조름나물의 생식형태, 세포학 및 유전다양성에 관한 연구 = Study of Menyanthes trifoliata L. based on Reproductive Morphology, Cytology and Genetic Diversity

국문 초록 (Abstract)

조름나물(Menyanthes trifoliata L.)은 국화목(Asterales) 조름나물과(Menyanthaceae)에 속하는 대표 수생식물로서, 북반구의 저습지 환경에 널리 분포한다. 조름나물과는 과 규모가 작고 형태적 다양성이 제한적이지만, 국화목 내에서독립된 계통을 이루며, 다양한 수생 적응 및 생식학적 보존 형질을 유지해 왔다. 그럼에도불구하고 조름나물과의 형태적·생식학적 특성과 이를 통해 규명할 수 있는 계통적위치에 관한 통합적 연구는 매우 제한적이었다. 본 연구는 조름나물을 대상으로 (1) 형태및 이형화서 변이 분석, (2) 배낭 및 배 발생 과정을 중심으로 한 생식발생학적 연구, (3) 염색체 구조 및 핵산 탐색 기반 FISH 분석, (4) SSR 마커를 활용한 개체군유전다양성 평가를 수행하여 조름나물의 기원 및 진화, 적응 전략을 종합적으로 규명하고자 하였다.
형태학 및 이형화서 연구에서는 국내 주요 개체군을 대상으로 꽃의 구조비율과수술, 주두, 등 단주화와 장주화 간의 차이를 관찰한 결과, 전형적인 이화주성(distyly)이 관찰되었으며, 대부분의 서식지에서 단주화가 우세하게 분포하였다. 이는 수분매개체 종류, 서식지 교란 및 고립 정도와 관련된 생태적 요인이 이형화서 시스템의안정성과 다양성에 영향을 미쳤을 가능성을 제기한다.
발생학적 분석에서는 단주피성 박층성 배주, 내피(endothelium)의 발달, 세포성배유 발달(ab initio Cellular), glandular tapetum의 존재, 그리고 2세포성 화분 방출과같은 생식학적 특징이 확인되었다. 이러한 형질은 Goodeniaceae, Calyceraceae 및국화과(Asteraceae)가 속하는 MGCA clade에서 공유되는 파생형질로, 조름나물과가 국화목내 위치함을 지지한다. 동시에 조름나물과는 상위자방, 다수의 밑씨 및 다수의 종자를가진 삭과, 성숙 과정에서 풍부한 배유를 유지하는 원시적(plesiomorphic) 형질을 나타내고 있다. 이러한 공유 형질 배치는 조름나물과가 MGCA clade 내에서 가장 먼저분기한 기저 분기군(basal lineage)일 가능성을 강하게 시사한다.
염색체 및 핵형 분석에서는 비교적 안정된 염색체 수 및 구조가 확인되었으며, ribosomal DNA(FISH) 신호 분포가 일정하게 유지되는 양상이 관찰되었다. 이는조름나물과 내에서 유전체 재배열이나 대규모 배수성 변화가 반복적으로 발생하지 않았음을 의미하며, 생식발생학적 형질 보존성과 계통적 위치 안정성을 뒷받침하는 세포유전학적 증거라 할 수 있다.
또한, 한국을 포함한 러시아, 일본, 영국 개체군의 SSR 기반 유전 다양성분석결과, 비교적 높은 유전 변이와 개체군 간 분화가 도출되었다. 이는 빙하기 이후 전지구적 확산 및 서식지 단절 과정에서 독립적으로 유전적 특성이 발달했음을 반영한다. 특히 국내 개체군은 지리적 고립과 서식지 축소에 따라 유전적 독자성이 강화되는경향을 보였으며, 이는 장기적인 보전 전략 수립에 중요한 자료로 활용될 수 있다.
본 연구의 종합적 해석 결과, 조름나물과는 MGCA clade의 핵심 발생학적특징을 보유하면서도, 생식구조의 축소 및 특수화 이전 단계의 형질을 상당 부분 보존하고있었다. 이는 조름나물과가 국화목 내 진화 흐름을 이해하는 데 있어 발생학적으로조상형에 가까운 상태를 보존하고 있음을 의미한다. 더불어 분자·세포·형태·생태 정보를종합적으로 연계함으로써, 조름나물과의 독립된 분류학적 지위를 정당화하고, MGCAclade 전반의 생식적 형질 진화에 관한 새로운 관점을 제시하였다

