Different modes of speciation on Oceanic island ; a case study in Ulleung Island

Gil, Heeyoung Sungkyunkwan university 2018 국내박사

울릉도는 한반도에서 유일한 대양섬으로 외래종을 제외한 약 500여 종의 식물이 자생하고 있으며, 그 중 약 7%(약 36 종)의 종이 울릉도에만 자생하는 고유종이다. 울릉도는 약 2백만년 전 화산활동에 의해 생성된 매우 젊은 섬으로 다른 대양섬과 달리 현화식물 종 분화 과정 및 패턴의 초기 단계를 연구하는데 훌륭한 모델로 알려졌다. 태평양이나 대서양에 있는 다른 대양섬들과 달리 울릉도는 대부분(88%)의 고유종이 향상진화에 의해 종 분화가 이루어진 것이 잘 알려져 있으며 이는 울릉도의 고도가 낮고 서식환경이 다소 단순하기 때문인 것으로 밝혀진 바 있다. 하지만 향상진화뿐만 아니라 생식적으로 불완전하게 격리된 종간의 교잡에 의한 종분화 기작 또한 울릉도와 같은 대양섬의 생물다양성을 높이는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 따라서 본 연구는 향상진화와 잡종에 의한 두 가지 서로 다른 종 분화 기작에 의해 기원된 울릉도 고유종 세 종의 기원과 종분화를 연구하고 비교하고자 하였다. 첫 번째 연구 대상 종은 제비꽃과의 우산제비꽃(Viola woosanensis, 제비꽃과)으로 형태적 특징에 의해 남산제비꽃(Viola chaerophylloides)과 울릉제비꽃(Viola ulleungdoensis)의 교잡종일 것으로 다른 연구자들에 의해 추정된 바 있다. 울릉도 내 세 종의 가능한 모든 집단을 채집하여 염색체와 핵 리보솜 ITS 염기서열을 생산하고 이전 연구된 한국산 제비꽃속 데이터를 포함하여 계통학적 분석 및 haplotype network 분석을 실시하였다. 그 결과, 우산제비꽃은 울릉제비꽃이 모종으로 남산제비꽃이 부종으로 기여하여 형성된 잡종임을 밝힐 수 있었다. 클로닝 실험을 통해 우산제비꽃 대부분의 집단이 두 부모종의 ribotype을 보유하고 있으며 따라서 우산제비꽃이 잡종 F1세대 또는 최근에 형성된 잡종임을 확인 할 수 있었다. 우산제비꽃은 생식력이 없었으며 부모종과의 여교배는 일어나지 않은 것으로 나타났다. Haplotype network 분석 결과 부모종의 단독 교잡이 아닌 여러 번의 독립적인 교잡 사건에 의해 현재 우산제비꽃 집단이 형성된 것으로 확인되었다. 또한 항상 울릉제비꽃이 모종으로 남산제비꽃이 부종으로 작용하여 교잡이 한 방향으로만 일어났으며 이런 비대칭적인 생식적격리의 메카니즘은 추후 연구가 필요한 것으로 생각된다. 두 번째 연구 대상 종은 향상진화에 의해 기원된 섬현삼(Scrophularia takesimensis, 현삼과)이다. 섬현삼은 울릉도 해안가에 자생하며 환경부 지정 멸종위기식물 2급 식물이다. 근연식물로 동해안을 따라 한국, 러시아, 일본에 자생하는 개현삼(Scrophularia alata)과 일본 동북부지역에 제한적으로 분포하고 일본 고유종인 Scrophularia grayanoides 두 종이 알려져 있지만 섬현삼의 정확한 대륙 조상종과 지리적인 기원지는 밝혀진 바가 없다. 따라서 본 연구는 섬현삼 및 두 근연종의 광범위한 채집과 계통학적 분석을 통해 섬현삼의 기원을 밝히고, 울릉도내 유전적 구조를 확인하고자 하였다. 계통학적 분석을 위해 기존에 연구된 전 세계에 분포하는 현삼속 식물들에 대한 데이터를 포함하여 함께 분석을 실시하였다. 그 결과 핵 리보솜 ITS 계통수는 섬현삼이 기존에 알려진 두 근연종이 아닌 북미대륙 동부지역과 카리브해 지역에 분포하는 종들과 자매관계를 형성하는 것으로 나타났다. 반면 염색체 염기서열을 이용하여 분석한 계통수의 경우, 섬현삼이 개현삼과 가장 근연한 관계를 형성하였으며 S. grayanoides는 독립적인 단계통을 형성하였다. MP/ML 계통수의 경우 단계통을 이루는 섬현삼이 개현삼 분계조에 깊숙이 삽입되는 형태로 나타났지만 BI 계통수의 경우, 두 개의 분기된 분계조가 따로 개현삼 분계조에 삽입된 형태로 나타났다. 특히 울릉도 동남부 집단으로 이루어진 한 분계조의 경우 일본 북부(2n=96) 및 사할린(2n=20) 지역의 개현삼 개체들과 근연관계를 이루는 것이 확인되었다. Haplotype network 분석 결과 섬현삼은 BI 계통수와 마찬가지로 울릉도 동남부 집단과 나머지 집단의 지리적 구조를 보이는 두 개의 haplotype 그룹을 형성하여 최소한 두 번의 독립적인 유입에 의해 기원되었음을 확인할 수 있었다. 울릉도 동남부 지역에서 확인된 haplotype 그룹은 일본 및 사할린 지역의 개현삼에서 가장 흔하게 발견된 haplotype에서 기원된 것을 확인할 수 있었다. 하지만 나머지 집단의 경우 정확환 기원지는 확인할 수 없었다. 섬현삼의 정확한 기원지를 밝히기 위해 염색체 카운팅을 실시한 결과, 기존에 알려진 2n=80이 아닌 개현삼 일본 집단과 같은 수(2n=94)의 염색체를 갖고 있는 것으로 확인되었다. 따라서 울릉도 동남부 집단 섬현삼은 일본 북부지역에서 기원되었음을 확인할 수 있었다. 두 번의 독립적인 기원에 의해 섬현삼이 분화되었지만 ITS 계통수에서는 단계통을 이루었는데 이는 집단간 수분매개 유전자 교류에 의한 결과인 것으로 생각되며 ITS 염기서열을 관찰한 결과 지리적으로 인접한 집단간에 희귀한 염기서열을 서로 공유하는 것을 확인할 수 있었다. 마지막 연구 대상 종은 우산마가목(Sorbus ulleungensis, 장미과)으로 그 동안 마가목(Sorbus commixta)로 인식되어오다 최근 연구 결과 마가목과 형태적으로 뚜렷한 차이점이 확인되어 새로운 종으로 발표되었다. 우산마가목 또한 향상진화에 의해 종분화가 이루어진 것으로 생각되는 종으로 본 연구를 통해 기원을 밝히고 향상진화에 의한 유전적 패턴을 확인하고 이전 울릉도 고유종의 집단유전학 연구 결과와 비교하고자 하였다. 염색체 염기서열을 이용한 계통학적 분석 결과 우산마가목이 지리적으로 가까운 한반도가 아닌 일본 중부 및 남부 지역의 마가목 집단과 근연관계를 이루는 것을 확인하였다. Haplotype network 분석 결과 우산마가목은 단일 haplotype 그룹을 형성하였으며, 일본 중부지역에 분포하는 마가목 집단에서 단독 기원에 의해 형성된 것으로 확인되었다. 또한 마가목 집단 중 일본 중/남부 지역과 북부 지역간에 상당히 높은 유전적 분화가 있음을 확인할 수 있었으며, 한반도 집단은 지리적으로 가까운 일본 남부보다 일본 북부 지역의 집단과 함께 haplotype 그룹을 형성하였다. 우산마가목과 마가목의 유전적 다양성을 비교한 결과, 이전에 연구된 울릉도 고유종인 우산고로쇠나무 및 섬단풍나무 연구 결과와 마찬가지로 울릉도 고유종이 대륙조상종보다 유전적 다양성이 낮은 것으로 나타났다. 우산마가목과 마가목간의 유전적 분화도를 확인하기 위해 두 종을 함께 AMOVA 분석한 결과, 전체 변이의 61.51%가 두 분류군 간에 존재하는 것으로 나타나 우산마가목과 마가목간의 유전적 분화도가 상당히 높은 것을 확인할 수 있었다. 