다유전자 계통수 및 cox1 바코드 분석에 기반한 한국 산호말속(산호말과, 홍조식물문) 계통과 Corallina berteroi 개체군 역학 = Systematics of Corallina (Corallinaceae, Rhodophyta) and population dynamics of C. berteroi in Korea based on multigene phylogenetic and cox1 barcode analyses

국문 초록 (Abstract)

산호말홍조아강 (Corallinophycidae)은 탄산칼슘 (CaCO3) 세포벽을 가지는 홍조류로, 수생태계에서 일차생산, 탄소순환, 서식처 제공 등 중요한 역할을 한다. 그 중 산호말속 (Corallina)은 유절산호말홍조류로, 석회화된 intergenicula와 비석회화된 genicula가 반복되는 독특한 구조를 가지며, 형태적 변이가 커 종 식별과 분류가 어렵다. 이를 극복하기 위해 분자적 접근이 필수적이다. 우리나라에서는 작은구슬산호말 (C. pilulifera)이 기후변화 생물지표종 (CBIS, Climate-sensitive Biological Indicator Species)으로 지정되었으나, C. pilulifera-complex의 다양성과 분포에 대한 연구는 제한적이다. 본 연구의 목적은 다유전자 계통 분석을 통해 한국 연안 산호말속의 종간 계통관계를 밝히고, 제주도, 부산, 울릉도에 분포하는 C. berteroi 지역 개체군의 유전적 다양성을 분석하는 것이다. 2022년 11월부터 2024년 3월까지 동해, 남해, 서해 11개 지역 38개 지점에서 총 1,497개체를 채집하였으며, random intergenicular의 길이 (L)를 너비 (W)로 나눈 비율 (L/W ratio)의 형태적 특징과 미토콘드리아 cob (1,143 bp), cox1 (1,599 bp), nad5 (2,016 bp)와 색소체 psbA (1,083 bp), rbcL (1,485 bp)을 활용한 다유전자 계통 분석을 통해 산호말속을 세 개의 Group으로 구분하였다. Group 1 (L/W ratio ≥ 2)은 C. officinalis, Group 2 (2 > L/W ratio ≥ 1.5)는 C. hakodatensis와 C. pilulifera, Group 3 (1.5 > L/W ratio)은 C. berteroi, C. confusa, C. declinata, C. yendoi를 포함한다. 이 중 C. declinata, C. hakodatensis, C. yendoi는 국내 미기록종이다. C. berteroi 개체군은 각각 제주도 (114개체), 부산 (81개체), 울릉도 (36개체)에서 채집하였으며 총 17개의 cox1 haplotype을 확인하였다. 제주도 개체군은 가장 높은 haplotype diversity (h = 0.8298)를 나타냈으며 울릉도 개체군은 가장 낮은 값(h = 0.3460)을 보였다. 세 지역에서 공통적으로 나타나는 haplotypes는 k08과 k10이다. C. berteroi는 세 지역 간 유전적 분화가 뚜렷하지 않았으나, 울릉도에서 부산 방향으로의 개체군 이동이 두드러졌다. 본 연구는 다유전자 분석과 형태적 특징을 기반으로 한국 연안 산호말속의 종 다양성을 분석하고, 국내 미기록종을 확인하였으며, 대표종인 C. berteroi의 지역 개체군간 변이를 이해하였다. 이러한 결과는 산호말속의 생물다양성 보존과 분류학적 연구에 중요한 기반 자료를 제공한다.

