Systematic studies of some nematode groups (Mononchida, Plectida, Rhabditida, and Triplonchida)

Abstract

Nematodes are essential components of nearly every ecosystem, yet are greatly understudied. Here, the morphological and molecular phylogeny of several major nematode taxa (Mononchida, Plectida, Rhabditida, and Triplonchida) was examined, providing key insights into (1) nematode diversity in Korea, (2) the phylogenetic position of major nematode groups, and (3) the global phylogeography of an invasive nematode. First, several major nematode fauna from Korea were surveyed, including four nematode groups (Mononchida, Plectida, Rhabditida, and Triplonchida). Specimens were collected from 7 localities from January 2012 to July 2017, and 10 species belonging to four orders were identified and represent the first records of these species in Korea; namely, 8 free-living freshwater nematodes [Prionchulus oleksandri Susulovsky and Winiszewska, 2003 belonging to the order Mononchida; Tobrilus aberrans (W. Schneider, 1925), Tobrilus diversipapillatus (Daday, 1905), Tobrilus gracilis (Bastian, 1865), Tobrilus longus (Leidy, 1851) and Tobrilus wesenbergi (Micoletzky, 1925) belonging to the order Triplonchida; Plectus aquatilis Andrássy, 1985, Plectus cirratus Bastian, 1865 belonging to the order Plectida] and 2 plant-parasitic nematodes [Aphelenchoides bicaudatus (Imamura, 1931) and Aphelenchoides nonveilleri Andrássy, 1959 belonging to the order Rhabditida]. Detailed descriptions, illustrations and measurements of morphological characters based on optical microscopy are provided. The following DNA sequences, which can be used as molecular barcode references are also provided: the D2-D3 regions of 28S rDNA, 18S rDNA, and the ITS1-5.8S-ITS2 region of rDNA obtained from several species. Further surveys and taxonomic studies, especially of underreported nematode taxa (soil, freshwater, marine free-living groups), are needed to contribute to various research fields such as systematics, biodiversity, ecology, evolutionary biology, population genetics, biogeography, embryology, neurobiology and cell biology. Secondly, the complete mitochondrial genomes of two representatives of the order Plectida, Plectus acuminatus and P. aquatilus, were determined and compared with those of other major nematode clades. Genome characteristics (e.g., genome size and base composition) were similar to other chromadorean nematodes in terms of gene content and nucleotide compositional bias; mt genomes were 14,831 and 14,372 bp, respectively, and contained 36 genes (12 protein-coding genes, 2 ribosomal RNA genes and 22 transfer RNA genes) with AT contents of 71.0% and 70.1%. Gene content was also similar to other nematodes, but gene order and coding direction of Plectus mtDNAs were dissimilar from other chromadorean species. P. acuminatus and P. aquatilis are the first chromadorean species found to contain a gene inversion. Mitochondrial genome phylogenetic trees were reconstructed using nucleotide and amino acid datasets from 87 nematodes (including the Plectus sequences) that represent major nematode clades. Trees from phylogenetic analyses using maximum likelihood and Bayesian methods depicted Plectida as the sister group to other