두 종을 따로 분석한 결과는 서로 상반된 결과를 보였는데 우산마가목의 경우, 대부분의 변이가 집단내 개체간(79.03%)에 분포하는 것으로 나타났지만 마가목의 경우 집단간에 72.07%의 변이가 분포하여 haplotype network 결과와 마찬가지로 마가목 집단간 유전적 구조를 확인할 수 있었다. Ulleung Island, an oceanic volcanic island in Korea, is home for ca. 500 native species of vascular plants, 8% (40 species) of which are endemic to the island. The Ulleung Island has been recognized as an excellent model system to study the pattern and process of early stages of flowering plant evolutions on oceanic island. Unlike any other oceanic islands in the Pacific and Atlantic Oceans, the predominant mode of speciation on Ulleung Island is considered anagenetic speciation (88%) due to the factors of low vegetation heterogeneity and elevation. However, potentially important role of hybrid speciation among incompletely reproductively isolated lineages on island cannot be ruled out. In this study, we investigated the origin and evolution of three endemic species of Ulleung Island representing two different speciation mode on Ulleung Island. One such example of hybrid speciation includes Viola woosanensis (Violaceae), which is of purportedly hybrid origin between V. ulleungdoensis and V. chaerophylloides based on morphology. Our molecular data strongly supported the hybrid origin of V. woosanensis and the maternal and paternal parent was determined to be V. ulleungdoensis and V. chaerophylloides, respectively. The presence of two parental ribotypes in V. woosanensis (with exception in one population) was confirmed by cloning, suggesting V. woosanensis is primarily F1 generation. No trace of backcrossing and introgression with its parents was detected due to low fertility of hybrid species. Multiple and unidirectional hybrid origin of V. woosanensis is suggested and asymmetric gene flow requires further study. Other cases of reticulate evolution on island setting in promoting biodiversity as oppose to cladogenesis and anagenesis demand rigorous morphological documentation and molecular investigation. One example of anagenetically derived species includes Scrophularia takesimensis, one of critically endangered endemic species in Ulleung Island. We conducted molecular phylogenetic analyses to determine the origin of S. takesimensis based on extensive sampling, including two putative progenitor species, from the East Asia. The ITS phylogeny suggested that S. takesimensis is sister to the clade containing eastern North American/Caribbean species rather than to either S. alata or S. grayanoides. The global scale cpDNA phylogeny demonstrated that the eastern North America/Caribbean clade is sister to the clade containing three eastern Asian species. In addition, the monophyletic S. takesimensis is deeply embedded within paraphyletic S. alata, sharing its most recent common ancestor with populations from Japan (2n=94) and Sakhalin (2n=20). Geographically structured two divergent cp haplotype groups within S. takesimensis were found, suggesting at least two independent introductions from different source areas. A new and accurate chromosome number of S. takesimensis (2n=94) was reported and some conservation strategies were discussed. Another example of anagenetically derived endemic species on Ulleung Island is Sorbus ulleungensis (Rosaceae). S. ulleungensis has been considered as S. commixta but recently described as endemic species in Ulleung Island based on morphological characteristics. As an attempt to investigate the genetic consequences of anagenetic speciation of this taxon, we generated chloroplast haplotype diversity data of insular derivative S. ulleungensis and continental progenitor S. commixta. The results suggested that S. ulleungensis is most closely related to the populations of S. commixta sampled from central Japan, suggesting possibility of southern geographical origin rather than the Korean peninsula. We also found that all indicators of genetic variation exhibited lower level of genetic variation in S. ulleungensis than those in the progenitor species S. commixta in Korea and Japan. As we compared population genetic structure, we found two contrasting patterns between S. commixta and S. ulleungensis. In the case of S. ulleungensis on Ulleung Island, most of the variation was found among individuals within populations (79.03 %). On the other hand, for Sorbus commixta, we found strong genetic differentiation (72.07 % variation among populations). Some phylogeographic insights of S. commixta were also discussed.