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 연구사 3
• 1. 서식지 및 형태적 특징 3
• 2. 분류학적 변천사 4
• 3. 이형화주와 생식생물학 6
• 4. 생식학적 형질 10
• 1) 생식학적 형질의 계통학적 의의 10
• 2) 조름나물과의 생식학적 형질에 관한 선행연구 10
• 5. 염색체 연구 12
• 6. 집단유전다양성 14
• III. 재료 및 방법 17
• 1. 조름나물의 생식시스템 및 형태적 특징 17
• 1) 시료 채집 17
• 2) 생식시스템 특징 조사 18
• 3) 화분 및 종자의 특성 조사 19
• 2. 세포학적 특징 20
• 1) 근단 채집 및 고정 20
• 2) 염색체 슬라이드 제작 21
• 3) Genomic DNA 추출 21
• 4) PCR amplification and purification 22
• 5) Probe labelling and purification 23
• 6) Fluorescence in situ hybridization (FISH) 24
• 3. 집단유전학적 특징 25
• 1) 시료채집 및 DNA 추출 25
• 2) SSR marker 증폭 26
• 3) 집단유전다양성 및 집단구조 분석 29
• IV. 결과 30
• 1. 조름나물의 형태적 특징 및 이화주성 30
• 1) 꽃의 형태적 특징과 이화주성 30
• 2) 화분의 형태적 차이 31
• 2. 조름나물의 생식학적 특징 33
• 1) 약벽 발달(Anther wall development) 33
• 2) 소포자 발생(Microsporogenesis) 33
• 3) 배주의 구조(Ovule structure) 35
• 4) 대포자 발달(Embryo sac development) 35
• 5) 종자 및 종피구조(Seed and seed coat structure) 37
• 3. 조름나물의 세포학적 특징 43
• 4. 조름나물의 집단유전다양성 51
• V. 토론 57
• 1. 조름나물의 형태학적 논의 57
• 1) 조름나물의 형태적 특징과 생식적 기능 57
• 2) 이화주성의 진화적 위치와 전이 가능성 58
• 3) 지역적 변이와 형태적 비율 60
• 2. 조름나물의 생식학적 특징 비교 61
• 1) 근연 과와의 생식학적 비교 61
• 2) 과내 분류군과의 생식학적 비교 63
• 3. 조름나물의 세포유전학적 특징 64
• 1) 조름나물의 세포유전학적 진화 64
• 2) 조름나물의 핵형 안정성과 rDNA 진화 패턴의 계통학적 의미 65
• 4. 조름나물의 집단유전다양성 특징 67
• 1) 유전적 분화 구조 67
• 2) 유전다양성 수준 및 생태적 의미 68
• 3) 지리적, 생태적 격리와 제한된 유전자 흐름 70
• 4) 일반적인 수생식물 유전다양성 패턴과 비교 72
• VI. References 74
• VII. Abstract 85
• List of Table
• Table 1. Collection data of plant materials used in floral study. 17
• Table 2. Collection data of plant materials used in chromosome study. 20
• Table 3. List of primers used in chromosome study. 23
• Table 4. Sampling information for M. trifoliata used in SSR analysis. 26
• Table 5. Information on SSR markers selected for M. trifoliata. 28
• Table 6. Comparison of floral dimensions between two types. 31
• Table 7. A summary of embryological features of Menyanthaceae and
• other relatide falimiles. 40
• Table 8. Chromosome analysis of four species of Menyanthaceae. 44
• Table 9. Summary of 45S and 5S rDNA FISH signals of four species. 51
• Table 10. Analysis of molecular variance(AMOVA) showing the partitioning of
• genetic variation among and within population of M. trifoliata based on
• SSR markers. 51
• Table 11. Pairwise genetic differentiation among population of M. trifoliata. based
• on SSR markers. 52
• Table 12. Population-level genetic diversity indices and multilocus genotype(MLG)
• statistic of M. trifoliata based on SSR markers. 53
• Table 13. Comparative embryological and reproductive characters among
• Menyanthaceae, Calyceraceae, Goodeniaceae, and Asteraceae. 64
• List of Figure
• Figure 1. The two types of M. trifoliata flower. 30
• Figure 2. Scanning electron micrographs of M. trifoliata flowers. 32
• Figure 3. Development of anther and microspore in M. trifoliata. 34
• Figure 4. Development of ovule and megagametophyte in M. trifoliata. 36
• Figure 5. Development of seed coat in M. trifoliata. 39
• Figure 6. Somatic metaphase chromosomes of four species in Menyanthaceae. 47
• Figure 7. DAPI staining of chromosomes of four species in Menyanthaceae. 48
• Figure 8. Distribution onf FISH signals on metaphase chromosomes in Four
• Menyanthaceae species 49
• Figure 9. FISH karyotype idiogram of four species in Menyanthaceae. 50
• Figure 10. Representative electropherograms of SSR loci obtained from M. trifoliata
• populations. 54
• Figure 11. Relative allele frequency composition of M. trifoliata population based
• on 10 SSR loci. 55
• Figure 12. Principal coordinate analysis(PCoA) of M. trifoliata. based on 10 SSR
• loci. 56