Effects of sea-level fluctuations and salinity on the demographic expansion and adaptive evolution of the mud-tidal gastropod (genus Batillaria) from the northwest Pacific

Abstract

The focuses of this dissertation are to evolutionary geographic distribution and demographic expansion, tolerance and/or adaption to salinity stress, as well as osmoregulatory pathways underlying the evolutionary invasiveness of the non-model species of littoral marine gastropod Batillaria attramentaria. In particular, the first chapter addressed the impacts of past sea-level fluctuations caused by climate changes on the history of the demographic distribution of the intertidal snail B. attramentaria in the area of the northwest Pacific Ocean during the Last Glacial Maximum period. In the second chapter, I investigated the physiological behavior, particularly locomotion, and transcriptional responses of such snail species to the salinity stress. In the third chapter, I investigated the molecular mechanisms underlying the successful invasion of such species, as well as their adaptive evolution under the effect of salinity stress. Therefrom, I have discovered and reported several potential metabolic pathways and genes that are likely to be essential for (1) tolerance/adaptation to salinity stress of the native snails and (2) adaptive evolution of the introduced snails. 1. [Postglacial range shift and demographic expansion of the marine intertidal snail Batillaria attramentaria, Ho et al., 2015 Ecology and Evolution] Regarding the geographic location of the fifteen populations, I grouped them into of three distinct Korean groups of Yellow Sea, South Sea, and Jeju Island. By applying phylogeographic and divergent population genetic approaches to mitochondrial COI sequences from the Batillaria attramentaria groups, I estimated ancient divergent time of ((YS,SS)JI) as ((24ka),35ka) and their subsequent expansion. On the other hand, I also confirmed the presence of two differentiated, geographically subdivided haplogroups of the snails on the Japanese coastlines 400 ka along the bifurcated routes of the warm Kuroshio current and its derivative, Tsushima current. Bayesian Skyline Plot analyses of the five geographically and genetically defined Korean and Japanese groups consistently indicated that each cluster has exponentially increased since the Last Glacial Maximum (LGM, 26–19ka). 2. [Behavioral and transcriptional responses to salinity changes of the mud-tidal gastropod (genus Batillaria) from the northwest Pacific] I developed a lab-culturing system for the intertidal gastropod to study their physiological behavior and transcriptional responses to the salinity stress. The behavioral experiments showed that salinity stress significantly influenced organism’ movement distance, specifically the shorter movement distance of snails associates with stronger salinity stress during the acclimation period. Transcriptomic analyses revealed critical metabolic pathways (28 significantly enriched pathways over a total of 94 pathways with threshold p-value <0.05) and genes (3,499 differential expressed genes) which assist snails to tolerate to salinity stress and partly explore the putative molecular mechanisms to salinity stress of the intertidal snails. I hereby present a robust, integrative laboratory-based approach to investigate the effects of salinity stress on the non-model gastropod which is facing the consequences of environmental changes. 