울릉도의 희귀 및 멸종 위기 식물에 대한 생태학적 연구 및 인공번식

이성제 중앙대학교 대학원 2007 국내석사

The rare and endangered species in Ulleung Island, S. takesimensis, B. latissimum and T. tschonoskii, are exposed to high estimated dangerousness. But, the study not only about those species have not been executed until now the important basic artificial propagation but also about those species have not been also executed until now. The systematic researches about ecological characteristics and the flora of native S. takesimensis, B. latissimum and T. tschonoskii habitats was executed and it was also executed the studies of artificial propagation about S. takesimensis, B. latissimum and the study of cuttage about S. takesimensis, for the assessment of local ecological environmental characteristics and the basic data for alternative restoration of native habitats and for application with useful plant resources. S. takesimensis, called as 'Seom-hyeon-sam', is very rare plant which is restricted in seaside of Ulleung Island. It's only distributed in Ulleung Island. B. latissimum, called as 'Seom-si-ho' is the perennial herb in Umbelliaferae. and distributes only in Ulleung Island in Korea. T. tschonoskii, called as 'Keun-yeon-yeong-cho' is monocotyledonous and perennial herbaceous plants belonging to Liliaceae. It is very rare native plant throughout the country, especially It distribute in Ulleung Island, Northen area in South Korea and restricted area in Japan. 1. Analysis of vegetation in native habitats of Rare and endangered species This research was accomplished around seashore (altitude; 3-22m) and on middle part of Jukdo (67m) and Gwaneumdo (88.5m). Native S. takesimensis sites (quadrates number of 21) were grouped into two communities. Those are S. takesimensis-A. japonica subsp. littoricola community and S. takesimensis-C. soldanella community grouped. S. takesimensis-A. japonica subsp. littoricola community was located on the slope direction condition of N and W and native sites were located on the gradients of variable slope of 5°-57°. Intensity percentage of illumination (%) was average 82.42% (between 54.85 and 99.9%) as sunny condition. The most soil conditions were researched as a little soil of gap among rocks or piles of rock. S. takesimensis-A. japonica subsp. littoricola community is that A. japonica subsp. littoricola was researched as character species in this community. S. takesimensis-C. soldanella community was located on the slope direction condition of S and E, and native sites were located on the gradients of variable slope of 5°-78°. S. takesimensis-C. soldanella community is that C. soldanella was researched as character species in this community. Character species is the species representing or dominating the community characteristically. Native sites distributed in and around seashore according to C. soldanella and F. japonicum etc, and in area receiving many influences by human-being according to S. asper and O. corniculata. Especially, most of native S. takesimensis habitats located around coastal road taking most of traffic volume influenced too much by human-being in Ulleung Island. Flowering rate of S. takesimensis in native habitats was various between 27% and 91.67%. The native habitats of flowering rate over 40% is suitable for vegetation of S. takesimensis. Coverage index of S. takesimensis in S. takesimensis-A. japonica subsp. littoricola community was high numerical value (1255.71). Coverage index of S. takesimensis in S. takesimensis-C. soldanella community was high numerical value (1964.29). Simpson index and Shannon-wiener index were indicated highly as 0.9400 and 1.4189, on the contrary Simpson dominance index was low as 0.0600, in S. takesimensis-A. japonica subsp. littoricola community. Simpson index and Shannon-wiener index were indicated highly as 0.8665 and 1.1250, on the contrary Simpson dominance index was very low as 0.1335, in S. takesimensis-C. soldanella community. The geographical distribution of native B. latissimum was that the native sites was usually located on the mountainous district nearby seashore. Native