과 유출 관리, 유전자원에 대한 접근과 이익의 공유에 대한 시스템을 강화하고 있다. 우리나라에서 현재까지 보고된 생물 종 정보에 의하면 유사 환경을 지닌 일본 및 영국에 비해 생물 종 다양성 정도가 낮게 파악된다고 보고하고 있다. 이를 개선하기 위해 환경부에서 한반도 고유 생물을 지정하고 이들의 국외 반출 승인 제도를 운영하고 있으며, 해양수산부에서도 고유종을 보호대상해양생물로 지정하여 보호하고 있다. 이들의 과학적, 전문적 관리는 국내 생물 자원의 지속적 보호를 목적으로 한다. 고유종 (endemic species)이란 지리적으로 한정된 지역에만 자연적으로 서식하는 생물분류군을 의미한다. 이들은 어느 특정 지역 내에서만 자연발생적으로 서식하기 때문에, 개체군의 크기와 분포 범위가 작아 환경 변화에 취약하며, 외래종과의 경쟁에서 이기지 못하는 경우가 허다하고, 유전적 교란이 쉽게 일어나기 때문에 위기 종으로 분류 및 보호하고 있으며, 고유종의 보전을 위해 범국가적인 보호 및 관리를 수행하는 국제기구인 ‘세계자연보전연맹 (International Union of Conservation of Nature (IUCN)’ 에서 고유종 밀집지역에 대한 조사 및 연구를 진행하고 있다. 또한, 자생생물에 대한 연구가 체계적으로 수행되고 있는 국가에서는 다양한 생물자원 요소 중 특히 고유종의 관리와 보존을 우선순위에 두고 있다. 이에 대해 우리나라에서도 국내에 서식하는 고유종의 분포 범위 및 서식 환경 등에 관해 정보를 정리한 ‘한반도 고유종 총람’을 발간하였다. 그러나 고유종의 보전을 위해서는 국가 단위로 특정 지역의 고유종 목록을 단순 제시하기 보다는 종의 위협 상황에 대한 모니터링과 희귀성에 대한 유형 분석, 멸종 위기와 관련된 유전학적 집단 분석 과 같은 역동적인 실태 조사가 필요하다. 하지만 고유종에 대한 중요성의 인식과 관리 방안의 구축이 주요한 국가적 관심사로 부각됨에도 불구하고, 아직 우리나라는 고유종에 대한 연구가 매우 미흡하다. 한반도 고유 생물 중 담수산 연체 동물에는 다슬기과가 3속 5종이 있으며 (Semisulcospira coreana, S. forticosta, S. tegulata, Koreanomelania nodifila, Koreoleptoxis globus ovalis), 이들 중 다슬기속 (genus Semisulcospira) 에는 참다슬기 (S. coreana), 좀주름다슬기 (S. tegulata), 주름다슬기 (S. forticosta) 가 한반도 고유종으로 지정 되어있고, 한반도와 중국에 서식하는 곳체다슬기 (S. gottschei) 는 동아시아 고유종으로 지정 되어있다. 다슬기는 건강 식품으로 인식되어 경제적 가치가 매우 높은 담수 종이다. 하지만 환경 변화 및 오염, 서식지 감소 및 남획 등으로 인해 다슬기 자원이 감소하고 있는 상황에서 다슬기의 국내 어획량은 수요량에 비하여 제한적이므로 이를 보완하기 위해 종묘 방류 및 수입 의존도가 증가하고있는 실정이다. 국내 서식하는 다슬기 중 주요 경제성 종으로 참다슬기와 곳체다슬기가 있으며, 특히 국내 수요를 충족하기 위하여 중국에서 곳체다슬기가 다량 수입되고 있다. 이처럼 다슬기류는 생물 자원 및 생물지리학상 연구 가치가 매우 높은 분류군이지만, 다슬기류에 대한 연구는 번식 및 생태학적 연구, 식품 영양학적 연구가 주로 수행되었다. 또한 형태 및 유전학적 계통 분류에 대한 연구가 수행되었으나 여전히 분류학상 혼란이 있으며, 고유종의 자원 관리 및 보전을 위한 유전적 다양성 분석, 개체군 간의 유전적 분화도 및 유연 관계 등을 포함하는 집단 유전학적 연구는 미비하다. 본 연구에서는 집단 유전학 연구에 널리 사용되고 있는 분자 마커인 미토콘드리아 DNA (mtDNA)와 초위성체 (microsatellite, MS) 마커를 활용하여 국내 서식하는 다슬기류의 유전적 다양성 및 집단 구조와 집단 사이의 유전적 분화 등의 집단 유전학 연구를 수행하고, 우리나라와 중국에 서식하는 동아시아 고유종인 곳체 다슬기의 집단 유전학적 분석을 통해 국내산과 중국산을 구별할 수 있는 MS 마커의 활용 방안을 제시하였다. 본 연구에서 수행된 결과를 바탕으로 한반도 고유종인 다슬기류의 보전 및 관리 방안을 제시하고자 한다. 국내 서식하는 다슬기의 계통 분류를 위해 universal primer와 species specific primer를 활용하여 COI 과 ND4 유전자의 염기서열을 각각 확보하였다. 이를 바탕으로 COI 유전자에서의 종간 유전적 변이 정도를 확인한 결과, 참다슬기와 좀주름다슬기가 유전적으로 가장 가깝게 나타났으며(1.5%), 주름다슬기와 다슬기가 가장 멀게 나타났다(8.9%). 이들의 종내 유전적 변이는 0.5-0.8%로 종간 유전적 변이 보다 낮게 나타났다. 