고창과 서귀포 편백 채종원에서 클론 간 개화, 결실 변이 및 유전 특성

Abstract

Chamaecyparis obtusa is a major tree species for wood production in Korea. It is straight and light and is used for interior and ship materials. It also has a scent and gloss, so widely used as a park or garden tree. In addition, it has various functional substances such as oil extracted from wood and fragrances extracted from cones. Therefore, it has recently been spotlighted as a preferred tree for afforestation, and planting is being attempted in various parts the country. C. obtusa is the most well-known species that can live in warm temperate zones, but the survival rate of planted trees tends to decrease significantly with climate. Therefore, it is urgent to supply excellent seeds and seedlings that can adapt to various climates. Seed orchards, the basis of forest tree breeding, are established to produce stably and supply genetically improved seeds. Genetic improvement refers to maximizing the characteristics and genetic structures of plus trees to be improved by transferring it on to the next generation (seed). By estimating the production capacity and contribution among clones and analyzing the genetic characteristics involved in the seed production process, the quality of seed orchard seeds can be proved and effective seed management methods can be suggested. This study was conducted to quantify some reproductive traits of C. obtusa. Over the past three years (2020~2022), the reproductive characteristics of 61 and 23 clones were surveyed in the seed orchards at Gochang and Seogwipo, Korea. The seed orchards were established in 2015 and 1969, respectively. In this study, the clonal contributions of male and female strobilus, and cone productions were estimated. It has been clearly shown that female and male parents contributed unequally to the gamete gene pool. Among the 61 clones at the seed orchard of Gochang, 12 to 15 clones (20 to 25% of the total) and 6 to 9 clones (10 to 15% of the total) produced 50% female and male strobili, respectively. The effective population numbers of female and male strobilus ranged from 23.64 (2021) to 37.38 (2022) and from 15.52 (2021) to 19.84 (2022) at gamete level, respectively. The effective population numbers at zygote (cone) level ranged from 20.15 (2022) to 35.94 (2021). Among the 23 clones at the seed orchard of Seogwipo, 1 to 5 clones (5 to 21% of the total) and 1 to 3 clones (5 to 15% of the total) produced 50% female and male strobili, respectively. Compared with the previous reports of other species, fewer clones contributed to the reproductive process in the seed orchards of C. obtusa. The effective population numbers of female and male strobilus ranged from 6.4 (2021) to 15.45 (2022) and from 4.32 (2021) to 9.58 (2022) at gamete level, respectively. The effective population numbers at zygote (cone) level ranged from 7.3 (2020) to 10.71 (2021), compared with the gamete level, more clones had contributed to reproductive process in the Seogwipo seed orchards. The individual heritabilities of female and male strobilus, and cone production ranged from 0.150 (2022) to 0.306 (2021), from 0.161 (2020) to 0.326 (2021), from 0.013 (2022) to 0.133 (2020), respectively in the seed orchard of Gochang. At the seed orchard of Seogwipo, the individual heritabilities of female and male strobilus, and cone production were estimated from 0.086 (2022) to 0.297 (2021), from 0.077 (2021) to 0.489 (2020), from 0.156 (2022) to 0.408 (2021), respectively. In both seed orchards, the clonal heritabilities were estimated to be higher than the individual heritabilities. The strobilus and cone production