B. latissimum habitats were researched on the middle and lower parts of mountainous district; altitude 54-185m. The slope direction of native sites were N and W generally. Those were usually located the slope gradient of about 50 degrees. Furthermore, the lighting condition was usually shaded and semi-shaded and Neutral soil is usually needed for native B. latissimum habitats. Native B. latissimum sites (quadrates) were divided into two communities. Those are B. latissimum typical community and B. latissimum-G. spurium var. echinospermon community. B. latissimum typical community included that content of soil organic matter is 'medium' or 'large'. This community is the typical community indicating the characteristics with only B. latissimum without other Character species. B. latissimum-G. spurium var. echinospermon community included that content of soil organic matter is usually 'Small'. G. spurium var. echinospermon etc were researched as character species in this community. The soil hardness was 1.19kg/cm2 in B. latissimum typical community and the soil hardness was 1.67kg/cm2 in B. latissimum-G. spurium var. echinospermon community. H. japonica, A. japonica subsp. littoricola, S. takesimense and D. takesimana etc distributed around seashore and Island, were researched. Coverage index of B. latissimum was high numerical value (1952) in B. latissimum typical community. Coverage indexes of B. latissimum (1500) in B. latissimum-G. spurium var. echinospermon community. Simpson index and Shannon-wiener index were indicated highly as 0.9742 and 1.4776, on the contrary Simpson dominance index was low as 0.0258 in B. latissimum typical community. Simpson index and Shannon-wiener index were indicated highly as 0.9556 and 1.4744, on the contrary Simpson dominance index was very low as 0.0444 in B. latissimum-G. spurium var. echinospermon community. Native T. tschonoskii habitats researched on the middle parts of mountainous district; altitude 186-458m (Fig. 18). The slope directions of native sites were W, NW, SW, SSW, NNE and EEN. Soil pH of native T. tschonoskii habitats were usually distributed in subacid soil; average 5.31. Native T. tschonoskii sites (quadrates) were grouped into three communities. Three communities are T. tschonoskii-M. dilatatum, T. tschonoskii-A. sylvestris, T. tschonoskii-H. maxima grouped according to altitude and aerial humidity. First: T. tschonoskii-M. dilatatum community was composed in condition of middle of altitude 300m and humidity of 70%RH, on slope of NNE. Character species in this community is M. dilatatum. Second: T. tschonoskii-A. sylvestris community was composed in condition of middle of altitude 100m and humidity of 40-60%RH and on slope of NNE and EEN. Character species in this community is A. sylvestris. Third: T. tschonoskii-H. maxima community was composed in condition of middle of altitude 400m and humidity of 20-30%RH, on slope of W generally. Character species in this community is H. maxima. Companion species in native T. tschonoskii habitats was A. odorata, H. japonica, and A. takesimense designated as rare plant by Korea Forest Service. The environmental condition constituted by tree layers is suitable for native T. tschonoskii habitats according to the result of high flowering rate (52.78%). Coverage index of T. tschonoskii was high numerical value (5000) and coverage indexes of M. dilatatum (2750) was also high value in T. tschonoskii-M. dilatatum community. Coverage indexes of T. tschonoskii (1880) and A. sylvestris (2750) were high numerical values in T. tschonoskii-A. sylvestris community. Coverage index of companion species, H. japonica (1125) was also high numerical value. In case of T. tschonoskii-H. maxima community, coverage indexes of T. tschonoskii (2005) and H. maxima (1625) were high numerical values. In T. tschonoskii-M. dilatatum community, Simpson index and Shannon-wiener index were indicated highly as 0.8818 and 0.9509, on the contrary Simpson dominance index was low as 0.1182. In T. tschonoskii-A. sylvestris community, Simpson index and Shannon-wiener index were indicated