멸종위기 눈측백(Thuja koraiensis Nakai)의 종자발아와 클론구조

Abstract

two genotypes were repeatedly found in 2 and 5 ramets, respectively while the genotypes of 22 ramets were different each other. Collected samples exhibited high clonal richness and followed Pareto distribution with high evenness in clonal distribution. The spatial autocorrelation analysis revealed that T. koraiensis formed a clone within distance of 30 m in Hambaeksan. When measured by ramet unit, the mean number of alleles (A) was 6.3 while the effective number of alleles (AE) was 3.5. The observed heterozygosity (HO) and the expected heterozygosity (HE) were 0.603 and 0.615, respectively. When measured by genet unit, AE was 3.8 while HO and HE were 0.629 and 0.642, respectively. The AE was 7% lower when measured by ramet unit compared to that by genet unit. The HO and HE were 4% lower when measured by ramet unit, suggesting that the clonal structure affects genetic variations of the population. T. koraiensis population in Hambaeksan is primarily maintained by clones rather than seeds, which may serve as an adaptation to the environment of subalpine zone. Recent drastic climate change tends to exceed the resilience level of the population of T. koraiensis. Once destroyed, it is extremely difficult for clonal reproductive populations to recover. Hence, establishing conservation strategy for T. koraiensis population is urgently required. The genetic monitoring using microsatellite marker can follow the long-term potential of population adaptation. The genetic diversity of population in Hambaeksan has been well-maintained compared to that of other plant populations. Given that the clonal structure can modulate the amount and the distribution of genetic variations in the population, the clonal structure should be considered when planning in situ conservation. Moreover, the current study proposes that individuals for ex situ conservation of T. koraiensis should be sampled with 30 m distance to avoid the duplication of the same clone.