were positively correlated and statistically significant, except for the male strobilus and cone production at the seed orchard of Seogwipo in 2020. A total of 10 cones were collected per each individual tree for cone analysis over two consecutive years (2020∼2021). At the seed orchard of Gochang, the cones were analyzed to have 72.69% full-filled seeds, and 27.30% empty seeds, and 11.57% aborted ovules, so the seed efficiency was estimated to be 57.96% in 2020. In 2021, the cone had 56.43% full-filled seeds, and the 43.57% empty seeds, showing similar proportions of the full-filled seeds and empty seeds. The seed efficiency was estimated to be 46.98% that was slightly lower than in 2020. The germination rate per cone was very low with an average of 5.09%. The cones had 9.46% full-filled seeds, 90.54% empty seeds, and 33.06% aborted ovules. The seed efficiency was estimated to be 7.51% in 2020. In 2021, the cones had 25.77% full-filled seeds, 73.23% empty seeds, and 3.33% aborted ovules. Seed efficiency was higher than that in 2020, but the amount of full-filled seeds was lower. The average germination rate per clone was very low at 3.13%, which was similar to that of the seed orchard of Gochang. Parameters of the mating system and pollen flow were estimated using eleven nuclear microsatellite markers. At the seed orchard of Gochang, the expected heterozygosity (He) and the observed heterozygosity (Ho) were 0.740 and 0.796, respectively, in mother trees. The He and Ho were 0.702 and 0.765, respectively in seeds. Fixation indices (F) were -0.062 and -0.087 in mother trees and seeds, respectively. At the seed orchard of Seogwipo, the He and Ho were 0.683 and 0.667 in mother trees, and those were 0.704 and 0.826 in seeds, respectively. Fixation indices (F) were 0.037 in mother trees and -0.084 in seeds. From the analysis using MLTR, the outcrossing rate (tm), the biparental inbreeding (tm-ts), and the correlation of paternity (rp) were estimated to be 0.982, 0.028, and 0.172, respectively, at the seed orchard of Gochang. These values were similar to those analyzed using microsatellite markers in other Pinus species. At the seed orchard of Seogwipo, the tm, the (tm-ts), and the rp were 1.000, 0.059, and 0.064, respectively. From the analysis using CERVUS, the averages of outcrossing rate, pollen contamination rate, and selfing rate were estimated to be 94.21, 1.1, and 4.69%, respectively. The average number of pollen donors was 11.1 at the seed orchard of Gochang. The averages of outcrossing rate and selfing rate were 95.14 and 4.86%, respectively, at the seed orchard of Seogwipo. The average number of pollen donors was 10.8. Using TwoGener model for optimal pollen dispersal with the effective density of 130 trees per ha, the genetic differentiation level in pollen pool structure was estimated to be 0.134 at the seed orchard of Gochang. The average radial distance of pollen flow was calculated as 5.58 m. At the seed orchard of Seogwipo, the genetic differentiation level in pollen pool structure was estimated to be 0.330 with the effective density of 125 trees per ha. The average radial distance of pollen flow was calculated as 3.89 m. As the effective pollen dispersal in the population might be restricted, the amount of genetic variation could be maintained in each generation without loss of genetic diversity caused by selfing or inbreeding in seedlings at the seed orchard of Gochang and Seogwipo. The genetic diversity of pollen pool might be high at the seed orchard of Seogwipo, but the number of pollen donors at the seed orchard of Gochang were similar in the natural populations. Therefore, pollen donors should be managed to increase genetic diversity under completely random mating conditions at the seed orchard of Gochang.