highly as 0.9801 and 1.5201, on the contrary Simpson dominance index was very low as 0.0199. In T. tschonoskii-H. maxima community, Simpson index and Shannon-wiener index were indicated highly as 0.9726 and 1.5329, on the contrary Simpson dominance index was very low as 0.0274. This result means that dominant degree of vegetation structure can be easily changed by detailed environmental change according as one species doesn't dominate native sites (high species diversity). The conservation of native communities are to protect that native habitats are dominated by naturalized species through restricted control of native habitats for native habitats' preservation. 2. Flora and naturalized species The flora of vascular plants on the native S. takesimensis habitats is composed with 37 families, 61 genus, 59 species, 11 varietas, 2 subspecies, 1 forma and total 73 taxa. The flora of vascular plants on the native B. latissimum habitats is composed with 44 families, 88 genus, 82 species, 14 varietas, 2 subspecies, 4 forma and total 102 taxa. The flora of vascular plants on the native T. tschonoskii habitats is composed with 47 families, 75 genus, 75 species, 10 varietas and total 85 taxa. Naturalized plants in native S. takesimensis habitats were researched as 5 families, 6 genus, 7 species, 1 Varietas and total 7 taxa and urbanization index (UI) was 2.45% and naturalization ratio was 9.59%. Naturalized plants in native B. latissimum habitats were researched as 3 families, 5 genus, 6 species and total 6 taxa and urbanization index (UI) was 2.1% and naturalization ratio was 5.8%. Naturalized plants in native T. tchonoskii habitats were researched as 2 families, 2 genus, 2 species and total 2 taxa and urbanization index (UI) was 0.7% and naturalization ratio was 2.4%. This naturalization ratio corresponds to very high ratio(except for native T. tchonoskii habitats), because Ulleung Island has the Island-specific conditions that it is very hard that naturalized species migrated, according to the distance (150km above) from inland and it is high ratios compared with the flora of Ulleung Island. Finally, naturalized plants will dominate the native habitats if the native habitats are neglected without the administration afterwards. 3. Artificial propagation of Rare and endangered species The best artificial propagation with S. takesimensis seeds is the light and dark condition of each 12hours and the low temperature treatments for over 30days with 20℃ temperature condition. The best artificial propagation with B. latissimum seeds is the light and dark condition of each 12hours and the low temperature pretreatments for 30 and 45days with 20℃ temperature condition, even if it is possible to propagate the B. latissimum seeds in the control condition and the low temperature pretreatments for 15 - 60days with 20℃ condition. The best way of cutting propagation is to use S. takesimensis cutting which is digested with NAA pretreatment for 30minutes unrelated to each concentration condition (Until 400ppm). 지금까지 울릉도에 자생하고 있는 환경부 지정 희귀 및 멸종위기 식물인 섬현삼, 섬시호 및 큰연령초자생지의 식생조사를 통한 생태학적 특성 및 소산관속식물상을 체계적으로 조사하고 이를 통하여 지역 생태환경 특성을 평가하고, 자생지 대체 복원작업을 위한 그리고 유용식물자원으로의 활용을 위한 기초연구로써 섬현삼 및 섬시호의 종자 저장에 따른 인공번식 연구 및 섬현삼의 삽목발근에 대한 연구를 실시하였다. 섬현삼은 울릉도의 해안에 나는 다년초이며 전세계적으로 국내 울릉도에만 분포한다. 섬시호는 산형과 다년초로써 전세계적으로 국내 울릉도에만 분포한다. 큰연령초 (T. tschonoskii)는 백합과 (Liliaceae) 연령초속의 단자엽 다년생 초본성 식물이며, 자생 큰연령초는 우리나라의 울릉도 및 북부지방 깊은 산속에서 매우 드물게 자생하며 일본의 제한된 지역에서 일부 자생하는 것으로 알려져 있다. 1. 희귀 및 멸종위기 식물 자생지 식생조사 섬현삼는 해발고도 3 - 22m사이, 67m와 88.5m의 해안가 근처 및 죽도와 관음도의 바닷가에서 가까운 섬 중심부에서 고루 관찰되었다. 총 21개의 섬현삼 조사지점은 크게 2개의 군락으로 구분할 수 있었다. 두 군락은 섬현삼-갯제비쑥군락과 섬현삼-갯메꽃군락으로 조사되었다. 섬현삼-갯제비쑥군락은 자생하는 사면 중 일반적으로 북사면 및 서사면의 사면에서 자생하고 있었으며, 사면의 경사는 5° - 57°였다. 채광조건은 54.85 - 99.9%의 조도율을 보이는 양지의 광조건에서 자생하고 나타났다. 일반적으로 대부분의 토양조건은 주로 암석 및 전석지로 이루어진 지역의 틈틈이 보이는 적은 양의 토양에서 자생하고 있는 것으로 나타내고 있었다. 본 군락을 특징적으로 우점하거나 대표하며 특징 지울 수 있는 식별종으로써 갯제비쑥을 언급할수 있는 군락이다. 섬현삼-갯메꽃군락은 자생하는 사면 중 일반적으로 남사면 혹은 동쪽 사면에서 자생하고 있는 것으로 조사되었으며, 사면의 경사는 5° - 78°였다. 갯메꽃이 군락을 특징적으로 우점하거나 대표할 수 있는 식별종으로 선택할 수 있는 군락이다. 