Environmental effects on the morphology and population genetic structure of Littorina brevicula around Korean waters

Abstract

Widespread marine gastropod and planktonic developer, Littorina brevicula, is one of the most common snails found in the tidal zone along southeast Asian coast. This periwinkle, L. brevicula, has variation of shell morphs and colorations along two habitats affected by wave or not, and they are widely distributed in Korean waters influenced by four different ocean currents. And also, the species is partly exposed to air and reported more tolerant to wide range of pollutant, temperature and other factors affected by tidal changes. To investigate these properties, the environment effects (habitats, currents and heavy metal pollution) on morphology and population genetic structure of the periwinkle around Korean waters were performed. Firstly, morphological variation has often been explained as adaptation, in other words as the result of natural selection pressure such as predators or wave action. Usually genetic differentiation among populations within morphological variation was detected in unplanktonic development species. However, this study surveyed genetic differentiation among distinct shell morphs within planktonic developing L. brevicula using mtDNA markers, 12S rRNA and ND6. Sequencing analyses of 329bp fragment of the 12S rRNA and 486bp of the ND6 mtDNA revealed the existence of 1 and 3 haplotypes, respectively. Morphotypic association with population genetic variability were tested using a nested clade analysis (NCA) and analysis of molecular variance (AMOVA). No significant association in NCA and AMOVA were found between haplotypes distribution and morphology (p>0.05). Theses results mean that the lack of genetic structure (i.e. homogenization of allelic variation among populations) and populations are genetically connected (p>0.05). It suggests the existence of a high level of gene flow of the species. Secondly, because Korean waters are influenced by different minor current systems, this may lead me to expect certain genetic differentiation among populations of marine invertebrates around Korean coastlines. To test this idea, the genetic differentiation of 14 populations of the periwinkle, using mtDNA markers, cyt b and ND6 was examined. Sequencing analyses of 500 bp fragment of the cyt b and 501 bp of the ND6 mtDNA revealed the existence of 14 and 24 haplotypes, respectively. Geographic association with population genetic variability was tested using a nested clade analysis (NCA). However, no significant association between geography and haplotype distribution was found (p>0.05), which suggests the existence of a high level of gene flow of the species around Korean waters. The lack of genetic structure and likely high gene flow among these populations, even under influences of different minor current systems, may be accounted fur long periods of dispersal of the planktonic larvae from this gastropod species within major currents on the northwestern Pacific Ocean. Finally, changes in genetic variability and allele frequency can be response from natural populations by effect of heavy metal pollution. The genetic diversity and population structuring of natural populations of the periwinkle from