한국 남해와 서해에 분포하는 비단풀과 깃꼴비단풀 개체군의 cox1 및 세포소기관 유전체 비교

Abstract

Ceramium (Roth 1797) appeared about 120 million years ago and 210 species are known worldwide. Currently, 15 species of Ceramium are known in Korea. C. kondoi and C. japonicum are distributed in the intertidal zone along the entire coast of Korea. Both are sister species and distributed in the Northwest Pacific (Korea, China, Japan, Rusia) and Northeast Pacific (Canada and USA) Ceramium are well known as a target for marine biogeography research. In this study, first, haplotype distribution and diversity were identified through mitochondrial cox1 analysis. Second, the mitochondria genome was completed for the first time among the genus Ceramium. Finally, the populations were compared through organelles (ptDNA, mtDNA) genome analysis. From September 2019 to June 2021, a total of 252 C. kondoi specimens collected from 17 localities in the Yellow Sea and South Sea of Korea. 186 cox1 was sequenced and showed a total 37 haplotypes, including 18 haplotypes in the West, 10 haplotypes in the South-West, and nine haplotypes in the South populations. As a result of cox1 ML tree, first diversification occurred in the South-West population. A total of 309 C. japonicum specimens collected in the Yellow Sea, the South Sea, and the East Sea. 220 cox1 was sequenced and showed a total 30 haplotypes, including 10 haplotypes in the West, 14 haplotypes in the South, and six haplotypes in the East. As a result of the cox1 ML tree, first diversification occurred in the South population. The organelle genomes were completed for 35 C. kondoi and for 22 C. japonicum. The ptDNA of C. kondoi was about 171.8 Kb in length. The genome included 200 Coding Sequence (CDS), 3 rRNA, and 28 tRNA. The mtDNA of C. kondoi was about 31.4 Kb in length. The genome included 28 CDS, 2 rRNA, and 26 tRNA. The ptDNA of C. japonicum was about 171.6 Kb in length. The genome included 199 coding sequence (CDS), 3 rRNA, and 28 tRNA. The mtDNA of C. japonicum was about 27.9 Kb in length. The genome included 27 CDS, 2 rRNA, and 27 tRNA. Organelle genome of C. kondoi showed variations between the West and South populations and those between South and South-West populations. Short tandem repeats (STRs) with a length of 12 bp were found in the C. kondoi ptDNA orf156. The number of repetitions in the West and South-West populations, and it showed a tendency to increase with higher latitudes. In this study, cox1 and organelle genomes showed genetic diversity of C. kondoi and C. japonicum. The estimated population number (K=2) represent a geographical barrier between the South Sea and Yellow Sea since the last glacial maximum (LGM).

비단풀속 (Ceramium Roth 1797)은 약 1.2억 년 전 출현하였으며 전세계 210종이 알려져 있다. 현재 우리나라의 비단풀속은 15종이 알려져 있다. 비단풀 (Ceramium kondoi)과 깃꼴비단풀 (C. kondoi)은 우리나라 전 연안 조간대에 분포하며 최근연종이다. 다수의 비단풀속 종은 북서태평양, 북태평양 및 북동대서양에 동시에 분포하고 있어 해양생물지리 연구대상으로 잘 알려져 있다. 본 연구에서는 첫째, 미토콘드리아 cox1 분석을 통해 haplotype 분포 및 다양성을 파악하였다. 둘째, 비단풀속 종들 중 처음으로 미토콘드리아 유전체를 완성하였다. 마지막으로 세포소기관 유전체 (ptDNA, mtDNA) 분석을 통해 지역 집단간 개체군을 비교하였다. 2019년 9월부터 2021년 6월까지 우리나라 서해 (인천, 태안, 보령, 부안, 신안) 및 남해 (해남, 고흥, 여수, 사천, 통영) 17개 지점에 분포하는 비단풀 총 252개체를 채집하였다. 186개체에 대하여 cox1 분석을 수행하여 서해 18개, 남-서해 10개, 남해 9개 총 37개의 haplotypes를 정의하였다. 186개체에 대한 cox1 계통수 결과 남-서해 개체군에서 가장 먼저 분화가 일어났다. 동일한 시기 서해 (태안, 보령, 부안, 신안), 남해 (해남, 여수) 및 동해 (부산, 울산, 경주, 포항, 울진) 16개 지점에 분포하는 깃꼴비단풀 총 309개체를 채집하였다. 220개체에 대하여 cox1 분석을 수행하여 서해 10개, 남해 14개, 동해 6개 총 30개의 haplotypes를 정의하였다. 비단풀 35개체에 대하여 개체당 평균 14.5 Gb 데이터를 생산하여 세포소기관 유전체를 완성하였다. ptDNA는 약 171.8 Kb로 Coding Sequence (CDS)는 200개, rRNA 3개, tRNA 28개를 포함했다. mtDNA는 약 31.4 Kb로 CDS 28개, rRNA 2개, tRNA 26개를 포함했다. 깃꼴비단풀 22개체에 대하여 개체당 평균 14.1 Gb 데이터를 생산하여 세포소기관 유전체를 완성하였다. ptDNA는 약 171.6 Kb로 Coding Sequence (CDS)는 199개, rRNA 3개, tRNA 28개를 포함했다. mtDNA는 약 27.9 Kb로 CDS 27개, rRNA 2개, tRNA 27개를 포함했다. 비단풀 mtDNA에서 개체군 간 변이를 보인 곳은 서해와 남해, 남해와 남-서해 개체군 이었다. 서해 개체군의 경우 개체군 내 변이 또한 높았다. 깃꼴비단풀 세포소기관 유전체에서는 모든 개체군에서 개체군 간 변이가 높았으며 남해개체군의 경우 개체군 내 변이 또한 높았다. 서해 및 남-서해 개체군에서 반복 횟수의 차이를 보였으며 고위도로 갈수록 늘어나는 경향을 보였다. 본 연구에서는 우리나라 남해 및 서해에 분포하는 비단풀과 깃꼴비단풀 개체군 분포 및 다양성을 알기 위한 유전자 및 유전체 정보를 마련하였으며 지역 개체군으로 나누어 논의하였다. 비단풀과 깃꼴비단풀 두 종의 분포를 종합해 보았을 때, 추정 개체군 수 (K) 최대 피크가 2로 나타나는 것은 마지막 최대 빙하기로 인한 지리적 장벽이라 볼 수 있다.