Systematics, and Phylogeography in the tropical species, Arundina graminifolia (Orchidaceae: Epidendroideae)

Abstract

Arundina graminifolia (D. Don) Hochr. (Orchidaceae: Arethuseae) is common orchid in Southeast Asia, distributing from Nepal, southern China to Indochina through several of the Pacific island to Ryukyu Island. The species has great morphological variations but has been considered as one variable species. In the present study, morphology, inter-specific relationship of Arundina graminifolia, and two possible new species of Arundina were discussed. In addition, for the conservation of A. graminifolia, its population structure and genetic differentiation were performed. Morphological variations in the species was investigated using statistical method and 20 quantitative characters were analyzed. Despite its great morphological variations, the result support a current taxonomic status of A. graminifolia which is only one variable species. A factor analysis revealed that features of floral part is more important than that of vegetative part for this species. However, there is no significant grouping pattern in this species by a factor and cluster analyses with quantitative characters. From the result of discriminant analysis using five groups based on three cpDNA sequence data (trnS-trnG, matK and trnT-L), SB population from Borneo Island was clearly separated from other groups. In addition, two undescribed species from India (A.sp_India) and Cambodia (A.sp_Cambodia) are not distinguishable by quantitative traits. Two undescribed species, A.sp_India and A.sp_Cambodia were confirmed their taxonomic status by DNA sequence data based on three cpDNA (rbcL, matK and trnL intron) and one nrDNA (ITS). These two new possible species are diverged genetically and separate from a widely spread species, A. graminifolia. The maximum divergence of A. sp._Cambodia and A. sp._India showed almost two times higher than those of among A. graminifolia. Unlike A. sp._Cambodia, the phylogenetic location of A. sp._India is unclear due to the incongruence between ITS- and cpDNA-derived topologies. This non concordance between cytoplasmic- and nuclear-DNA based phylogenies may result from applying different coalescence time to each analysis. Based on the results, the two species could be considered as new species of Arundina. High levels of genetic diversity, based on three cpDNA, of A. graminifolia were observed and this high genetic diversity can be explained by its relatively wide distribution range and large population size. However, the whole population are highly differentiated based on AMOVA tests (FST=0.7982) and such a high population genetic differentiation of the entire populations can be explained by the limited frequency and amount of gene flow between populations throughout seed- and pollen disposal. Based on result of phygeography study in the studied regions, a possible b iogeographical history was hypothesized. When Indochina and Boreneo Island were connected by land bridge and part of the submerged Sunda Shelf, an ancestral haplotypes which were survived in the centre of Malaysia during glacial period spread to other mainland areas, and expanded to islands in Sundaland. There might be gene flows of A. graminifolia between Indochina and Indonesia and Borneo Island. After the sea level rose, each populations was separated and might evolve independently. However, ancestral haplotypes might still remain and share between populations. An unique haplotype of SB (one of Borenean populations) may be explained by a severe bottleneck, and geographic and environmental effects. All samples of SB population were collected from Mt. Kinabalu which is the highest mountain in the Malay Archipelago (4,094 m). This unique geographic and environmental isolation may cause significant genetic drift in the population and it should have a prior to conservation management than other population.;Arundina graminifolia (D. Don) Hochr. (난과: Arethuseae 족) 은 동남아시아에 주로 분포하는 종으로 네팔, 중국남부, 인도차이나 반도를 거쳐 남태평양 지역 및 일본의 류큐섬까지 분포한다. 이 종의 형태학적 변이는 매우 다양함에도 불구하고 현재까지 변이폭이 넓은 단일종으로 처리되어 오고 있다. 본 연구에서는 Arundina 속의 형태, 계통학적 유연관계 및 2개의 신종후보종에 관한 연구를 수행하였다. 더불어 본 종에 대한 보전·관리를 위한 목적으로 집단구조 및 유전적 다양성에 관한 연구를 수행하였다. Arundina graminifolia 종 내의 형태적 변이를 분석하기 하기 위하여 20 개의 정량적 형태형질이 통계분석방법을 이용하여 이루어졌다. 형태분석 결과는 종 내에서 보여지는 다양한 형태적 변이에도 불구하고, 현재의 분류학적 견해인 단일종임을 지지하였다. 주성분분석결과에 따르면 생식기관의 형질이 영양생식기관의 형질보다 중요한 요인으로 나타났다. 그러나 주성분분석에 의한 요인분석과 군집분석에 의해서는 종내의 그룹이 관찰되지 않았다. 엽록체 DNA 염기서열자료에 따라 분류된 5개의 그룹에 따른 판별분석 결과 보르네오섬의 사바집단이 다른 집단과 뚜렷하게 구별되었다. 인도와 캄보디아에서 채집된 신종후보종은 기본종인 A. graminifolia와 정량적 형태형질에 의해서 구분되지 않았다. 두 개의 신종후보종인 A.sp_India와 A.sp_Cambodia의 분류학적 위치가 3개의 엽록체 DNA 구간, rbcL, matK, trnL intron, 과 핵 DNA 구간인 ITS의 염기서열분석을 통하여 확인되었다. 이 두 종은 넓게 분포하는A. graminifolia종과 유전적으로 분화된 것으로 나타났으며, 각각의 두 종과A. graminifolia와의 최대 유전적 분화정도는A. graminifolia종내의 최대치보다 두배 가까이 높게 나타났다. A.sp_Cambodia 와는 달리 계통수내에서 A.sp_India의 위치는 다소 불명확하나, 이것은 핵과 엽록체 DNA에 기반한 계통수 간의 분화시기의 불일치의 결과인 것으로 보인다. 이러한 결과에 의하여 두 종은 Arundina 속의 신종으로 생각된다. 엽록체 DNA 3구간의 염기서열을 이용한 Arundina graminifolia의 집단유전분석에 의하면 종 내에 높은 유전적 다양성이 관찰되었으며, 이것은 비교적 넓은 분포지역과 큰 집단크기에 의한 것으로 보인다. 그러나, AMOVA 분석에 의하면, 전체 집단내에서 개별집단별로는 유전적 차이가 높은 것으로 관찰되었으며 (FST=0.792), 이러한 높은 집단간의 분화정도는 열매와 꽃가루에 의해 일어나는 각 집단간의 유전자 교환의 양과 빈도가 제한적인 것에서 기인한 것으로 보인다. 계통지리연구 결과에 의하여 본 연구지역에 대한 가능한 생물지리적 가설이 제안되었다. 빙하기 당시, 인도차이나 반도와 보르네오섬은 육지로 연결되어 Sunda Shelf의 일부였었고, 이 때말레이시아의 중앙지역에 생존하고 있었던 조상유전자가 인도네시아, 베트남, 보르네오섬으로 퍼졌을 것으로 추정된다. 이후 해수면의 상승으로 인도차이나 반도와 인도네시아, 보르네오섬이 지리적으로 분리되면서 각 집단간의 독립적인 분화가 일어난 것으로 보인다. Arundina graminifolia집단 중 보르네오섬으로 부터 채집된 SB 집단에서 고유한 유전자형이 관찰되었다. 이러한 고유성은 유전자 병목현상 및 지리적 환경적 영향에 의한 것으로 판단된다. SB 집단이 채집된 키나발루산은 말레이반도내에서 가장 높은 고산으로서 (4,094m), 이러한 고유한 자연환경이 이 집단내에 뚜렷한 유전적 분화를 유도하였을 것이며, 이러한 고유한 유전자를 가지는 집단은 다양성 보전과 관리시 우선적으로 고려되어야 할것이다.