본 군락 내에서는 갯메꽃 외에 털머위 등과 함께 출현하여서 본 자생지가 해안가에서 가까운 것을 알 수가 있으며, 일부 자생지에서 출현한 큰방가지똥, 괭이밥 등을 통하여, 본 자생지는 인간의 영향을 많이 받고 있는 지역임을 알 수가 있었다. 특히, 본 자생지는 울릉도에서 교통량의 대부분을 차지하고 있는 해안 도로주변으로써 인간의 영향이 가장 많은 지역이다. 섬현삼 자생지내 섬현삼의 개화율을 파악시 27.00 - 91.67%까지 매우 다양하였으며, 이중 40% 이상의 높은 개화율을 보인 지역이 섬현삼이 자생하기에 가장 적합한 지역이라 사료되어진다. 섬현삼의 피복지수는 두 군락내에서 1255.71과 1964.29의 높은 수치로 나타났다. 울릉도내 조사된 섬현삼-갯제비쑥군락의 종다양도 지수는 Simpson의 지수와 Shannon-wiener의 지수가 각각 0.9400, 1.4189 으로 높은 종다양성을 나타내는 것을 볼 수가 있었으며 이와는 반대로 Simpson dominance 지수 (0.0600)를 통하여 종우점도는 매우 낮은 것으로 나타났다. 또한 섬현삼 갯메꽃군락의 종다양도 지수는 Simpson의 지수와 Shannon-wiener의 지수가 각각 0.8665, 1.1250로 높게 나타났으며, 이와는 반대로 Simpson dominance 지수 (0.1335)를 통하여 종우점도는 매우 낮은 것으로 나타났다. 자생지에서의 섬시호의 분포는 주로 산지에 분포하고 있는 것으로 나타났다. 섬시호는 해발고도 54-185m사이의 산지의 중하부에서 고루 관찰되었다. 사면의 방위는 주로 북, 서향을 하고 있는 것으로 나타났다. 사면의 경사는 50O 전후의 경사에서 대부분의 자생지가 나타났다. 이와 더불어 채광조건은 일반적으로 음지 혹은 반음지에 속하는 것으로 나타났다. 섬시호 자생지는 일반적으로 중성정도의 토양 pH를 요구하는 것으로 사료되어진다. 총 12개의 섬시호 조사구는 토양의 조건에 따라 2개의 군락으로 구분되었으며. 두 군락은 섬시호전형군락과 섬시호-갈퀴덩굴군락이다. 유기물이 중간 혹은 다량으로 나온 섬시호전형군락은 그 군락만을 특징적으로 우점하거나 대표할 수 있는 식별종 없이 하나의 섬시호 자체만으로 군락을 나타낸 전형군락이다. 유기물 함유량이 대부분 소량으로 나온 섬시호-갈퀴덩굴군락에서는 섬시호 자생지에의 수반종외에 이 군락내에서만 조사된 식별종으로써 갈퀴덩굴 등이 함께 조사되었다. 유기물 함량이 중간 이상으로 나온 섬시호전형군락에서는 토양의 경도가 평균 1.19kg/cm2, 유기물 함량이 소량으로 나온 섬시호-갈퀴덩굴군락의 토양경도는 평균1.67kg/cm2 으로 나타났다. 해안 및 섬 등지에서 자생하는 것으로 알려진 송악 및 갯제비쑥, 섬기린초, 섬바디, 등이 조사되었다. 섬시호전형군락에서는 섬시호의 피복도 지수 1952로 높은 피복도지수로 나왔으며, 섬시호-갈퀴덩굴군락에서 섬시호 (1500) 역시 높은 피복도 지수를 보였다. 섬시호전형군락에서는 Simpson 지수와 Shannon-wiener 지수가 각각 0.9742, 1.4776으로 높은 종다양성을 나타내는 것으로 조사되었으며, 이와는 반대로 Simpson dominance 지수 (0.0258)를 통하여 종우점도는 매우 낮게 나타났다. 또한 섬시호-갈퀴덩굴군락에서는 Simpson 지수와 Shannon-wiener 지수가 각각 0.9556, 1.4744로 높은 종다양성을 나타내는 것으로 조사되었으며, 이와는 반대로 Simpson dominance 지수 (0.0444)를 통하여 종우점도는 매우 낮게 나타났다. 큰연령초의 자생지는 해발고도 186-458m사이의 산지의 중위부나 계곡에서 고루 관찰되었다. 사면의 방위는 W, NW, SW, SSW, NNE, EEN였다. 큰연령초 자생지의 토양 pH는 전석지로 이루어진 7번 조사구를 제외하고 평균 5.31의 약산성범위로 골고루 분포하고 있는 것으로 조사되었다. 조사된 표본구는 해발고도와 공중습도에 따라서 3개의 군락 즉, 큰연령초-큰두루미꽃 군락, 큰연령초-전호 군락 그리고 큰연령초-섬노루귀 군락으로 구분되었다. 해발고도 300m 중반대, 약 70%RH의 공중습도 조건의 경우, 큰연령초-큰두루미꽃 군락이 형성되었다. 특히, 본 군락은 NNE방향 사면에서 조사되었다. 식별종으로 큰두루미꽃이 조사되었다. 두 번째 군락유형인 큰연령초-전호군락은 해발고도 100m중반대와 공중습도 40-60%RH 및 NNE와 EEN 방향사면 조건 등에서 형성되었다. 식별종으로 전호가 조사되었다. 마지막으로 해발고도 400m 중반대와 20-30%RH의 공중습도 및 일반적인 W사면방향의 환경조건에서 큰연령초-섬노루귀 군락이 형성되었다. 식별종으로 섬노루귀가 조사되었다. 조사된 큰연령초 자생지내의 수반종으로서 선갈퀴, 송악 및 산림청 지정 희귀 및 멸종위기 식물인 섬남성이 함께 출현하였다. 교목층에 의해 이루어진 환경조건은 자생지 개체들의 개화율 52.78%로 나타난 바와 같이 큰연령초가 자생하기에 적합한 것으로 조사되었다. 큰연령초-큰두루미꽃군락에서는 큰연령초가 피복도 지수 5000으로 매우 높은 피복도지수로 나왔으며, 큰두루미꽃 (2750) 역시 높은 수치로 조사되었다. 큰연령초-전호군락에서는 큰연령초 (1880)와 전호 (2750)가 높은 피복도 지수를 보였다. 큰연령초-섬노루귀군락에서는 큰연령초 (2005)와 섬노루귀 (1625)가 높은 피복도지수를 나타내었다. 큰연령초-큰두루미꽃군락에서는 종우점도 지수인 Simpson 지수와 Shannon- wiener 지수가 각각 0.8818, 0.9509로 높은 종다양성을 나타내는 것으로 조사되었으며, 이와는 반대로 Simpson dominance 지수 (0.1182)를 통하여 종우점도는 매우 낮게 나타났다. 또한 큰연령초-전호군락에서는 Simpson 지수와 Shannon-wiener 지수가 각각 0.9801, 1.5201로 높은 종다양성을 나타내는 것으로 조사되었으며, 이와는 반대로 Simpson dominance 지수 (0.0199)를 통하여 종우점도는 매우 낮게 나타났다. 마지막으로 큰연령초-섬노루귀군락에서는 Simpson 지수와 Shannon-wiener 지수가 각각 0.9726, 1.5329로 높은 종다양성을 나타내는 것으로 조사되었으며, 이와는 반대로 Simpson dominance 지수 (0.0274)를 통하여 종우점도는 매우 낮게 나타났다. 종다양성이 높다는 의미는 한 종의 의해서 군락 전체를 우점하지 않는 것으로 써 미세한 환경의 변화에 의해서도 쉽게 식생의 구성의 우점정도가 바뀔 가능성이 있으므로 이에 대한 관리 및 자생지 복원시 고려해야 할 필요가 있다. 2. 식물상 섬현삼이 자생하는 지역에서 조사된 관속 식물은 총 37과 61속 59종 11변종 2아종 1품종 등 총 73 분류군으로 조사되었다. 섬시호가 자생하는 지역에서 조사된 관속 식물은 44과 88속 82종 14변종 2아종 4품종 등 총 102분류군으로 조사되었다. 큰연령초가 자생하는 지역에서 조사된 관속 식물은 47과, 77속 75종 10변종 등 총 85분류군으로 조사되었다. 섬현삼 자생지에서는 귀화식물이 5과 6속 7종 1 변종의 7분류군으로 조사되었으며, 도시화 지수는 2.45%로 나타났으며, 귀화율은 9.59%로 나타났다. 섬시호 자생지에서는 귀화식물이 3과 5속 6종의 6분류군으로 조사되었으며, 도시화 지수는 2.1%로 나타났으며, 귀화율은 5.8%로 나타났다. 큰연령초 자생지에서는 귀화식물이 2과 2속 2종의 총 2분류군으로 조사되었으며, 도시화 지수는 0.7%로 나타났으며, 귀화율은 2.4%로 나타났다. 큰연령초 자생지를 제외한 식물의 자생지에서는 섬의 특수상황 및 울릉도의 식물상과 비교시 이는 높은 편에 속하므로 이에 대한 관리가 필요하다 사료되어진다. 3.희귀 및 멸종 위기 식물 인공증식방법 섬현삼의 활용을 위한 기초자료인 번식방법에 대한 연구 결과, 각 12시간의 광 및 암 조건과 20℃ 온도조건에서 30일 이상 저온 처리한 섬현삼 종자로 개체증식을 하는 것이 가장 적당한 번식법이라 사료되어진다. 섬시호의 활용을 위한 기초자료인 번식법에 대한 연구 결과, 각 12시간의 광 및 암조건과 20℃의 온도 조건에서 저온 무처리부터 60℃ 저온 처리조건에서 까지 가능하나 상대적으로 30일 및 45일 저온처리조건이 가장 적당한 번식조건이라 사료되어진다. 섬현삼 삽목 번식 실험 결과를 통하여, 섬현삼은 농도에 상관없이 NAA를 30분간 처리하는 것이 상대적으로 효율적인 삽목번식 방법이라 사료되어진다.

