Molecular phylogenetic and population genetic studies of the freshwater fish family Cobitidae (Teleostei: Cypriniformes) in Korea

Abstract

The family Cobitidae is important in the freshwater ichthyofauna of the Korean peninsula, where 13 of 16 species from five genera have been reported as endemic species. Particularly, species of Cobitidae have drawn interest from the evolutionary perspectives for two reasons: (i) the disjunctive distribution ranges of Korean endemic cobitids, which suggests the possibility of allopatric speciation, and (ii) the occurrence of interspecific hybridization, for example, which has been observed between Luther spined loach, Cobitis lutheri, and Korean striped spined loach, C. tetralineata, as well as between large speckle spined loach, Iksookimiea longicorpa, and Nakdong spined loach, C. hankugensis. In the present study, I investigated the molecular phylogenetics and population genetics of cobitid species inhabiting the Korean peninsula with regard to their speciation and hybridization. Chapter I presents a genetic consequence of human-induced secondary contact between Cobitis fish species, C. lutheri in the Dongjin River, and C. tetralineata in the Seomjin River. Multilocus genotypic data of eight microsatellites and three nuclear loci revealed an extensively admixed structure in the hybrid zone with a high proportion of various post-F1 hybrids. Pure native C. lutheri was absent in the hybrid zone in contrast to the 9% of pure C. tetralineata because of the dominant influence of continually introducing C. tetralineata on the native C. lutheri which has limited supply of natives to the hybrid zone due to the physical barrier of the low-head dams. The results suggest that the gene pool of native C. lutheri is being rapidly replaced by that of continually introducing C. tetralineata, which will ultimately lead to the genomic extinction of natives in this hybrid zone. Chapter II tests the hypothesis that mitochondrial introgression mediated by hybridogenetic hybrids can occur between two parental species, C. hankugensis and I. longicorpa, in natural populations. Gene flow parameters estimated by divergence population genetic analyses indicated that a significant unidirectional introgression of mitochondrial genome exists without any nuclear gene flow between the two parental species inhabiting the naturally existing hybrid zone. Haplotype patterns of one mitochondrial and two nuclear genes showed the occurrence of a mito-nuclear mosaic genome, which is interpreted as being the result of mitochondrial introgression, in the extensive populations of each parental species. Chapter III examines the hypothetical relationship between the history of river drainages and the divergence history of Korean cobitid species. A species tree based on eight nuclear genes was found to be highly consistent with the taxonomic system of five genera based on morphology and geography except for the basal Cobitis choii among the three genera, Cobitis, Iksookimia, and Kichulchoia. Analyses