sequenced chromadorean nematodes. This finding is consistent with several phylogenetic studies based on SSU rDNA, but disagrees with an earlier classification based on morphology. In addition, gene order in the two newly sequenced Plectus species was distinct from all other chromadoreans and there were no shared gene clusters between Plectus and the most common type of chromadorean gene order. It is particularly interesting to note that both Plectus species have an inverted nad2 gene. This reverse coding direction is unusual and is the first case of gene inversion in PCGs or rRNA genes among chromadoreans. The presence of the inversion in Plectida is consistent with the hypothesis that inversions are an ancestral feature of nematode mtDNA that was lost within Chromadorea, presumably in the common ancestor of Rhabditida. Mitogenomes representing other basal chromadorean groups (Araeolaimida, Monhysterida, Desmodorida, Chromadorida) are needed to confirm their phylogenetic relationships. Within the constraints of the present limited taxon sampling, phylogenetic analysis yields strong support for a sister relationship between the order Plectida and the remainder of the chromadorean clade. Future studies should focus on adding mitochondrial genomes of other underrepresented taxa, especially marine chromadoreans, in order to advance understanding of the evolution and diversification of nematode trophic ecologies. Thirdly, 15 microsatellite markers were developed and used to perform a phylogeographic study of Heterodera schachtii sampled from four continents. Plant‐parasitic nematodes (PPNs) threaten crop production worldwide, yet few studies have examined their intraspecific genetic diversity or patterns of invasion, critical data for managing the spread of these cryptic pests. The sugar beet nematode Heterodera schachtii, a global invader that parasitizes over 200 plant species, represents a model for addressing important questions about the invasion genetics of PPNs. Using 231 H. schachtii individuals, invasion history was reconstructed through an approximate Bayesian computation approach, with emphasis on the origin of newly discovered populations in Korea. Multiple analyses confirmed the existence of cryptic lineages within this species, with the Korean populations comprising one group (group 1) and the populations from Europe, Australia, North America, and western Asia comprising another (group 2). No multilocus genotypes were shared between the two groups, and large genetic distance was inferred between them. Population subdivision was also revealed among the populations of group 2 in both population comparison and STRUCTURE analyses, mostly due to different divergence times between invasive and source populations. The Korean populations showed substantial genetic homogeneity and likely originated from a single invasion event. However, none of the other studied populations were implicated as the source. Further studies with additional populations are needed to better describe the distribution of the potential source population for the East Asian lineage.;본 연구에서는 선형동물 분류군 Mononchida 목 (포식선충 목), Plectida 목 (감공선충 목), Rhabditida 목 (간성충 목), Triplonchida 목에 대한 형태분류 및 분자계통학적 연구를 수행하였다. 