Impact of K-Pg Event on Evolution of Apocynaceae Inferred from 224 Plastomes

Abstract

협죽도과는 넓은 서식지와 다양한 형태학적 형질을 가지고 있으며, 성공적으로 진화하여 다양한 환경에 적응한 과로 평가된다. 일부 협죽도과 식물에서는 다양한 약리학적 효능이 보고된다. 형태학적 다양성과 전세계 환경에 성공적으로 적응한 점을 고려할 때, 협죽도과의 계통학적 분석은 식물의 진화 및 지질학적 연혁과의 연관성에 대한 새로운 이해를 제공할 수 있다. 또한 협죽도과에 대한 진화 분석은 협죽도과의 산업적인 잠재력을 향상시키는 데에도 기여할 것이다. 본 연구에서는 데이터베이스에 공개된 염기서열과 대한민국에 자생하는 식물에서 확보한 염기서열을 포함하여 총 224 개 협죽도과 식물의 엽록체 유전체를 분석하였으며 각 유전체에서 추출한 coding sequence를 기반으로 계통학적 분석 및 분화 시기 추정을 수행하였다. 그 결과 협죽도과의 3 개 주요 아과 중 첫 분화 시기는 약 7150 만 년 전으로 계산되었으며, 이는 백악기-팔레오기 대량절멸 사건이 일어난 시기와 근접하다. 이 시기 이후에 분화한 아과는 초본인 종의 비율 및 배수체가 아닌 종의 비율이 더 높은 것으로 조사되었는데, 이는 해당 대량절멸 사건이 협죽도과의 진화에 영향을 가했음을 시사한다. 또한 특정 아과의 분화와 연관성이 있을 것으로 추정되는 엽록체 유전체의 고유한 구조적 변이와 유전자 변형을 발견하였다. 미토콘드리아 서열로부터 삽입된 4.6 kb의 DNA 서열 조각과 PsaI 단백질의 3개 아미노산 삭제는 초본이 우세한 박주가리아과만이 보이는 특징이다.

Apocynaceae is considered a family that evolved successfully and well adapted to various environments due to its wide habitat and diverse morphological traits. Many pharmacological effects have been reported in several Apocynaceae plants. Considering its morphological diversity and successful adaptation to the global environment, phylogenetic analysis of Apocynaceae will give an insight into the evolution of plants and its connection with geological history. The evolutionary study will also be utilized to enhance the industrial potential of Apocynaceae. In this study, I studied 224 plastomes of Apocynaceae including sequence data available on the database and sequences produced from Korean domestic Apocynaceae plants. Phylogenetic analysis and divergence time estimation were conducted based on coding sequences of the whole plastomes. As a result, the first divergence time among three major subfamilies of Apocynaceae was calculated as 71.5 million years ago, which is approximately close to the K-Pg extinction event. It is investigated that subfamilies diverged after the K-Pg event have a tendency to include higher proportions of herbaceous species and non-polyploid species, which supports the impact of the event on the evolution of Apocynaceae. I also investigated unique structural variations and gene mutation of plastome which might reflect correlation with the divergence of an unique subfamily. A 4.6 kb segment inserted from mitochondrial DNA sequences and deletion of 3 amino acids in PsaI proteins are unique in Asclepiadoideae subfamily which have prevalent herbaceous species.