Phylogeography and population genetic study of Siberian roe deer (Capreolus pygargus) and phylogeography study of Siberian musk deer (Moschus moschiferus)

Abstract

노루 (노루속

Capreolus)는 구북구에 가장 널리 퍼져있는 중형 포유동물 중 하나이며, 주로 유럽에 서식하는 유럽노루 (C. capreolus)와 아시아 대륙에 서식하는 시베리아노루 (C. pygargus), 이렇게 2종을 포함한다. 유럽노루에 대한 유전적 연구는 많이 되어 있지만 시베리아노루의 유전적 다양성과 유전적 유연관계에 대한 연구는 미비하며 microsatellite 좌위 분석을 통하여 진행된 적은 없다. 따라서 본 연구에서는 미토콘드리아 DNA와 microsatellite 마커를 이용하여 시베리아노루의 계통지리와 유전적 다양성, 유전적 집단구조를 조사하였다. 먼저 계통지리와 유전적 다양성의 연구에서는 러시아, 몽골, 한국 등의 12개 지역 (7그룹)에서 채집한 219개체의 미토콘드리아 조절부위 (control region) (963bp)와 사이토크롬b (1,140bp)를 합친 염기서열을 사용했다. 미토콘드리아 조절부위를 다른 사슴과 (Family Cervidae) 종에서 보고된 다양성과 비교하였을 때, 대부분의 시베리아노루 집단에서 보통 수준의 haplotype 다양성 (Hd)과 뉴클레오타이드 다양성 (p)을 나타냈다. 하지만 제주도의 시베리아노루집단은 가장 낮은 다양성을 보였으며 다른 지역의 시베리아 노루와도 먼 유전적 거리를 보였다. 이는 제주도 노루집단이 장기간 지리적으로 격리되었고 집단감소나 창시자효과 때문으로 여겨진다. 비록 제주도의 시베리아노루 집단이 계통도에서 별개의 분기군을 나타내지 않았지만, 하나의 미토콘드리아 계통이 존재하는 유일한 곳이며 더 이상의 유전자 흐름은 기대하기 힘들기 때문에 보전이 필요하다. 계통도와 네트워크 분석에서 나머지 지역의 시베리아노루는 유전적으로 아종의 분류범위나 계통지리적 분포 패턴이 나타내지 않았다. 하지만 4개의 haplogroup을 가지고 있으며, 동부 시베리아 지역은 다양한 haplogroup이 분포하였고 서부 시베리아 지역은 2개의 haplogroup이 주로 분포하였다. 바이칼 지역과 아무르 지역은 모든 haplogroup의 분포, 집단 팽창의 존재, 높은 유전적 다양성을 보였다. 따라서 남부 시베리아의 산맥 부근에 조상그룹이 존재했을 가능성이 있거나 어딘가에 존재했던 조상그룹의 분산 후 바이칼 지역과 아무르 지역에 두 번째 군집을 형성했을 것으로 추정된다. 시베리아노루의 집단의 유전적 구조와 유전적 변이 정도를 조사하기 위해, 12 microsatellite 좌위를 아시아전역에서 채집한 189샘플을 대상으로 분석하였다. 결과는 가장 낮은 유전적 다양성 (Ar= 2.2, HE= 0.39)을 나타낸 제주집단을 제외하고 거의 대부분의 집단에서 보통 수준의 유전적 다양성 (Ar= 2.8-3.7, HE= 0.52-0.63)을 나타내었다. 서부지역의 집단들 (평균 Ar= 2.9, HE= 0.54)을 동부지역의 집단 (평균 Ar= 3.5, HE= 0.60)과 비교해보았을 때 비교적 낮은 유전적 다양성을 보였으며, 높은 수준의 유전적 분화 (평균 pairwise FST= 0.122)를 나타내었다. 또한 시베리아노루는 유전적으로 뚜렷이 구분되는 3개의 그룹이 존재했다. 이 3 그룹은 남동부 그룹 (한국본토, 러시아 극동지방, 바이칼 지역, 몽골북부), 북서부 그룹 (시베리아 서부와 러시아 우랄) 그리고 제주도 집단으로 구성되어 있었다. 섬으로 분리된 제주도를 제외한 나머지 두 그룹의 유전적 분화는 산맥 (알타이, 사이얀, 스타노보이, 콜리마 산맥)을 사이에 두고 나타났고, 다른 여러 분석들 (Barrier, AMOVA, FST, gene flow) 도 산맥에 의한 유전적 분화를 지지하는 결과를 나타내었다. 한편, 이 두 그룹의 경계 지역에서는 두 유전자 타입이 혼재되어 나타났는데 이는 경계지역에서 그룹간 이주가 일부 있다는 증거로 생각된다. 종합적으로, 비록 경계지역에 유전자 혼재가 존재하지만 시베리아노루 집단은 유전적으로 구분되는 3개의 그룹이 존재하고 이들의 관리와 보전을 위해서 아시아 지역에 적어도 3개의 보전단위 설정을 제안하는 바이다. 시베리아사향노루 (Moschus moschiferus)는 국제적으로 멸종 위기에 처한 종이다. 멸종위기에 처한 가장 큰 이유는 인간에 의한 남획과 서식지 감소이다. 이들은 Moschidae과 Moschus속에서 가장 넓게 분포하는 종 중 하나다. 과거 한국에는 사향노루집단이 태백산을 따라서 분포하였으며 산맥을 따라 비교적 큰 집단이 서식하고 있었을 것으로 추정한다. 하지만 한국에 서식하는 시베리아사향노루 집단(M. m. parvipes)의 분포지역은 1950년대부터 1999년까지 급격히 감소하였고, 따라서 효과적인 보전이 필요하다. 성공적이고 올바른 종 보전을 위해, 집단의 유전적 특징 및 유전적 다양성 정도를 확인하는 것이 중요하다. 유전자 분석은 유전적 다양성, 유전적 유연관계 등의 정보를 제공할 수 있으며 알맞은 복원과 보전프로그램을 뒷받침해 줄 수 있다. 따라서 한국에 서식하는 시베리아사향노루 아종과 다른 아종과의 유전적 유연관계를 조사하기 위해, 3 지역과 아종 (극동 러시아, M. m. turovi

