Population structure and genetic evidence for population expansion of the sweet smelt (Plecoglossus altivelis) in East Asia

Abstract

은어(sweet smelt, Plecoglossus altivelis)는 민물과 바다를 오가는 1년생 양측성 어류로서, 가을에 성체가 강 하류에 알을 낳으면 부화한 치어는 바다로 떠내려가 겨울을 지내고 봄에 다시 강으로 올라온다. 본 연구에서는 은어의 미토콘드리아 DNA 서열을 이용하여 동아시아 전체 은어 개체군의 유전학적 구조와 한국 내 은어 개체군의 유전학적 구조를 알아보고, 동아시아에서의 과거 은어 개체군의 개체 수 증거에 대한 분자적 증거를 찾아보고자 하였다. 한반도 8곳에서 70개체의 은어를 채집한 후 미토콘드리아 DNA control Region 및 Cytochrom b 유전자의 서열을 얻었고, 일본 및 중국 은어들의 미토콘드리아 DNA control Region 을 추가하였다 (n = 260). 개체군 유전학적 분석을 수행한 결과 전체적으로 유전적 다양성이 매우 높았고, 동해안과 서해안의 은어 크기가 다르다는 기존의 연구결과와는 달리 AMOVA 결과 한국 안에서 개체군간 유전적 분화는 관찰되지 않았다 (ΦST= -0.05). 이는 한국 은어 개체군간의 높은 gene flow 와 불완전한 lineage sorting 때문인 것으로 예상된다. 동아시아 전체 개체군에서는 AMOVA 분석을 통해 개체군 사이의 유전적 분화를 관찰할 수 있었는데 (ΦST= 0.27), 주로 섬 개체군 또는 서로 다른 나라 사이의 먼 개체군에서의 높은 분화도에 따른 것으로서, 이는 먼 거리의 은어개체군 간의 제한된 gene flow 와 섬 개체군의 genetic drift를 시사한다. 분자 마커의 중립진화 (neutrality) 검증과 mismatch distribution 의 결과는 동아시아의 개체군들이 역사적인 개체 수 증가를 겪은 것을 시사하는데, 그 시기는 83,158~390,845년 전으로 예측된다. 이는 홍적세 (Pleistocene)에 빙하기 및 해수면 후퇴로 인해 은어의 서식지가 줄었다가 갑자기 늘어나면서 개체수가 증가한 흔적인 것으로 보인다. 결론적으로, 본 연구의 결과에 의하면 동아시아의 은어 개체군은 가까운 거리 및 섬이 아닌 본토 간 개체군에서는 유전적 분화를 보이지 않는 특징을 보이는데 이것은 은어 개체군 사이의 높은 gene flow와 홍적세의 개체군 팽창 후 아직 불완전한 lineage sorting 때문인 것으로 보이고, 섬 개체군의 경우에는 제한된 gene flow와 genetic drift에 의해 유전적으로 분화된 것으로 보인다.;Amphidromous fishes have the potential to disperse widely while in the marine stage due to vast ocean spaces. Sweet smelt or ayu, Plecoglosus altivelis, is a typical amphidromous fish which spawns at the lower reaches of rivers in autumn, after which the hatched larvae move down to the sea to grow during winter and travel back to nearby rivers during spring. The present study was aimed to investigate the population genetic structure and historical population expansion of P. altivelis in East Asia using 260 mitochondrial control region sequences (329 bp) from East Asia and additional 70 mitochondrial cytochrom b gene sequences (1021 bp) from the Korean mainland. Concatenated sequence analysis of 70 mitochondrial control region and cytochrom b gene sequences were carried out for detecting Korean mainland population structure, while the 260 mitochondrial control region sequences of P. altivelis were used separately to detect population structure from East Asia (Korea, Japan and China) . Analysis of molecular variance (AMOVA) failed to detect genetic differentiation among Korean mainland populations of P. altivelis (ΦST = -0.05), despite precedent report of different fish size between east coastal and south coastal Korea, implying high gene flow and incomplete lineage sorting. AMOVA revealed a significant and high overall ΦST (0.27) among East Asian populations, mainly due to the high genetic differentiations of island and overseas populations, suggesting limited gene flow between distant populations and high genetic drift in island populations. Both neutrality tests and mismatch distribution proposed a late Pleistocene population expansion of approximately 83,158–390,845 years ago. The results of this study leads to the conclusion that the P. alitivelis population structure in East Asia is characterized by relatively small genetic differentiation among near populations and also among mainland populations. This can be attributed to high gene flow and incomplete lineage sorting after population expansion during the Pleistocene, and the high genetic differentiation of island populations due to great genetic drift and restricted gene flow.