COI 유전자 서열을 이용한 한국 총알고둥(Littorina brevicula) 집단의 유전적 구조연구

Abstract

우리가 흔히 ‘총알고둥’(Korean common periwinkle)이라 부르는 종은 Littorina brevicula (Philippi, 1884)라는 종으로 독도를 제외한 우리나라 연안에 고르게 분포하고 있다. 총알고둥은 바위에 서식하는 조간대 복족류 중에서도 가장 눈에 띄고 개체수가 풍부하기 때문에 다른 해양 복족류 집단에 비해 생태학적 및 생리학적, 생화학적 정보를 얻는 것이 용이한 것으로 알려졌다. 총알고둥과 같이 패각(shell)을 갖는 연체동물에서는 그 특징이 분류의 중요한 기준이 되며 종의 검정에 이용되기도 하지만 구별이 어려운 경우도 존재한다. 특별히 숨은 종(cryptic species)의 경우, 형태학적으로 그 존재를 밝히기 어렵기 때문에 분자 수준의 근거가 요구된다. DNA 바코드 기법은 이러한 상황을 반영한 것으로 생명체 DNA에 있는 짧은 길이의 유전자 마커를 이용한 분류 방법을 의미한다. 특히, 종 검정 과정에서 효율적인 도구로 증명된 미토콘드리아 cytochrome oxidase I(COI) 유전자 서열이 마커로서 많이 사용된다. 오염도 측정 지표 종으로써만 연구되어오던 한국 총알고둥에 대해 미토콘드리아 COI 유전자를 활용하여 집단의 유전적 구조(genetic structure)를 알아보았다. 연구를 통해 한국 총알고둥 집단에 대한 유전학적 자료를 제공하여 향후 총알고둥 과를 포함한 다양한 복족류 및 다른 해양 생물 종 연구에 기여하고자 하였다. 본 연구에서는 국내 4개 해역(동해, 서해, 남해, 제주)의 8개 지역에서 채집한 총알고둥 총 52 개체를 대상으로 COI 유전자의 지역별 다양성과 집단의 종 구성, 유전적 구조에 대해서 분석하였다. 연구 결과를 정리하면 다음과 같다. 먼저, 송지호(SJH)와 제주(JJ) 지역 개체의 단상형 다양도(Hd)가 1.000의 값으로 가장 높아 두 지역의 유전적 다양성이 가장 높음을 확인했다. 이에 반해, 갈목(KM)의 단상형 다양도가 가장 낮아 유전적 다양성이 낮은 지역으로 판단할 수 있었다. 또한, COI 염기서열 단상형 네트워크 모형을 통해서 단상형 1을 갖는 개체가 가장 많다는 것을 확인했으며 제주(JJ) 집단의 경우, 다른 집단과 다른 네트워크 양상을 보이며 독자적인 체계를 구축하고 있었다. 연구 지역을 해안 별로 구분하여 서해, 동해, 남해, 제주 집단의 단상형 다양도 값을 비교한 결과, 제주 해역 집단의 유전적 다양성이 가장 높고 서해가 가장 낮은 유전적 다양성을 보였다. 다음으로 종 구성에 대한 분석 결과, 제주 집단이 다른 지역과 구별된 분기군(clade)을 형성한 것 외에는 Neighbor joining(NJ) 계통수와 Maximum likelihood(ML) 계통수 모두에서 지역 간의 뚜렷한 차이를 확인할 수 없었다. 각 지역 개체에 대해 BLAST 검정을 실시한 결과, 제주 지역의 개체가 Echinolittorina radiata라는 종으로 밝혀져 한국 총알고둥 집단의 종 구성에 숨은 종이 존재함을 확인했다. 마지막으로, 집단 쌍(pairwise) FST 분석과 집단별 주성분 분석(PCoA)을 통해 제주 집단을 제외한 총알고둥 전체 집단의 유전적 거리가 비교적 가깝다고 해석할 수 있었다. 분자 분산 분석(AMOVA)은 이종으로 확인된 제주 집단을 제외하고 실시하였으며, 일정한 기준에 따라 그룹(group)을 설정하였으나 의미 있는 결과를 얻을 수 없었다. 여러 분석을 통해 본 연구의 대상 집단은 미토콘드리아 DNA의 COI 유전자 서열 데이터를 기반으로 한 유전적 구조를 형성하고 있지 않음을 확인하였다. 이로써 한국 총알고둥 집단을 유전적으로 구분할 수 있는 뚜렷한 기준이 없다고 말할 수 있다.;Littorina brevicula, usually known as 'Korean common perwinkle', are widespread evenly along the Korean coast except Dokdo. It is known to be easier to get their ecological, physiological, biochemical information than any other groups of marine gastropods. Because they are the most noticeable and abundant among intertidal gastropods which are inhabited on the rock. For shell-bearing mollusks like Littorina brevicula, shell characters are an important standard for species identification. However, some species cannot be distinguished precisely by shell features. Especially, for cryptic species, molecular evidences are required for the identification because it is difficult to distinguish them only by the shell morphology. In this situation, DNA-based analysis techniques are useful for taxon diagnosis. DNA barcoding is one of these methods. A very short genetic sequence is used for DNA barcoding to help discover unknown ones and assign them to specific species group. And the mitochondrial cytochrome oxidase I(COI) gene sequences are mainly used as a marker because they have been proven to be effective tools in the species identification. In this research, mitochondrial COI gene sequences are used for analyzing the genetic structure of Korean common perwinkle, which had been investigated only as indicator species of marine pollution before. The study provides genetic information of Littorina brevicula, which can contribute to the further research of various kinds of gastropods including family Littorinidae and other marine species. In this study, 52 specimens of Littorina brevicula are collected from the eight regions in the four main coasts in Korea including the East Sea, West Sea, South Sea and Jeju Island. Specimens were analyzed to research genetic diversity, composition of species, genetic structure of its COI gene. The results of the research are as follows. First, the diversity of COI haplotype in Songjiho(SJH) and Jeju(JJ) population were 1.000, the highest haplotype diversity(Hd). This means that the population of those two regions shows the highest genetic diversity. On the contrary to this, Kalmok(KM) population revealed the lowest haplotype diversity, meaning that it has the lowest genetic diversity. In addition, COI haplotype network analysis showed that haplotype 1 was found in the most of individuals. And the Jeju population had a different network figure from other regions presenting separated clade. Also the diversity of haplotype in four coasts, the East Sea, West Sea, South Sea and Jeju Island area, suggested that the highest genetic diversity occurred within the Jeju Island. While the lowest was found in the West Sea. Results of Neighbor-joining(NJ) and Maximum-likelihood(ML) indicated that there was no significant difference among the regions except Jeju Island: Jeju population showed separated clade from others. And the basic local alignment search(BLAST) on sequences of individuals from each regions revealed that individuals in Jeju were turned out to be cryptic species, called Echinolittorina radiata. It indicates that cryptic species can be found in the species composition of Korean common perwinkle. Careful scrutiny of pairwise FST analysis and Principal Coordinates Analysis(PCoA) reveals that the population of all regions except Jeju represented relatively close genetic distance. AMOVA analysis was conducted within seven regions except Jeju which had different species. And it showed no significant differences among groups that are made with populations based on genetic distance. All these results using mitochondrial COI gene sequences suggested that Littorina brevicula did not show genetic structure. That is, Littorina brevicula around Korean seas revealed a high gene flow.