중국 북동부, M. m. moschiferus

한국, M. m. parvipes)에서 채집한 13개 털과 DNA 샘플에서 미토콘드리아 조절부위 (control region) (300bp)를 추출하였다. 또한 아종, 지역집단 사이에 포괄적인 유전적 유연관계를 확인하기 위해 이미 출판된 논문의 35개 미토콘드리아 조절부위 염기서열을 (300bp) NCBI에서 얻어 함께 분석에 사용하였다. 본 연구 결과, 한국의 사향노루는 Russian Far East와 가장 가까운 유전적 거리 (0.015)를 보였다. 계통도에서 각 아종은 (한국, 극동러시아, 시베리아, 사할린 사향노루) 서로 haplotype을 공유하지 않았고 haplotype의 분포가 섞이지 않았다. haplotype 구성에 지역간, 아종간 경향성을 나타내었다. 하지만 사할린 사향노루를 제외하고 모든 계통도 가지가 낮은 bootstrap 지지도를 나타내었고 개체수도 적기 때문에 아종 단위 구분을 논하기에는 무리가 있었다. 네트워크 결과는 한국의 시베리아 사향노루 집단이 러시아 극동지방에서 기원 되었다고 나타났다. 한국의 시베리아사향노루 (4개체)를 샘플 수가 비슷한 사하린 사향노루 (5개체)와 비교하였을 때 높은 뉴클레오타이드 다양성 (p= 1.3%)과 낮은 haplotype다양성 (Hd= 0.67)을 보였다. 이런 유전자 다양성 패턴은 크고 안정된 집단이 급격한 병목현상 (집단감소)을 겪었을 때 나타나며 한국의 시베리아사향노루 아종이 이와 같은 현상을 겪었을 것이라고 생각된다. 만약 감소된 집단 크기가 계속 유지된다면, 좀 더 여러 세대가 지난 뒤에 급격한 유전적 다양성의 감소가 일어날 수 있다. 따라서 한국 시베리아사향노루의 보전 및 관리가 필요하며 국내에 서식하는 사향노루를 이용한 개체수 복원 및 증식이 가장 좋은 방법일 것이다. 하지만 이것이 불가능 하다면, 한국 집단의 기원이며 유전적으로 가까운 러시아 극동지역 (특히 러시아 프리모스키 지역)의 시베리아사향노루 집단을 한국 사향노루의 복원을 위한 잠정적 집단으로 제안할 수 있다. 그러나 성공적인 보전을 위해서는 추후 더 많은 샘플을 통한 유전학적 연구와 다양한 생태학적 연구가 필요하다고 생각한다. 본 연구는 우제목에 속하는 시베리아노루와 시베리아사향노루의 유전적 분석을 통해 유전자 다양성, 계통지리와 집단구조를 규명하였다. 두 종의 미토콘드리아유전자를 통한 계통지리 연구결과를 비교해보면, 한국의 시베리아사향노루와 시베리아노루는 공통적으로 극동러시아와 유전적으로 가장 가까웠다. 다른점으로는, 시베리아노루는 아종이나 지리적으로 분화된 계통을 나타내지 않아 계통지리적 패턴을 알 수 없었던 반면, 시베리아사향노루는 haplotype의 구성에서 아종간 경향을 나타냈으며 네트워크 분석결과에서는 한국의 시베리아사향노루가 극동러시아를 통해 기원했을 가능성을 보여주었다. 또한 본 연구에서는 시베리아노루와 시베리아사향노루의 보전 및 관리를 뒷받침해 줄 수 있는 유전학적 연구 결과를 제시하였다.