of morphological characters on the species tree proved that the pattern of lateral body pigmentation, suborbital spines, cheek muscles, and lamina circularis are synapomorphic for the classification of the genera. The divergence times among the Korean endemic loaches were estimated in a range from the Pliocene to the early Pleistocene (7–2 million years ago), corresponding to the geological timing of the disconnection of the Korean rivers from the paleo-Yellow River and each other as well.;미꾸리과 어류(family Cobitidae)는 아시아와 유럽 등지에 서식하는 저서성 담수어류로, 한반도에는 5속 16종 가운데 13종이 고유종으로 비교적 높은 고유성을 가진다. 특히 한반도 미꾸리과 어류에서는 고유종의 분단 분포 양상과 다수의 종간 잡종 사례가 관찰되고 있으며 이와 관련된 다양한 진화론적 질문들이 제시되고 있다. 본 연구는 분자계통 및 집단 유전학적 분석을 통해 이와 같은 한반도에 서식하는 미꾸리과 어류들의 생물지리학적 분화와 잡종 현상을 진화론적 관점에서 검토하고자 한다. 첫 번째, 인위적인 수로 변경에 의해 발생한 점줄종개(Cobitis lutheri)와 줄종개(C. tetralineata)의 잡종 현상과 이에 따른 유전적 변화와 영향을 논의하였다. 섬진강에 서식하는 줄종개는 약 80년전 건설된 인공 수로를 통해 점줄종개의 자연 서식지인 동진강으로 유입되었고, 수로 건설 이후 동진강 본류에서 줄종개와 점줄종개의 잡종 자손이 나타나고 있다. 점줄종개와 줄종개간 잡종 현상에 따른 동진강 점줄종개 집단의 유전적 변화를 알아보기 위해8개의 마이크로새틀라이트 좌위와 3개의 핵 유전자 좌위가 분석되었다. 분석 결과, 잡종 지대에서 두 종의 유전형은 광범위하게 혼합된 구조를 보였을 뿐 아니라 다양한 유형의 1세대 이후 잡종 자손들이 매우 높은 빈도로 나타났다. 또한 순종 줄종개가 잡종 지대에서 전체 중 9%를 차지한 반면 순종 점줄종개는 전혀 관찰되지 않았다. 이는 줄종개의 순종 개체가 잡종 지대로 계속해서 유입되는 반면 동진강의 점줄종개는 보에 의해 순종 공급이 제한되어 있기 때문인 것으로 해석된다. 더불어, 두 종간의 교배 실험에서 두 종간 생식적 격리는 관찰되지 않았다. 따라서 동진강에 서식하는 순종 점줄종개의 유전자 풀은 지난 80년간의 무작위적인 잡종 교배를 통해 줄종개의 유전자로 대체되어 가고 있으며, 최종적으로는 잡종 지역 내 점줄종개의 유전적 멸종으로 이어질 것이다. 두 번째, 단성 생식 잡종 집단을 형성하는 왕종개(Iksookimia longicorpa)와 기름종개(C. hankugensis) 간 자연 집단 내 유전자 흐름을 연구하였다. 인공 교배 실험을 통해 보고된 생식 모드 가설에 근거하여, 자연상에 존재하는 왕종개와 기름종개 잡종 집단 내에서 3배체 잡종으로부터 순종의 생물형을 가진 개체가 발생한다면 미토콘드리아 이입에 의해 핵 유전자와 미토콘드리아 유전자 간 타입의 불일치가 관찰될 것이다. 가설에 따른 예측을 검증하기 위하여 하나의 미토콘드리아 유전자와 두 개의 핵 유전자 서열을 이용하여 집단 유전학적 연구를 수행하였다. 잡종 지대에 자연적으로 분포하는 두 부모종 간 유전자 흐름을 분석한 결과, 핵 유전자 흐름없이 미토콘드리아 유전자는 통계적으로 유의미하게 단일방향으로 이입되었다. 각 유전자들의 단상형 패턴을 부모종의 집단에서 검토한 결과, 모든 개체들의 핵 유전자 단상형은 그들의 분류학적 형태 특징과 일치하였으나 일부 지역에서 이들의 미토콘드리아 유전자 타입은 형태 특징뿐 아니라 핵 유전자 타입과도 일치하지 않았다. 주목할 점은 기름종개 집단들에서 왕종개 또는 그 근연종들(남방종개 I. hugowolfeldi와 동방종개 I. yongdokensis)과 단계통을 이루는 미토콘드리아 단상형들이 관찰되었고 다양한 유전적 계보가 관찰된 왕종개 집단들은 기름종개와 동서하는 지역에서 기름종개 타입의 미토콘드리아 단상형을 보였다는 것이다. 따라서 잡종을 매개로 한 미토콘드리아 이입은 한반도 내 기름종개와 세 참종개 속 어류들(왕종개, 동방종개, 남방종개)이 동서하는 지역에서 광범위하게 발생하고 있다고 판단된다. 마지막으로, 과거의 지리학적 변화와 종분화 간의 관계를 연구하였다. 고해양지리학적 변화에 의한 한반도 수계의 분단이 한반도 담수어류의 종분화에 미친 영향을 알아보기 위해 하나의 미토콘드리아 유전자와 다수의 핵 유전자 좌위 서열을 이용하여 미꾸리과 16종의 진화 역사를 분자 계통학적으로 분석하였다. 미토콘드리아 유전자 계통수는 핵 유전자 계통수와 유의한 가지 형태를 보였으며, 이는 잡종현상을 통한 유전자 이입의 영향으로 해석할 수 있다. 기조 분류군인 미호종개(Cobitis choii)를 제외하고, 본 연구에서 재구성된 종 계통수는 형태에 따른 최근의 속 분류 체계와 일치하였으며 이 계통수를 바탕으로 한 형질 진화 분석에서 체측 반문 형태, 안면 근육의 해부학적 구조, 안하극의 기능성 유무, 골질반의 유무가 한반도 미꾸리과 속 분류의 중요한 지표인 것으로 나타났다. 기름종개속 어류의 화석 데이터를 통한 분화 연대 측정의 결과, 미꾸리과 내 속간 분화 시기는 약 1300만 년으로 나타났으며 이 속간 분화는 각 속의 서식지 선호도 차이에 따른 적응 진화 때문인 것으로 해석된다. 반면 종간 분화 시기는 대체로 고황하를 통해 연결되어 있던 한반도의 강들이 해수면 상승에 의해 격리되기 시작한 선신세 후기부터 홍적세 이르는 시기(600-170만 년 전)와 일치하였다. 이러한 종 분화 시기와 수계 단절 시기의 일치는 고지질학적 변화에 따른 수계의 단절이 미꾸리과 어류를 포함한 한반도 담수어류들의 진화에 중요한 영향을 주었음을 시사한다.