Phylogeny of Cladonia in polar areas and microbial communities in Antarctic lichens

Abstract

지의류는 곰팡이와 광합성을 하는 조류나 남세균의 공생생물이다. 여러 기후에서도 잘 자라며 극지역의 극한 환경에서도 분포한다. 특히 남극 육상 생태계에서 우점하는 균상이다. 남극 쉐틀랜드 군도에서 가장 큰 섬인 킹조지섬 (62° 23 S and 58° 67W)은 남극 반도 북쪽 끝에 위치한다. 이 지역에는 두 종의 현화식물과 다양한 선태식물 및 지의류가 있다. 지리적 위치와 지의류의 다양성으로 지의류 형성 곰팡이의 진화 연구에 적합한 곳 중의 하나이다. Cladonia 속은 형태적으로 다양한 400여종이 전 세계에서 기록되어 있는 수지상 지의류이다. 남극에서는 약 30여종이 기록되어 있으며, 킹조지섬에서 가장 다양한 종을 가진 지의류 중의 하나이다. 하지만 이 지역의 Cladonia 속의 계통 연구는 부족하다. 킹조지섬의 Cladonia 속 지의류의 계통학적 다양성을 보기 위해 rDNA와 mtSSU 유전자 염기서열을 이용하여 Svalbard와 Chile Punta Arenas, 그리고 Falkland Islands 시료와 함께 계통발생적 관계를 알아보았다. 그리고 Cladonia 속의 표현형적 진화를 이해하기 위해 계통과 형태 형질을 비교하였다. 네 지역의 268개의 시료는 20개의 단일계통군으로 나누어졌다. 96개 킹조지섬의 시료는 9개의 단일계통군으로 나누어졌다. rDNA에 있는 두 개의 인트론의 유무와 8개의 생장형과 5개의 형태 형질을 비교해보았다. 일부 동질성의 형질을 갖고 있는 단일계통군들도 있었지만 대부분의 형질들은 한 계통군에서도 매우 다양하였다. 그리고 12개의 단일계통군들이 여러 지역의 시료를 포함하고 있었기 때문에 잦은 대륙간의 이동이 일어났던 것 같다. 하지만 같은 지역에 속하는 아단일계통군의 분자적, 형태적 특징들이 동질성을 보였다. 이것은 분자적 형태적 변이가 지리적 이동 후 다른 환경에 적응 과정에서 일어난 것을 의미한다. 킹조지섬에서 가장 우점하는 Cladonia 종인 Cladonia borealis는 범세계분포종이다. 킹조지섬의 C. borealis의 계통지리학적 역사를 이해하기 위해 Svalbard와 Punta Areans 시료와 함께 LSU 인트론 서열을 포함한 rDNA 서열을 가지고 계통학적, 단상형 망 분석을 하였다. 그 결과 킹조지섬의 C. borealis의 rDNA는 두 개의 단계통군으로 나뉘었다. 이것은 다른 대륙으로부터 장거리 확산을 통한 독립적인 다중 도입이 있었다는 것을 나타낸다. 지의류가 균류와 광합성 하는 조류나 남세균 외에 하나의 생태계로써 다른 미생물이 포함되어 있다는 공생관계가 알려져 있지만 이들의 구성과 역할에 대한 자세한 연구는 이루어지지 않았다. 그들은 아마도 다양한 환경에 지의류가 적응하는데 도움을 줬을 것이다. 이 연구에서는 지의류 자실체에서 그들의 생태학적 역할을 이해하는 첫 번째 단계로 다양한 지의류의 미생물 군집 구조를 분석하였다. 킹조지섬의 Cladonia, Umbilicaria, Usena, 및 고착지의류의 미생물군집 구조를 진핵 LSU rDNA와 조류 ITS rDNA, 세균의 16S rDNA 유전자의 pyrosequencing 방법으로 알아보았다. 지의류 관련 균류로는 자낭균류에 속하는 Dothideomycetes, Lecanoromycetes, Eurotiomycetes, Leotiomycetes, Sordariomycetes와 담자균류에 속하는 Tremellomycetes와 Cystobasidiomycetes가 있었으며 이 균류의 빈도는 공생진균체와 관련이 있었다. 조류의 LSU와 ITS rDNA 염기서열 결과에서 한 지의체에 다양한 광생명체가 있다는 것으로 나타났다. 공생진균체가 주(主) 광생명체의 유전자형 선택에 주요한 요인이었다. 세균 군집에는 Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes가 우점하였다. 세균 군집 구조는 공생진균체와 서식지에 영향을 받는 것으로 나타났다. 이 결과들로부터 지의류 자실체는 공생진균체와 다양한 광생명체와 미생물체로 구성된 하나의 복잡한 생태계이며 그들은 서로 그리고 환경에 영향을 받는다. Cladonia 속의 계통학적 분석과 C.borealis의 계통지리학적 분석은 극지역의 Cladonia 종이 잦은 대륙간의 이동과 함께 진화하였다는 것을 나타내었다. 단일계통군 내에서도 매우 다양한 표현형적 형질들을 보이고 있으나 같은 지역의 아단일계통군의 동질성을 보인다. 이것은 지리적 이동과 다양한 환경에 적응하는 것이 표현형적 다양성을 촉진하였다는 것을 나타낸다. 다양한 광생명체 유전자형과 미생물 군집이 염기서열 분석에서 밝혀졌다. 이것은 또한 광생명체와 미생물 군집 구조가 공생진균체와 서식지에 영향을 받는다는 것으로 나타났다. 이러한 결과들은 지의류 생태계의 구성원들과 물리화학적 환경 사이의 상호작용이 있다는 것을 의미한다.