Population structure of Phedimus takesimensis (Crassulaceae) on Ulleng lsland and molecular comparison with P. kamtschaticus, a continental progenitor

서희승 성균관대학교 일반대학원 2018 국내석사

Ulleung Island is volcanic in origin with ca. 1.8 million years old and is located approximately 137 km east of the Korean Peninsula. Of nearly 500 native species of vascular plants, 39 species (7.8% endemism) are considered to be endemic to Ulleung Island. The origin of endemic species on Ulleung Island is often explained by the mode of anagenetic speciation (88% in Ulleung Island). Therefore, endemic plant species on Ulleung Island represent ideal systems to study anagenetic speciation on oceanic islands. One such example for studying anagenetic mode of speciation on Ulleung Island is Phedimus takesimensis (=Sedum takesimense), which occurs exclusively in Ulleung-do and Dok-do Island. Phedimus kamtschaticus (=Sedum kamtschaticum), which commonly occurs in northeastern Asia, is considered as continental progenitor species of P. takesimensis. In this study, we investigated genetic diversity and structure of P. takesimensis (derivative) and P. kamtschaticus (progenitor) pairs to assess the genetic consequences of anagenetic speciation. In addition, we sought to develop the complete chloroplast genome sequence and microsatellite markers of P. kamchaticus, We extensively sampled populations of progenitor (P. kamchaticus; 10 populations. from Korean peninsula, 80 individuals) and derivative (P. takesimensis; 14 populations. 138 individuals from Ulleungdo and 1 population. 10 individuals from Dok-do) and sequenced five noncoding regions of cpDNA (atpI/H, trnC/ycf6, trnL/F, rps16/trnK, and ndhJ/trnF; ca. 3500 base pairs). We found nearly three times higher haplotype diversity in insular derivative species (23 haplotypes in 148 individuals), which derived from the most common haplotype found in southern and eastern part of Ulleung Island, compared to its continental progenitor species (8 haplotypes in 80 individuals). Only one haplotype found in Dok-do Island was derived from the southwestern population of Ulleung Island. We found geographical structuring within the island population and very strong genetic differentiation between the island species P. takesimensis and its continental progenitor P. kamtschaticus. Given morphological similarity between the species pairs of Phedimus, this degree of genetic differentiation is striking and it requires further study based on more extensive sampling of the continental progenitor species. We also found high degree of genetic differentiation among populations of P. takesimensis (73% of the variation is found among populations), suggesting substantial population differentiation after speciation. Any factors that contributed to such population differentiation on island are yet to be determined. Nevertheless, our results raise carefully a possibility that anagenetically derived species could accumulate genetic variation through time and high level of genetic differentiation within insular derived species. In the Chapter 2, We characterized the complete chloroplast genome sequence and developed microsatellites of Phedimus kamtschaticus. First of all, The genome size was 151,652 bp, composed of one pair of inverted repeats (IRs) of 25,977 bp, which were separated by one large single-copy (LSC; 83,010 bp) and one small single-copy (SSC; 16,688 bp) region. The chloroplast genome contained 132 genes, including 88 protein-coding genes, 36 tRNA genes, and 8 rRNA genes. The overall GC content was 37.8%. Phylogenetic analysis of the complete chloroplast genome suggested that P. kamtschaticus was most closely related to Ulleung Island insular endemic P. takesimensis. We also confirmed polymorphic microsatellite markers at 15 loci based on P. kamtschaticus populations. These microsatellite markers will be useful for the characterization of genetic diversity and analysis of genetic structure for Phedimus species

Anagenetic evolution of arisaema takesimense (araceae) on Ulleung Island, Korea

Choi, Yerim Sungkyunkwan University 2023 국내석사

Arisaema takesimense Nakai (Araceae) endemic to Ullueng Island is an herbaceous insular plant and found on damp shady mountains. It was described as a distinctive Arisaema species based on its early flowering and morphological differences in leaf pattern. However, its taxonomic identity remains controversial because of a morphological continuity between A. takesimense and its purported continental progenitor, A. serratum. Furthermore, little is known regarding the population structure, genetic diversity, divergence events, and the geographical origin of A. takesimense. This study hypothesized the insular derivative and continental progenitor relationship between A. serratum and A. takesimense and investigated the genetic consequences of anagenetic speciation in populations of insular species. To infer the origin and evolutionary process of A. takesimense, population genetics and phylogenetic analyses were conducted based on a broad