또한 종 분류가 명확하지 않은 Semisulcospira sp. 2그룹이 관찰되었으며, 이들의 유전적 거리는 종내 유전적 변이보다 높으므로 잠재종 (cryptic species)으로 사료된다. 또한 ND4 유전자를 활용한 종간 유전적 변이율은 COI 유전자보다 약간 높게 관찰되었다. 이들 유전자 영역 (COI, ND4, COI+ND4)을 활용하여 Semisulcospira sp. 2그룹을 제외한 형태와 유전학적 분류가 일치하는 종을 대상으로 한반도 및 아시아 고유종인 다슬기류 4종의 유전적 다양성을 분석하였다. 4종 모두에서 높은 haplotype diversity와 낮은 nucleotide diversity가 나타났으며, 중립성 검사 (neutrality test)에서 모두 음의 값을 나타내어, 최근에 인구 팽창이 이루어 지고 있는 것으로 확인 되었다. 또한 좀주름다슬기, 참다슬기와 곳체다슬기는 분석된 모든 집단에서 동일한 main haplotype이 나타나고, 일부 집단 별 rare haplotype이 보였다. 반대로 주름 다슬기는 집단 간 rare haplotype을 가지는 형태를 보였으며, 이는 집단간 분화 정도를 나타내는 FST 결과와 동일하게 나타났다. 따라서 주름다슬기는 국내 지역별로 유전적 분화가 나타났으며, 반면에 좀주름다슬기, 참다슬기, 곳체다슬기는 지역간 유전적 차이가 일부 지역 사이에만 나타남을 확인 할 수 있었다. 다슬기류 4종 중 경제적 가치가 높은 참다슬기와 곳체다슬기 2종의 집단 내 유전적 다양성, 집단간 유전적 구조 및 분화도를 알아보기 위하여 참다슬기 유래 MS 마커 18개를 개발하였다. 이들의 평균 대립유전자 수는 6.9개이며, 평균 다형성 지수(PIC)는 0.626으로 높게 나타났다. 또한 hetrozygosity의 기대치 (He)와 관측치 (Ho)는 각각 0.679와 0.434를 나타내었다. 또한 다른 4종의 다슬기류에 교차 시험을 한 결과 80-85%의 높은 transferability를 나타내었다. 본 연구에서 개발된 참다슬기 유래 MS 마커 중 9개를 선별하여 국내 서식하는 참다슬기와 곳체다슬기의 집단 유전학적 분석을 수행하였다. 두 종 모두 평균 He 가 Ho 보다 모두 높게 나타났으며, 근친교배계수를 나타내는 FIS 역시 양의 값을 나타내었다. 참다슬기 10개 집단은 Pairwise FST, NJ and PCA 분석, STRUCTURE 분석에서 2개의 그룹으로 나뉘는 것을 확인 하였으며, 이 결과는 mtDNA 결과와 동일하였다. 곳체다슬기의 경우 Pairwise FST 와 STRUCTURE 분석 결과 국내 집단의 유전적 흐름 (gene flow)이 활발하여 지역간에 유전적 균일화가 진행된것으로 사료된다. 또한 MS 마커를 이용한 곳체다슬기의 집단간 유전적 분화도가 mtDNA를 이용한 결과보다 낮게 나타났는데 이는 mtDNA만 단독으로 분석하였을 땐 집단간 유의적인 차이가 있을 것으로 생각했으나 MS를 분석 시 지역간 gene flow가 활발하게 일어나 매우 단순한 유전자형을 구성하여 지역에 따른 유전적 분화가 없는 것을 확인 할 수 있었다. 국내산 다슬기를 보호하고 불법 행위를 근절시키며 안정성을 보장하기 위하여 국내산과 중국산 곳체다슬기의 원산지 판별에 mtDNA와 MS마커를 응용하였다. COI 유전자를 이용하여 총 43개의 haplotype을 얻었으나, 이들에서 국내산과 중국산을 구별할 수 있는 특이 SNP은 발견 되지 않았다. 9개의 MS 마커의 대립유전자형을 이용한 결과 곳체다슬기 11개 집단은 96.9%의 정확도로 국내산과 중국산으로 구별되었다. 이는 국내산과 중국산 다슬기의 구별이 필요한 여러 분야에 활용이 가능 할 것이라 사료된다. 이와 같은 결과는 생물의 진화 및 역사를 이해하기위해 mtDNA는 활용 가능하지만 집단 간 유전적 구조 분석의 경우 모계 유전 및 유효 집단의 크기에 따른 한계가 있으므로, 이를 보완 하기 위해 핵 DNA인 MS마커를 활용 함으로써 집단간 유전적 분화도 및 원산지 판별에 활용 가능할 것이라 생각된다. 기존의 연구들을 보면, 많은 멸종 위기종 및 고유종은 수계별로 분화가 진행되어 있으므로, 독립 수계별로 관리 방안이 필요하다고 보고되었다. 이러한 양상은 주름다슬기와 좀주름다슬기, 참다슬기의 일부 집단에서도 확인되었다. 따라서 한반도 고유종인 다슬기류의 보전 및 관리를 위해서는 유전적으로 차이가 나타나는 그룹 간의 무분별한 방류는 반드시 지양되어야 하며 지역 집단 별로 보존 대책이 필요하다고 판단된다. 본 연구 결과는 유전자 마커를 활용하여 한반도 고유종인 다슬기류의 유전적 특성을 규명한 것으로써 국내 고유종에 대한 자원 관리 및 보전을 위한 구체적인 기초 자료 및 나고야의정서에 대응하기 위한 우리나라 고유종의 생물 주권 확보를 위한 과학적 근거로도 활용 가능할 것이라 생각된다.