Lichens are symbiotic organisms mainly composed of lichenized fungi (mycobiont) and photosynthetic algae and/or cyanobacteria (photobiont). Many lichens have extensive distributional ranges covering several climatic zones and are able to colonize extreme habitats, including high alpine and polar areas. Especially, lichens constitute predominant elements of flora in the terrestrial ecosystem of Antarctica. King George Island (62° 23 S and 58° 67W), the largest of the South Shetland Islands belonging to the maritime Antarctic zone, is located at the northern tip of the Antarctic Peninsula. There are two vascular plants, diverse bryophytes and lichens. This island is one of the most appropriate places for studying the evolution of lichen-forming fungi of Antarctica because of its geographical locality and diversity of lichens. The genus Cladonia Hill ex P. Browne is a fruticose lichen and belongs to one of the most morphologically variable taxa. The genus includes more than 400 species and is found in all continents. Almost 30 species of Cladonia have been recorded in the Antarctic so far. This genus is one of the richest lichens on King George Island. Taxonomic studies based on morphological and chemical characteristics have been applied widely, but molecular phylogenetic study of Cladonia sp. in Antarctic has been done for a few specimens. To investigate phylogenetic diversity of the genus Cladonia in King George Island, phylogenetic relationships of specimens from King George Island, Svalbard, Punta Arenas, and Falkland Islands were examined using partial SSU-ITS1-5.8S-ITS2-partial LSU rDNA and mtSSU sequences. To understand phenotypic evolution of the genus Cladonia, phylogeny and morphological characteristics were compared. Two hundred and sixty eight specimens from four geographical areas were divided into twenty distinct monophyletic clades. Ninety-six specimens from King George Island were included in nine clades. The variation and evolution pattern of two introns of nuclear rDNA, eight growth types, and variable types of five morphological characters were recognized. Although, some characters in some clades were homogeneous, most characters were highly variable even in a clade. As twelve clades contained specimens from several geographical areas, it is proposed that intercontinental migration of Cladonia species might have been very frequent. Molecular and morphological characteristics of the subclades which belong to same geographical areas were homogeneous. It may imply that molecular and morphological variations are accelerated by adaptation processes to different environmental conditions after geographical migration. Cladonia borealis, one of the dominant Cladonia species on King George Island, is a cosmopolitan species inhabiting polar, subpolar, and alpine areas. To understand the phylogeographic history of C. borealis on King George Island, specimens from there were compared with those from Svalbard and Punta Areans. Phylogenetic and haplotype network analyses of the partial SSU-ITS1-5.8S-ITS2-partial LSU rDNA sequences including intron sequences in LSU rRNA genes were conducted. Nuclear rDNA region of C. borealis from King George Island was separated into two monophyletic lineages. It is suggested that they originated in multiple independent introduction events after long-distance dispersal from other continents. Symbiotic associations of fungal and photosynthetic algal and/or cyanobacterial partners of lichens, has been well known, but composition and role of other microbial components of lichen ecosystems have not been evaluated intensively. They may help lichen to adapt well to various environmental conditions. In this study, microbial community composition associated with diverse lichens was analyzed as the first step to understand their ecological roles in lichen thalli. The lichen species include Cladonia, Umbilicaria, Usnea, and crustose lichens from King George Island. Microbial community was analyzed by pyrosequencing of eukaryotic LSU rDNA, algal ITS region of rDNA, and bacterial 16S rDNA. Lichen-associated fungi (LAF) belonged to Dothideomycetes, Lecanoromycetes, Eurotiomycetes, Leotiomycetes, and Sordariomycetes of Ascomycota, and Tremellomycetes and Cystobasidiomycetes of Basidiomycota. Community structure of LAF was mostly related with mycobiont species. Sequencing results of LSU and ITS regions of nuclear rDNA of algal species indicated that each lichen thalli contain diverse photobionts. The major photobiont genotype of LSU rDNA constituted 78.7% to 100% of total photobiont community in each specimen and they were split into two closely related ITS rDNA genotype in several cases. Mycobiont was the most important factor in selection of major algal genotype. Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria, and Bacteroidetes were predominant phyla in bacterial communities. It was revealed that bacterial community structures were affected by mycobionts and habitat. These results imply that lichen thalli is a complex ecosystem composed of mycobiont, diverse photobionts and microbionts, and they interact dynamically each other and with environments. Phylogenetic analyses of the genus Cladonia and phylogeographic analyses of Cladonia borealis revealed that Cladonia species in polar areas evolved by the processes which include frequent intercontinental migration. Highly variable phyenotypic characteristics even in closely related monophyletic clades, but homogeneous within subclades from the same geographical areas may imply that geographical migration and adaptation to various environmental conditions accelerated phenotypic diversification. Various photobiont genotypes and structured microbial community were revealed from the sequence analyses. It was also revealed that photobionts and microbial community structures were affected by mycobiont and habitat. These results imply that there are interactions among members of lichen ecosystems and physicochemical environments.