Roe deer, Capreolus sp., is one of the most widespread meso-mammals of Palearctic distribution, and includes two species, the European roe deer, C. capreolus inhabiting mainly Europe, and the Siberian roe deer, C. pygargus, distributed throughout continental Asia. Although there are a number of genetic studies concerning European roe deer, the Siberian roe deer has been studied less about genetic diversity and genetic relationship, and none of these studies use microsatellite markers. In this study, phylogeography, genetic diversity and population genetic structure of Siberian roe deer was examined using mitochondrial DNA and microsatellite marker. Genetic diversity and phylogeography of Siberian roe deer was conducted based on combined sequences of mitochondrial cytochrome b (1,140bp) and mtDNA control region (963bp) of 219 roe deer from 12 locations (grouped into 7 populations) in Russia, Mongolia and South Korea. Most of Siberian roe deer populations revealed moderate level of haplotype and nucleotide diversity in control region compared to those previously reported for Siberian roe deer and other Cervidae. Especially, roe deer from Jeju Island, South Korea (SKJ) showed the lowest level of genetic diversity and distant from the all other roe deer owing to founder effect and geographic isolation for a long period. Siberian roe deer from Jeju Island (SKJ) had unique and conservation of one mitochondrial lineages, albeit it was not appeared to be distinct phylogenetic clade. Siberian roe deer in the area from Urals to Pacific Ocean was genetically not described subspecies distribution and phylogeograpic pattern in the phylogenetic tree and network. However, Siberian roe deer have four haplogroups, also various haplogroup exist in the east Siberia regions and two haplogroups mainly exist in the west Siberia regions. Trans-Baikal region (RSMG) and Amur region (RPRA) have high diversity, various haplogroups and demographic growth. Therefore, putative ancestral groups were presumably exsited in mountains range of the southern Siberia, and/or Trans-Baikal region (RSMG) and Amur region (RPRA) were geographical location of secondary colonization. To examine the level of population genetic structure and the amount of genetic variation of Siberian roe deer, 12 microsatellite loci were analysis from 189 samples throughout Asia. The result showed Moderate levels of genetic diversity (Ar= 2.8-3.7, HE= 0.52-0.63) were found in all populations except in Jeju Island, South Korea, where the diversity was lowest (Ar= 2.2, HE= 0.39). Western populations showed relatively low genetic diversity (mean Ar= 2.9, HE= 0.54) and higher degrees of genetic differentiation (mean pairwise FST= 0.122) compared with eastern populations. Three genetically distinct groups were existence in Siberian roe deer, which comprise of the Southeastern group (Mainland Korea, Russian Far East, Trans-Baikal region and Northern part of Mongolia), Northwestern group (Western Siberia and Ural in Russia) and Jeju Island population. The results (Barrier, AMOVA, FST and gene flow) supported genetic differentiation among regions separated primarily by major mountain ridges (Altai, Sayan, stanovoy and Kolyma ridge), suggesting that mountains played a role in the genetic differentiation of Siberian roe deer. Meanwhile, ongoing migration between two groups was presented at the border areas with genetic admixture. Overall, at least three management units of roe deer were suggested in continental Asia, although genetic admixture is evident in border areas between two groups. Siberian musk deer, Moschus moschiferus, is an internationally recognized endangered species. One large reason that musk deer are endangered is the overhunting by human and loss of habitat. They are one of the most widespread species of the genus Moschus in the family Moschidae. In South Korea, Siberian musk deer are locally abundant in the high mountainous and estimated to be lived along the Mt. Taebaek before. However, the distribution of Korean subspecies (M. m. parvipes) had a greatly decreased from 1950s to 1999, thus effective conservation is needed. For the successful and accurate conservation, it is important to check the genetic status of population. Genetic analysis can provide genetic diversity and genetic relationship and that can support the carrying adequate restoration and conservation programs. To investigate the genetic relationship of the Korean subspecies with other subspecies and the extent of genetic diversity, we obtained mitochondrial control region sequence (300bp) from 13 hair and DNA samples from three location and different subspecies (Russian Far East, M. m. turovi

Northeastern China, M. m. moschiferus

South Korea, M. m. parvipes). To obtain a comprehensive genetic relationship between subspecies, published control region sequence (300bp) of 35 individual from NCBI were used to analysis. The results could not discuss whether Korean subspecies belong to a single subspecies or not due to low bootstrap value, small sample size and genetically closest to Russian Far East. But, there was distinction pattern of haplotype composition among subspecies. Network result reveals the Siberian musk deer in Korea originated from Russian Far East, which originated from Siberia (ancestral type). Korean subspecies showed high nucleotide diversity (p= 1.3%) and low haplotype diversity (Hd= 0.67) compared with similar sample size of Sakhalin Island. This indicate strong bottleneck in a formerly large, stable population. If a decreased population size is maintained, it is obvious that genetic variability will be rapidly destroyed after more generations in the future. Thus we suggested musk deer of Russian Far-East (specifically Primorsky Krai), which are genetically close and originate form of Korean subspecies, as a potential population for restoring. The insights obtained from this study shed light on management of Siberian roe deer in Asia and Siberian musk deer in South Korea and may be applied in conservation of local populations of these two species.