첫번째로, 국내 7개 지역에 서식하는 주요 선형동물(Mononchida 목, Plectida 목, Rhabditida 목, Triplonchida 목)을 조사한 결과, 4개의 속에서 총 10종의 국내 미기록종을 확인하였다: 8종은 담수에 서식하는 담수 자유생활성 분류군이며, 나머지 2종은 식물에 기생하여 서식하는 식물기생성 분류군이었다 [1) 담수자유생활선충: Prionchulus oleksandri Susulovsky and Winiszewska, 2003 각진입술톱이선충 Mononchida 목), Tobrilus aberrans (W. Schneider, 1925), Tobrilus diversipapillatus (Daday, 1905), Tobrilus gracilis (Bastian, 1865), Tobrilus longus (Leidy, 1851), Tobrilus wesenbergi (Micoletzky, 1925) (Triplonchida 목 ), Plectus aquatilis Andráássy, 1985, Plectus cirratus Bastian, 1865 (Plectida 목 ), 2) 식물기생선충 : Aphelenchoides bicaudatus (Imamura, 1931) (두갈래꼬리잎선충 ), Aphelenchoides nonveilleri Andrássy, 1959 (별꼬리잎선충, Rhabditida 목 )]. 광학현미경을 이용하여 연구대상종의 형태학적 특징을 상세히 기재하고 도판을 작성하였다 . 분자학적 연구 수행이 가능한 종들에 대하여 ribosomal RNA (rRNA) 유전자의 D2-D3, 18S, ITS1-5.8S-ITS2 영역 대한 DNA 염기서열을 확보하였다 . 향후 지속적인 국내 자생 선형동물의 조사가 필요하며 특히 많은 종이 보고되지 않은 토양 담수 해수 자유생활 분류군 ), 이러한 연구 결과는 생물 다양성 , 생태학 , 진화학 , 집단 유전학 , 생물 지리학 , 발생학 , 신경 생물학 및 세포 생물학과 같은 다양한 연구 분야 의 발전에 기여할 것이다. 두번째로 , Plectida 목을 대표하는 Plectus acuminatus 와 P aquatilus 의 미토콘드리아 전 게놈을 밝히고 , 선형동물의 분자계통학적 분석을 수행하였다. P. acuminatus 와 P aquatilus 의 미토콘드리아 전 게놈은 각각 14,831개와 14,372개의 염기쌍으로 이루어져 있고 , 총 36 개의 유전 자 [12개 단백질 부호화 유전자 , 2개 rRNA 유전자 , 22개 transfer RNA (tRNA) 유전자]를 포함하며 각각 71.0% 과 70.1% 의 AT contents로 이루어져있다. 유전자 구성은 다른 선형동물과 비슷하나, 지금까지 보고된 chromadorean 선형동물과는 달리 반대로 전사된 유전자 nad2를 가짐을 확인하였다. Plectida 목 (P acuminatus 와 P aquatilus)을 포함하여 주요 분류군을 대표하는 총 87 종 선형동물 미토콘드리아 전 게놈 정보를 이용하여 계통 발생학적 계통수를 작성하였다. 모든 분석 (maximum likelihood 와 Bayesian 방법 , nucleotide 와 amino acid 정보)에서 Plectida 목 (P. acuminatus 와 P. aquatilus)은 나머지 chromadorean 분류군과 자매군을 형성하였다 . 이 결과는 SSU rDNA 에 기초한 계통 발생학적 계통수의 결과와 일치하지만 일부 형태학적 특징을 근거로 주장된 분류 체계에는 동의하지 않는다 . 또한 Plectida 목 (P. acuminatus 와 P. aquatilus)의 유전자 서열은 지금까지 밝혀진 chromadorean 분류군의 유전자 서열과 비교했을 때 독특한 특징을 보였으며 , chromadorean 분류군의 일반적인 유전자 서열과 공통 유전자군이 존재하지 않았다. 특히 Plectida 목 (P. acuminatus 와 P. aquatilus)에서 확인된 역방향 전사 (nad2 유전자)는 chromadoreans 분류군에서 처음으로 발견된 사례이다 . 향후 , chromadorean 분류군 내의 모든 계통관계와 chromadorean 분류군-enoplean 분류군 사이의 계통관계를 밝히기 위해서는 chromadorean 분류군 내에서 아직 미토콘드리아 전 게놈 정보가 발혀지지 않은 주요 분류군 (특히 Araeolaimida 목 , Monhysterida 목 , Desmodorida 목 , Chromadorida 목)에 대한 연구가 추가적으로 필요하다. 이는 선형동물의 문의 풀리지 않는 계통 발생학적 문제들을 해결할 뿐만 아니라 , 선형동물의 진화와 다양성 연구에 중요한 정보로 활용 될 것으로 사료 된다. 세번째로, 식물기생선충은 전 세계적으로 상당한 작물 생산 피해를 일으켜왔다 . 그러나 이러한 식물기생 선충들의 피해와 확산을 관리하기 위한 유전다양성 연구나 침입 경로에 대한 조사는 미약한 편이다. 특히 사탕무씨스트선충 Heterodera schachtii)은 200종이 넘는 식물에 기생하며 전 세계적으로 확산된 대표적인 식물기생선충으로, 식물기생선충의 침입 경로에 대한 유전학적 연구에 핵심이 되고 있는 종이다. 이에 사탕무씨스트선충 H. schachtii)에 특화된 15개의 microsatellite marker를 개발하고, 이를 이용하여 4개의 대륙에서 채집된 사탕무씨스트선충 (H. schachtii) 231개체에 대한 계통지리학적 연구를 수행하였다 . 계통지리학적 분석 결과 , 8개의 나라에서 채집된 12개의 사탕무씨스트선충 (H. schachtii) 집단은 국내 집단으로 구성된 그룹 (Group 1)과 한국 이외의 집단인 유럽, 호주, 북아메리카, 동아시아 나라로 구성된 그룹 (Group 2)으로 나뉘었다. 특히, 사탕무씨스트선충 (H. schachtii) 집단 내에 정보가 알려지지 않은 Ghost populations의 존재가 확인되었다 . 사탕무씨스트선충 (H. schachtii) 내 두 그룹 사이에는 유전자형이 공유되지 않으며, 큰 유전적 거리가 확인되었다. 또한 Group 2에서는 기존에 존재하던 집단과 이주집단 사이의 분화시간 차이로 인해 하위 집단이 형성됨을 확인하었다. 국내 집단으로 구성된 그룹 (Group 1)은 유전적 동질성을 보였으며 , 단일 집단의 이주로 기원되었을 것으로 확인되었다. 향후, 추가적인 사탕무씨스트선충 (H. schachtii)의 집단 정보 확보 연구를 통하여, 전 세계적인 사탕무씨스트선충 H. schachtii) 집단의 분포를 확인하고 동아시아로 유입된 침입 경로와 기원 집단을 규명할 수 있을 것이다.