편백은 우리나라의 목재 생산을 위한 주요 수종으로, 통직하고 가벼우며 향기와 광택이 있어 내장재, 선박재 등으로 사용되고 공원수나 정원수로도 널리 이용된다. 또한 정유와 향료 등 다양한 기능성 물질이 많아 최근 조림 선호 수종으로 주목받고 있으며 다양한 지역에서 식재를 시도하고 있다. 하지만 난대 수종으로 기후에 따라 조림목의 생존율이 매우 감소하는 경향을 나타내기 때문에 다양한 기후에 적응이 가능한 우수 종자 및 종묘의 보급이 시급하다. 임목 육종의 바탕을 이루는 채종원의 조성 목적은 유전적으로 개량된 종자를 안정적으로 생산하고 보급하는 데 있다. 유전적 개량은 수형목으로 증식된 채종목 간 자연 교배를 통해 생산된 차대(종자)로 개량하고자 하는 모수의 특성과 유전 구조가 전이되어 극대화되는 것을 의미한다. 이와 관련하여 클론 간 배우자 생산 능력과 기여도를 추정하고, 이들의 종자 생산 과정에 관여하는 유전 특성을 분석함으로써 채종원산 종자의 품질을 증명하고 효과적인 채종원 관리 방안을 제시할 수 있다. 본 연구에서는 1969년에 조성된 서귀포 편백 채종원과 2015년에 조성된 고창 편백 채종원에서 3년간(2020~2022년) 개화량 및 구과 생산량을 조사하여 얻은 자료를 토대로 생식 과정에 관계된 몇 가지 특성을 계량화하였다. 고창 채종원에서의 경우 61개 클론 중 전체 개화량의 50%에 기여하는 암구화의 상대적인 비율은 20~25%이었으며, 수구화의 상대적인 비율은 10~15%로 나타나 암구화가 수구화보다 다소 높게 나타났다. 배우체 수준에서 유효 집단 크기는 암구화의 경우 23.64(2021)~37.38(2022년) 이었으며, 수구화는 15.52(2021)~19.84(2022년)로 암구화보다 다소 낮게 추정되었고, 구과 수준에서는 20.15(2022)~35.94(2021년)로 추정되었다. 서귀포 채종원에서는 23개 클론 중 전체 개화량의 50%에 기여하는 암구화의 상대적인 비율이 5~21%이었으며, 수구화의 상대적인 비율은 5~15%로 나타나 고창 채종원에서와 마찬가지로 암구화가 수구화보다 다소 높게 나타났으며 소수 클론에 의해 편중되는 현상이 다른 수종에 비하여 높게 나타났다. 배우체 수준에서 유효 집단 크기는 암구화의 경우 6.40(2021)~15.45(2022년), 수구화의 경우 4.32(2021) ~9.58(2022년)로 암구화에 비해 다소 낮게 추정되었으며, 구과의 경우 7.30(2020)~10.71(2021년)로 추정되어 배우체 수준보다 높게 나타났다. 고창 채종원에서의 클론 간 개화량에 대한 개체 유전력은 암구화의 경우 0.150(2022)~0.309(2021년), 수구화는 0.161(2020)~0.326 (2021년), 구과는 0.013(2022)~0.133(2020년)으로 접합자 수준에서의 유전력이 낮게 추정되었다. 서귀포 채종원에서의 클론 간 개화량에 대한 개체 유전력은 암구화의 경우 0.086(2022)~0.297(2021년), 수구화의 경우 0.077(2021)~0.489(2020년)로 추정되었으며, 구과는 0.156(2022)~ 0.408(2021년)로 추정되었다. 그리고 두 채종원 모두에서 개체 유전력보다 클론 유전력이 매우 높았다. 암, 수구화 개화량과 구과 생산량 간 상관분석 결과, 2020년도 서귀포 채종원에서의 수구화와 구과 생산량은 유의한 상관을 보이지 않았으며, 이를 제외한 나머지는 모두 유의한 정의 상관을 보였다. 2020년부터 2021년까지 2년간 고창과 서귀포 채종원에서 전수로부터 개체목당 10개 구과를 채취하여, 클론 간 구과와 종자의 특성을 분석하였다. 고창 채종원에서의 경우 2020년의 충실 종자율은 72.69%, 비립 종자율은 27.31%, 고사 배주율은 11.57%, 종자 효율은 57.96%로 추정되었다. 2021년의 충실 종자율은 56.43%, 비립 종자율은 43.57%로 충실 종자율과 비립 종자율의 비율이 유사하였다. 종자 효율은 46.98%로 추정되어 2020년에 비해 다소 낮게 나타났으며, 발아율은 클론당 평균 5.09%로 매우 저조하였다. 서귀포 채종원에서의 경우 2020년의 충실 종자율은 9.46%, 비립 종자율은 90.54%, 고사 배주율은 33.06%로 확인되어 충실 종자 결실이 매우 저조하였으며, 종자 효율이 7.51%로 낮게 추정되었다. 2021년의 충실 종자율은 25.77%, 비립 종자율은 74.23%, 고사 배주율은 3.33%로 추정되었다. 종자 효율은 24.36%로 2020년에 비해 종자 효율은 증가하였지만 충실 종자 결실이 저조하였다. 클론당 평균 발아율은 3.13%로 고창 채종원에서와 마찬가지로 매우 저조하였다. 고창과 서귀포 채종원의 유전 모수를 확인하기 위하여 microsatellite 표지를 이용하여 2021년에 생산된 성숙 종자를 대상으로 타가 교배율과 화분 오염률, 근친 교배율을 확인하였다. 고창 채종원의 모수에서 확인된 이형 접합도 기대치는 0.740이었으며, 관측치는 0.796으로 추정되었다. 종자에서 확인된 이형 접합도 기대치는 0.702이었으며, 관측치는 0.756이었다. 모수와 종자의 고정지수는 각각 -0.062와 -0.074로 나타났다. 서귀포 채종원의 모수에서 이형 접합도 기대치는 0.683이었으며, 관측치는 0.667로 확인되었다. 종자에서 확인된 이형 접합도 기대치는 0.704이었으며, 관측치는 0.740으로 추정되었다. 모수와 종자의 고정지수는 각각 0.037과 -0.206으로 도출되었다. MLTR 프로그램을 이용하여 분석한 타가 교배율은 고창의 경우 0.982이었으며, 근친 교배율은 0.028이었다. 부계 상관은 0.172로 추정되었다. 서귀포 채종원에서의 경우 타가 교배율은 0.100으로 매우 높게 추정되었으며, 근친 교배율은 0.059로 산출되었다. 부계 상관은 0.064로 추정되었다. CERVUS 프로그램을 이용하여 분석한 고창 채종원에서의 타가 교배율은 클론 간 평균 94.21%였으며, MLTR 프로그램으로 분석한 결과와 유사하였다. 화분 오염률은 1.1%, 자가 교배율은 4.69%로 추정되었으며 기여 화분친 수는 평균 11.1개이었다. 서귀포 채종원에서의 경우 타가 교배율은 95.14%, 자가 교배율은 4.86%로 확인되었으며 기여 화분친 수는 평균 10.8개로 확인되었다. TwoGener 방법으로 화분원의 분산을 확인한 결과, 고창 채종원에서의 경우 임분 밀도를 ha당 130본으로 하였을 때 화분원의 유전적 분화는 0.134였으며, 평균 유효 화분 이동 거리는 5.990m로 추정되었다. 서귀포 채종원에서의 경우 임분 밀도를 ha당 125본으로 추정하였으며, 화분원의 유전적 분화는 0.330이었고, 평균 화분 이동거리는 3.892m로 추정되었다. 이와 같이 고창과 서귀포 편백 채종원 모두 타가 교배율이 높게 추정되었으므로, 채종원산 종자로 생산된 편백 묘목의 경우 자가 교배로 인한 근교약세가 원인이 되는 불량 형질은 발생할 가능성이 낮을 것으로 기대되었다. 하지만 기여 화분친 수의 비율이 고창 편백 채종원의 경우 자연 집단에서 기여하는 화분친 수와 유사하게 나타나 유전 다양성을 높이기 위한 화분원의 관리가 필요할 것으로 판단되었다.