주요단어: 다유전자 유합계통수, 미기록종, 산호말속, 유전적 다양성, 종 다양성, C. berteroi 개체군 역학

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The subclass Corallinophycidae characterized by calcified cell walls with calcium carbonate (CaCO3). These algae serve ecological functions in aquatic ecosystems, contributing to primary production, carbon cycling, and habitat formation. The Corallina includes geniculate coralline algae characterized by alternating calcified intergenicula and non-calcified genicula. Significant morphological plasticity within Corallina complicates species identification and classification, necessitating molecular approaches for taxonomy. In Korea, Corallina pilulifera has been recognized as a climate-sensitive biological indicator species (CBIS). However, diversity and distribution of the C. pilulifera-complex remain unclear. This study aims to interspecific phylogenetic relationships within Corallina along the Korean coasts using multigene analyses of mitochondrial markers (cob, cox1, nad5) and plastid markers (psbA, rbcL). Additionally, intraspecific variation was assessed by analyzing the genetic diversity of C. berteroi populations collected from Jeju, Busan, and Ulleungdo. During from November 2022 to March 2024, 1,497 specimens were collected from 38 sites across 11 regions in the East Sea, South Sea, and Yellow Sea. Morphological characterization based on the length-to-width (L/W) ratio of random intergenicula, combined with multigene analyses, revealed three distinct groups within Corallina: Group 1 (L/W ratio ≥ 2) includes C. officinalis; Group 2 (2 > L/W ratio ≥ 1.5) includes C. hakodatensis and C. pilulifera; and Group 3 (1.5 > L/W ratio) comprises C. berteroi, C. confusa, C. declinata, and C. yendoi. Notably, C. declinata, C. hakodatensis, and C. yendoi were identified as unrecorded species in Korea. Analysis of C. berteroi populations (n = 231) identified 17 cox1 haplotypes across Jeju (n = 114), Busan (n = 81), and Ulleungdo (n = 36). Haplotype diversity was the highest in Jeju (h = 0.8298) and the lowest in Ulleungdo (h = 0.3460). Two dominant haplotypes (k08 and k10) were shared among all regions, and other haplotypes exhibited derived from both dominant haplotypes. Population genetic analyses revealed no significant differentiation and directional gene flow among the three regions. This study integrates multigene analyses and morphological characterization to increase our understanding of Corallina diversity along the Korean coasts, documenting unrecorded species, and elucidating the population structure of representative species, C. berteroi. These results provide fundamental data for biodiversity conservation and taxonomy on Corallina in Korea.

Keywords: C. berteroi population dynamics, Corallina, Genetic diversity, Multigene phylogeny, New record, Species Diversity

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 재료 및 방법 8
• 2.1 산호말속 시료 준비 및 유전자 분석 8
• 2.1.1 표본 및 DNA 확보 8
• 2.1.2 PCR 및 시퀀싱 14
• 2.2 형태 분석 17
• 2.3 계통 분석 18
• 2.3.1 데이터 준비 18
• 2.3.2 유전자 변이 분석 및 포화도 평가 18
• 2.3.3 계통수 구축 21
• 2.4 C. berteroi 종 내 다양성 분석 29
• 2.4.1 세 지역 개체군 시료 확보와 cox1 alignment 29
• 2.4.2 Haplotype 분석 29
• 2.4.3 지역개체군 구조 및 이동 분석 30
• 3. 결과 41
• 3.1 cox1 계통수를 활용한 종 판별 41
• 3.2 산호말속의 형태적 특징 43
• 3.3 산호말속 종 간 유전적 다양성 50
• 3.3.1 다유전자 p-distance 차이 50
• 3.3.2 다유전자 변이 비율과 정보 좌위 비율 51
• 3.3.3 Codon별 염기 조성의 차이 52
• 3.3.4 3rd codon position 치환 포화도 52
• 3.3.5 개별 유전자 계통수 53
• 3.3.6 다유전자 유합계통수 55
• 3.4 C. berteroi 종 내 지역개체군 비교 67
• 3.4.1 지역별 haplotype 분포 및 특징 67
• 3.4.2 세 지역 개체군 간 유전적 다양성 68
• 3.4.3 세 지역 개체군 구조와 gene flow 69
• 4. 고찰 78
• 4.1 한국 연안 산호말속 종별 분포 및 미기록종 78
• 4.2 산호말속 종 간 유전적 다양성 81
• 4.2.1 미토콘드리아와 색소체의 다양성 81
• 4.2.2 다유전자 유합계통수와 형태적 특징 일치 83
• 4.3 C. berteroi 종 내 지역개체군 비교 86
• 4.3.1 지역별 haplotype 분포 및 특징 86
• 4.3.2 지역간 유전적 다양성 87
• 4.3.3 지역개체군 구조 및 유전자 이동 경로 88
• 5. 결론 97
• 참고문헌 99
• 부록 107