눈측백(Thuja koraiensis Nakai)은 중국 접경 지역의 백두산부터 강원도 남단의 태백산까지 한반도의 아고산지대를 중심으로 집단이 고립되어 분포하는 멸종위기 수종이며, 유성생식과 무성생식을 겸한다고 알려져 있다. 무성생식은 해당종의 생활사와 집단의 유지 및 발달에 직접적으로 영향을 미치는 특성임에도 불구하고 눈측백의 클론번식 양상에 대해서는 기존에 밝혀진 바가 없었다. 본 연구에서는 눈측백의 클론구조를 분석하기 위해 microsatellite 마커를 이용하여 클론의 유전형 식별을 시도하고, 이를 토대로 함백산에 존재하는 눈측백 클론들의 분포 특성을 조사하였다. 아울러 눈측백의 종자번식 여부를 알기 위해 화악산, 설악산, 함백산에서 종자를 채취하여 발아실험을 실시하고 집단 내 실생묘의 존재 유무를 관찰하였다. 또한 향후 보전방안을 세우는 데 있어 자료가 될 수 있도록 집단의 유전변이를 측정하였는데, ramet과 genet 단위로 측정한 값을 비교하여 클론구조가 집단의 유전변이에 미치는 영향을 살펴보았다. 발아실험 결과, 눈측백 3개 집단의 평균 발아율은 20.6%였고, 평균 12.9일 만에 발아가 이루어졌으며, 발아속도는 8.4%/일이었다. 설악산에서 발견된 두 개체를 제외하고 자연집단에서 실생묘를 찾아보기는 어려웠다. 클론 식별을 위하여 북미대륙의 근연종을 대상으로 개발된 microsatellite 마커 중에서 다형성을 기준으로 10개의 마커를 선발하였다. 이를 가지고 15 m×15 m 방형구에서 클론의 유전형을 분석한 결과 50 m2, 75 m2, 225 m2 면적의 클론을 확인할 수 있었다. 방형구 내 눈측백의 밀도는 4.3개체/m2 였다. 3 ha의 함백산 집단에서 20 m 간격으로 29개체를 임의로 선택했을 때 클론의 크기(채취한 시료의 수)가 2, 5인 클론이 1개씩 존재했고, 나머지 22개체는 각각 유전형이 다른 클론이었다. 크기별 빈도수로 나타낸 클론의 분포 양상은 파레토 분포를 따랐고 비교적 높은 다양성과 균등성을 보였다. 집단에 대한 공간적 자기상관 분석을 실시하여 ramet 수준과 genet 수준의 결과를 비교했을 때 함백산 눈측백은 30 m 이내의 거리에서 클론을 형성하는 것으로 나타났다. 눈측백 집단의 유전변이는 ramet 단위로 측정했을 때, 대립유전자 수(A) 평균은 6.3개, 유효대립유전자 수(AE) 평균은 3.5개, 이형접합도 관찰치(HO)는 0.603, 이형접합도 기대치(HE)는 0.615였고, genet 단위로 측정했을 때는 AE 는 3.8개, HO 는 0.629, HE 는 0.642였다. Ramet 단위로 측정했을 경우, genet 단위로 측정했을 때보다 AE 는 7% 감소하고, HO 와 HE 도 각각 4% 감소하는 것으로 나타나 클론구조가 집단의 유전변이에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 눈측백 집단이 종자번식보다 클론번식을 통해 집단을 유지하는 것은 아고산지대의 환경에 적응한 결과로 보인다. 그러나 최근의 급격한 기후변화는 집단이 견딜 수 있는 탄력성을 넘어서는 변화 양상을 보이고 있으므로 한 번 파괴되면 회복이 힘든 클론식물 집단의 특성을 고려했을 때 눈측백 집단에 대한 보전대책이 시급한 상황이다. Microsatellite 마커를 이용한 유전적 모니터링은 변화 양상에 적응할 집단의 장기적인 잠재력을 평가한다는 의미에서 중요하며, 함백산 집단의 유전다양성 수준은 다른 식물 집단과 비교했을 때 적절한 수준을 유지하고 있다고 여겨진다. 눈측백의 보전전략에서 현지 내 보전을 위해 집단의 보전 우선순위를 정하고 계획을 수립하는 데 있어 유전변이의 양과 분포에 영향을 미치는 것으로 확인된 클론구조를 고려해야 한다. 또한 눈측백의 현지 외 보전을 실시할 경우, 공간적 자기상관 분석 결과에 따라 클론 개체의 중복 선발을 피하기 위해 개체 간 최소 30 m 이상의 거리를 두고 선발이 이루어져야 할 것으로 판단된다.

Thuja koraiensis Nakai is an endangered tree species that isolatedly inhabits around the subalpine zone of Baekdudaegan mountain ranging from China border area of Baekdusan to Taebaeksan in the southernmost part of Gangwon-do. T. koraiensis is known to reproduce both sexually and asexually. It has been shown that clonal reproduction patterns determine the life history of given species, as well as the maintenance and development of population, however the clonal structure of T. koraiensis has not been investigated so far. The current study aims to analyze the clonal structure and the clonal characteristics of T. koraiensis in the population of Hambaeksan by identifying the genotypes of the clones using microsatellite markers. In order to examine whether T. koraiensis successfully reproduces by seeds or not, seeds collected in Hwaaksan, Seoraksan and Hambaeksan were tested for the germination and seedling production. Finally, in order to establish the conservation program, the genetic variations within the population was measured and compared at the levels of ramet and genet units. The average germination rate in three T. koraiensis populations was 20.6%. It took 12.9 days on average for germination, and the speed of germination was 8.4%/day. Seedling was rarely observed in the studied populations except two individuals found in Seoraksan. The total of 10 microsatellite markers were selected according to the criterion of polymorphism testing transferability, which were developed for two Thuja species in North America. The clone areas of 50 m2, 75 m2 and 225 m2 were detected using selected microsatellite markers in the quadrat plot of 15 m×15 m. The density of T. koraiensis was about 4.3 individuals/m2 in the quadrat. When 29 individuals were randomly collected with intervals of 20 m in Hambaeksan, I found 24 different genotypes of clones