3. [Adaptive evolution of mud-tidal snails (genus Batillaria) to the changes in salinity] To determine the extent to which intraspecific differences between these two native and introduced congeners towards the changes of salinity, I applied a comparative approach to the pairwise integrated movement distance and gene expression data of the three populations of the Korea, Japan and the USA. Therefrom, I propose particular traits which might take account of the effective intrusiveness of B. attramentaria through identification of differential expressed genes (DEGs) associating with osmo-regulation. From the results, I hypothesize that the variation among genetic makeup of the two lineages of Tsushima and Kuroshio and past exhibition to different salinity fluctuation profiles might contribute to the behavioral and/or transcriptional plasticity among populations. To my knowledge, this is the first comparative study that investigates the intraspecific physiological and transcriptional responses towards the salinity stress. These data could shed light to expand the knowledge of possible adaptive signatures in genetics regarding the successful invasion of this non-model marine organisms, as well as evolutionary relationships between the native and introduced snails based on their salinity tolerance capacity. ;이 논문은 연안에 서식하는 해양 복족류 Batillaria attramentaria 의 진화적인지리적 분포 및 역사적 유효개체수 팽창, 염분 스트레스에 대한 적응과 비모델종의 진화적 침입의 기초가 되는 삼투 조절 경로에 초점을 맞추고 있다. 첫 번째장에서 마지막 빙하기(Last Glacial Maximum (LGM, 26-19ka))동안 태평양조간대 복족류인 댕가리 B.attramentaria 의 역사적 유효개체수 분포에 대한 기후변화의 영향을 연구하였다. 두 번째 장에서는 생리학적 행동, 특히 이동과 염분스트레스에 대한 댕가리 종에 대한 전사 반응을 조사하였다. 마지막 세 번째 장에서, 댕가리 종의 성공적인 침입의 기초가 되는 분자 메커니즘과 염분 스트레스의 적응진화에 대한 연구를 수행하였다. 그로부터 (1) 토착 댕가리 종의 염분 스트레스에대한 내성/적응 및 (2) 도입 된 댕가리 종의 적응 진화에 필수적일 수 있는 잠재적 대사 경로 및 유전자를 발견하였다. 1. 해양 복족류 댕가리 Batillaria attramentaria 의 역사적 유효개체군 팽창과 후빙기 변동[Postglacial range shift and demographic expansion of the marine intertidal snail Batillaria attramentaria, Ho et al, 2015 Ecology and Evolution] Batillaria attramentaria 에서 유래 된 미토콘드리아 COI 염기 서열에 대한계통 지리학적 분포와 다양한 개체군 유전학적 접근 방법을 적용하여, 지리적위치에 대해 황해(YS), 남해(SS) 및 제주도(JI)의 3 개 그룹을 분류하였다. 분석결과, JI 그룹이 35,000 년 전에 먼저 분화되고 그 이후 YS 와 SS 그룹은 24,000 년전에 분화한 것으로 추정되며, 그 이후의 유효개체수 팽창을 추정하였다. 다른한편으로는, 따뜻한 Kuroshio 해류와 그 해류에서 갈라져 나온 Tsushima 해류의두 갈래로 갈라진 경로를 따라서 400,000 년 전에 일본 해안 댕가리는 지리적으로 세분화 된 두 가지 서로 다른 하플로 그룹으로 분화 되었음을 확인하였다. 지리적, 유전적으로 정의 된 한국과 일본의 5 개 그룹에 대한 Bayesian Skyline Plot 분석결과, 각 클러스터가 마지막 빙하기(Last Glacial Maximum (LGM, 26-19ka)) 이후 기하 급수적으로 증가한 것이 일관되게 나타났다. 2. 북서태평양 갯벌 서식 복족류(genus Batillaria)의 염분 변화에 대한 행동및 전사 반응 [Behavioral and transcriptional responses to salinity changes of the mud-tidal gastropod (genus Batillaria) from the northwest Pacific] 이 연구에서 염분 스트레스에 대한 생리 학적 행동과 전사 반응을 연구하기위해 조간대 복족류에 대한 실험실 배양 시스템을 개발하였다. 행동 실험에 따르면염분 스트레스가 댕가리의 이동 거리에 크게 영향을 주었으며 구체적으로는순응시기 동안 염분 스트레스가 더 강할수록 댕가리의 이동거리는 짧았다. 전사체분석을 통해 댕가리가 염분 스트레스를 견딜 수 있도록 돕는 핵심 대사 경로(pvalue 가 0.05 미만인 총 94 개의 경로 중에서 유의미하게 강화된 경로는 28 개)와 염분 스트레스를 견뎌내는 데 도움이 될 것이라 추정되는 유전자(3,499 개의 차등 발현 유전자)를 발견하였다. 또한 이 연구는 환경 변화에 직면한 비모델 복족류를 대상으로 염분 스트레스의 영향을 조사하기 위한 실험실 기반 접근법을 제시하였다. 3. 염분 변화에 대한 갯벌 복족류(genus Batillaria)의 적응 진화 [Adaptive evolution of mud-tidal snails (genus Batillaria) to the changes in salinity] 이 연구에서 토착 댕가리의 행동 및 전사 반응과의 비교를 통해 도입 된 갯벌서식 갯고둥 댕가리 Batillaria attramentaria 의 적응 행동 및 전사 반응을 조사하였다. 연구 결과, 염분 변화에 대한 토착 및 도입 된 댕가리 B. attramentaria 사이의 운동 능력 및 전사 반응에서의 유의미한 차이는 서로 다른 염분 변동 영향/ 또는 Kuroshio 계통과 Tsushima 계통의 유전적 구성의 다양성 때문인 것으로 나타났다. 또한 위치 특이적인 대사 경로와 염분 내성을 담당하는 유전자 및 댕가리의 효과적인 침입을 가능하게 할 수 있는 특정 형질을 확인하였다. 이 연구는 염분 스트레스에 대한 생체 내 및 전사 반응의 특성을 탐구하는 최초의 비교 연구이며, 비모델 해양 생물의 성공적인 도입에 관한 유전학의 가능한 적응적 특징에 대한 지식뿐만 아니라 염분 내성 능력에 기초한 토착 및 도입 댕가리 간의 진화적 관계에 대한 이해를 넓혀 줄 것이라 기대된다.