Genetic variation within a population and seed characteristics of Abies nephrolepis in Mt. Hambaeksan

Abstract

Abies nephrolepis (Trautv. ex Maxim.) Maxim. is a subalpine conifer species and its southernmost natural populations are distributed in South Korea. Conservation actions should be considered as population decline is expected due to climate change. For ex-situ conservation of A. nephrolepis, securing enough genetic diversity and quantity of seeds is important. There were several studies on the weak genetic variation among populations of A. nephrolepis in South Korea, but there were few studies on genetic variation within a population. This study aimed to provide a reference for ex-situ conservation of an A. nephrolepis population in South Korea. Genetic variations and seed characteristics were investigated in an A. nephrolepis population at Mt. Hambaeksan, Gangwon-do, South Korea. The population of A. nephorlepis in Mt. Hambaeksan had the observed heterozygosity of 0.809 and the expected heterozygosity of 0.820. Spatial autocorrelation analysis revealed that the individuals had a positive genetic relationship within a 30 m distance, which was interpreted as a minimal sampling distance. The bigger trees had a stronger spatial genetic structure than the smaller trees. The inferred number of clusters (K) within a population did not converge: STRUCTURE inferred K=1 while GENELAND inferred K=2, but principal coordinates analysis (PCoA) supported K=1. Sampling simulation found that at least 20 individuals need to be sampled to secure the genetic diversity in a population. The seeds of A. nephrolepis population in Mt. Hambaeksan had similar characteristics to other populations in South Korea, with a germination percentage of 32.2%. However, there was a lower purity, probably caused by the higher temperature and less precipitation in the sampling year. The correlation analysis showed that the seed weight could be the most effective indicator of seed quality. The mother trees that were genetically closer to overall individuals had poorer seed quality, but it was insignificant. This study provided some strategies that contribute to the ex-situ conservation of A. nephrolepis. Further studies on the mating system and gene dispersal are needed to improve the understanding of the genetic structure of an A. nephrolepis population.

분비나무 Abies nephrolepis (Trautv. ex Maxim.) Maxim.는 아고산 침엽수종의 하나로 남방한계 집단이 국내에 분포해 있다. 현재 분비나무는 기후변화 취약종으로 쇠퇴가 진행되고 있어 보전의 중요성이 증가하고 있으며, 현지외 보전을 위해서는 유전다양성과 종자에 대한 이해가 필수적이다. 그 동안 분비나무 집단에 대해서는 집단 간 변이를 확인하는 연구가 주로 진행되어 왔으며, 집단 간 분화가 작음을 확인하였다. 그러나 분비나무의 집단 내 변이에 대한 연구는 거의 진행된 바가 없다. 본 연구는 분비나무의 현지외 보전 전략 수립에 필요한 정보를 제공하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 함백산 분비나무의 집단 내 유전구조와 종자 특성을 파악하고자 하였다. 결과적으로 함백산 분비나무의 이형접합도 관측치는 0.809, 이형접합도 기대치는 0.820로 나타났다. 공간적 자기상관성 분석 결과, 분비나무 개체는 30 m 이내에서 서로 유전적으로 연관되어 있음이 확인되었다. 이는 곧 샘플링에 있어 개체 간 거리가 30 m 이상 간격이 유지되어야 함을 의미한다. 직경급 간 공간적 유전구조의 정도를 비교한 결과, 직경이 큰 나무들에서 상대적으로 강한 구조를 가지는 것으로 확인되었다. 집단 내 하부 집단의 수(K)를 계산한 결과, STRUCTURE와 GENELAND는 각각 K=1, K=2로 차이를 보였다. 그러나 주좌표 분석 결과, 특별한 하부 구조가 발견되지 않아 K=1의 결과가 지지되었다. 샘플링 시뮬레이션 결과, 충분한 유전변이를 확보하기 위해서는 적어도 20 개체 이상이 채집되어야 하는 것으로 나타났다. 함백산 분비나무의 종자는 기존 연구의 다른 집단과 유사한 특성을 보였으며, 32.2%의 발아율을 보였다. 하지만 순량율의 경우 분비나무 임목종자표준품질에 비해 다소 낮은 수치를 보였다. 이는 채집 연도가 평년에 비해 기온이 더 높았고 강수량이 더 적었던 것과 관련되었을 것으로 추정되었다. 상관분석 결과, 종자 무게가 종자 품질의 가장 효과적인 지표로 사용될 수 있을 것으로 보였다. 다른 개체들과 유전적 거리가 비교적 가까운 모수에서 종자 품질이 떨어지는 경향이 존재하였으나 통계적으로 유의하지는 않았다. 본 연구는 분비나무의 공간적 유전구조와 종자생산을 함께 고려함으로써 현지외 보전에 적용가능한 정보를 제공하였다. 추후 유전자 분산 및 교배양식에 대한 연구를 통해 분비나무의 유전구조에 대한 이해를 높일 수 있을 것으로 기대된다.