heavy metal polluted and unpolluted environments along the southeast coast of Korea were examined using COⅡ and combined (COⅡ+cyt b + ND6) mtDNA markers. Sequencing analyses of 626 bp fragment of the COⅡ and 1627 bp of the combined mtDNA revealed the existence of 9 and 18 haplotypes, respectively. This study applied AMOVA to test existence of structuring association of haplotype distribution with environments (polluted and unpolluted). No genetic differences within combined (COⅡ+cty b + ND6) mtDNA were detected between environments. On the other hand, differences in population haplotype diversity and structuring were found within COⅡ mtDNA between polluted and unpolluted environments (p<0.05). The COⅡ mtDNA haplotype (=genetic) diversity was significantly higher in polluted environments (p<0.05). This increased genetic diversity within heavy-metal polluted environments compared to unpolluted ones stands out as emergent effects from pollution at a population level. By the results, the genetic diversity of populations within COⅡ mtDNA can be ecological indicator.;우리나라 연안에 넓게 분포하고 있는 총알고둥은 서식지의 환경에 따라 형태학적으로 다양한 패각의 모양과 색깔을 가진다. 이러한 총알고둥은 플랑크톤 유생시기를 거쳐 발생하고 있으며 서로 다른 해류가 흐르고 있는 우리나라 연안에 고르게 분포하고 있다. 또한 이 종(species)은 다양한 염분농도와 온도 뿐만 아니라 산성도와 중금속 오염 등에 노출된 환경에서도 서식이 가능하며 내성이 강하다. 따라서 본 연구는 이러한 특성을 가지는 총알고둥에서 환경적 영향(서식처와 해류 및 중금속 오염)에 의한 형태학적·유전학적 다양성을 조사하였다. 첫번째, 패각의 모양 또는 색깔에서 뚜렷한 형태적 차이를 보이는 총알고둥 집단간의 유전적 분화를 mtDNA 12S rRNA와 ND6유전자를 이용하여 조사하였다. 그 결과, 12S rRNA에서는 329개의 염기서열로 이루어진 1개의 haplotype이, ND6에서는 486개의 염기서열로 이루어진 3개의 haplotype이 조사되었다. 그리고 형태적 차이(패각의 모양과 색깔)를 보이는 각 두 집단의 haplotype 다양성을 비교한 결과, 각 두 집단에서 유전적 차이는 나타나지 않았다 (p>0.05). NCA 분석 결과에 의하면 각 두 집단의 haplotype과 각 clade 에서 유전적 구조의 차이는 보이지 않았으며, AMOVA 분석 역시 이들 두 집단이 유전적으로 상당히 연결되어 있음을 보여 주었다 (p>0.05). 이와 같은 결과는 유전적구조의 결핍과 함께 상당히 높은 유전적 교류의 가능성을 제시하여 준다. 두번째, 지리적으로 서로 다른 해류의 영향을 받으며 한국 연안에 서식하는 총알고둥이 집단간 또는 그룹(4개 해역의 각 집단들)간에 유전적으로 서로 연결되어있는지 알아보았다. 한국연안은 서로 다른 4가지 해류의 영향을 받고 있으며, 이와 같은 영향은 한국연안에 서식하는 해양무척추동물 집단간의 유전적 분화를 유도할 수 있다. 따라서 서로 다른 해류의 영향을 받는 한국의 4개 해역에서 14개 집단을 선정하여 이들 집단간·그룹간의 유전적 다양성을 mtDNA cyt와 ND6유전자에서 조사하였다. MtDNA cyt에서는 500개의 염기서열로 이루어진 14개의 haplotype이, ND6에서는 501개의 염기서열로 이루어진 24개의 haplotype이 조사되었다. 지리적 차이에 의한 그룹간의 haplotype 다양성을 비교한 결과 그룹간에 유의적 차이는 나타나지 않았다 (p>0.05). NCA분석에서도 지리적으로 서로 다르게 분포하는 그룹에서 보여준 haplotype과 각 clade간의 유전적 차이는 보여지지 않았으며, AMOVA 결과 역시 그룹간의 유전적 차이는 나타나지 않았다. 이와 같은 결과는 한국연안에 서식하는 총알고둥이 유전적 교류가 상당히 높을 가능성을 보여주며 지리적 차이에 의한 유전적 구조의 결핍을 의미한다. 이는 총알고둥이 오랜 시간동안 플랑크톤 유생단계를 거쳐 분산되어진 결과로 보여지며, 또한 한국 해역에 영향을 미치는 서로 다른 4가지의 해류 중 주된 해류인 쿠로시오해류의 영향을 크게 받아 지리적차이에 의한 유전적 분화는 나타나지 않는 것으로 보여진다. 마지막으로 중금속에 오염된 총알고둥의 유전적 다양성을 조사하였다. 일반적으로 심각한 중금속에 오염된 해양무척추동물은 집단유전 구조의 변화와 유전적 다양성의 감소 및 증가를 보인다. 따라서 우리나라 남동연안의 중금속 오염지역과 비오염지역에 서식하고 있는 총알고둥의 유전적 구조와 유전적 다양성을 mtBNA COII와 혼합한(COII+ND6+cyt b) 유전자를 이용하여 조사하였다. COII 유전자에서는 626개의 염기서열로 이루어진 9개의 haplotypes이, 혼합유전자에서는 1627개의 염기서열로 이루어진 18개의 haplotypes이 조사되었다. 오염지역과 비오염지역의 총알고둥에서 haplotype 다양성을 비교한 결과 오염지역에서 haplotype 다양성이 증가한 것으로 나타났다 (p<0.001). NCA의 분석에 의하면 각 유전자에서 두 그룹(오염지역과 비오염지역의 집단들)의 haplotype과 각 clade간의 유전적 차이는 나타나지 않았다. 그러나 AMOVA의 분석 결과, 혼합유전자에서는 두 그룹간에 유전적 차이를 보이지는 않았으나 COII 유전자에서는 두 그룹간에 상당한 유전적 차이를 보여주었다 (p<0.01). 이와 같이 COII 유전자는 집단수준 (population level)에서 중금속 오염에 의한 영향을 긴급 시사하여 주며, 해양환경오염을 모니터링하기에 유용한 마커로 보여진다.