sampling of 152 accessions (A. serratum: 88 accessions in 11 populations, A. takesimense: 64 accessions in eight populations) using six noncoding cpDNA regions (trnV-ndhC, rpL14-rpL36, psbM-trnD, psbB-psbH, petA-psbJ, and ndhA intron). A. takesimense was determined to be monophyletic and deeply embedded within A. serratum, suggesting a derivative–progenitor relationship in anagenetic speciation between them. The monophyletic clade of A. takesimense indicates a sister relationship to the southern populations of A. serratum, which are often assumed to be the geographic source of A. takesimense. The southern populations of A. serratum and A. takesimense were estimated to have diverged 1.9 myr ago, which approximately corresponds to the formation of Ulleung Island. Of the 21 haplotypes found in both species, 13 were found exclusively in A. serratum, and eight were exclusive to A. takesimense. A. serratum had two major haplotypes, with the common haplotypes A and J found in its central and southern populations, respectively. All the of A. takesimense haplotypes were connected to one missing haplotype next to A. serratum’s southern haplotype J. Analysis of molecular variance revealed distnct interspecific differentiation with 57.7% of genetic variations present between both species. Populations of A. takesimense on Ulleung Island also showed the expected genetic pattern of an anagenetically derived endemic species: i.e., absence of geographical structure showing that the majority of genetic variations (94.08%) existed within populations across the Island whereas extremely low genetic variations existed among populations (5.97%). This study confirms that A. takesimense is an anagenetically derived insular endemic species on Ulleung Island based on its phylogenetic monophyly and genetic distinctiveness from the continental progenitor, A. serratum. Based on a cpDNA dataset, this study provides convincing molecular evidence of the geographical origin of A. takesimense as well as the genetic consequences of anagenesis found in A. takesimense populations. 천남성과(Araceae)에 속하는 섬남성(Arisaema takesimense)은 울릉도에만 분포하는 초본의 특산식물로, 습기가 많고 그늘진 산지에 자생한다. 1929년 이른 개화시기와 잎 패턴 등의 차이에 기초하여 새로운 종으로 기술되었으나, 섬남성과 대륙종인 점박이천남성(Arisaema serratum) 사이의 형태적 연속성으로 인해 지속적으로 분류학적 논란이 제시되었으며, 또한 섬남성의 종 분화, 개체군 구조, 유전적 다양성, 지리적 기원에 대해서도 알려진 바가 거의 없다. 이 연구는 이전 두 종이 하나의 단계통을 이루었다고 보고한 DNA 바코딩 연구결과를 바탕으로 섬남성이 한반도의 점박이천남성으로부터 기원되어 파생되었을 것이라고 가정하였으며, 섬남성 집단에서 향상진화(anagenetic speciation)의 유전적 패턴을 관찰할 수 있을 것이라 기대했다. 이 연구는 대륙종인 점박이천남성과 파생된 섬남성의 진화 과정과 기원, 계통학적 관계, 섬남성의 유전적 특성을 추론하기 위해 광범위하게 채집된 표본(A. serratum: 88 accessions in 11 populations, A. takesimense: 64 accessions in 8 populations)과 6개의 비암호화 엽록체 DNA 구간(trnV-ndhC, rpL14-rpL36, psbM-trnD, psbB-psbH, petA-psbJ, and ndhA intron)을 기반으로 수행되었다. 단계통(monophyly)을 가지는 섬남성은 대륙종인 점박이천남성에 깊숙이 내재되어, 두 종 사이의 조상-후손 관계를 암시하였다. 섬남성의 단계통 분기군은 한반도 남부지방에 위치한 점박이천남성 개체들(함양, 광주, 거제)과 자매 관계를 나타냈으며, 남부 개체군이 섬남성의 지리적 기원이 되었을 가능성을 제시했다. 더불어 점박이천남성의 남부 개체군과 섬남성의 분기 시점은 190만 년 전으로 추정되었으며, 이는 보고된 울릉도의 형성 시기와 어느 정도 일치하여 섬남성이 형성 초기의 울릉도에 유입되어 한반도로부터 분할되었을 가능성을 제시한다. 종간에 공유되는 일배체형(haplotype)은 발견되지 않았으며, 점박이천남성에서 13개, 섬남성에서 8개의 일배체형이 관찰되었다. 점박이천남성은 두 가지 주된 일배체형을 가졌으며, 중부지방의 개체군에서 주로 발견되는 일배체형 A와 남부지방에서 발견되는 일배체형 J가 이를 구성한다. 섬남성은 일배체형 Q를 가지며, 점박이천남성의 일배체형 J로부터 누락된 하나의 변이적 단계(mutational step)로 인해 두 종의 일배체형이 분리된다. 또한 AMOVA 분석에서 관찰된 57.7%의 종간 유전적 변이는 두 종의 분화를 더욱 뒷받침하였다. 섬남성에서 관찰된 대부분의 유전적 변이는 집단 내(94.08%)에 위치하였으며, 극히 낮은 변이만이 집단 간(5.97%)에 존재하였다. 이는 섬남성이 울릉도 내에서 유전적으로 분할되지 않았음을 보여주며 예상된 향상 진화의 유전적 양상과 일치한다. 더불어 울릉도 집단은 대륙종에 비하여 감소된 유전적 다양성을 보여주었으며, 이는 섬남성의 창시자 효과(founder effect)에서 비롯한 병목현상(bottleneck)의 여파일 가능성이 있다. 본 연구는 섬남성의 단계통군과 유전적 특이성을 근거로 하여 섬남성이 대륙종인 점박이천남성으로부터 향상 진화를 통해 울릉도의 특산종으로 분리되었음을 증명하였다. 엽록체 유전정보를 기반으로 수행된 이 연구의 결과는 섬남성의 지리적 기원과 섬남성에서 관찰되는 향상 진화를 통한 유전적 결과에 대한 설득력 있는 분자적 증거를 제시하였다.

Origin and evoultion of Adenophora erecta (Campanulaceae) on Ulleung Island, Korea

Kim, Hyeonsoo Sungkyunkwan University 2022 국내석사

Anagenesis has been recently emphasized as an effective mechanism for increasing plant diversity and speciation on isolated, mild climate oceanic islands. As the only one Adenophora species occurring on Ulleung Island in the East Sea (Sea of Japan), Adenophora erecta S.T. Lee, J.K. Lee & S.T. Kim has been presumed to be derived through anagenetic speciation on oceanic island. A phylogenetic analysis based on the sequences of four noncoding regions (rps16-trnK, trnQ-rps16, psbD-trnT and trnG-trnS) and MIG-seq data demonstrates, (1) A. erecta is a monophyletic lineage and there is clear differentiation between continental species in morphological and molecular aspects, (2) the geographic origin of A. erecta is unclear, and (3) there is evidence that insular species identified by genetic diversity from its continental groups are the product of anagenetic speciation. Additionally, it clarifies the (4) unclear relationship of the species boundary on the continent, and as a result demonstrated A. remotiflora and A. grandiflora did not form a species-specific independent lineage. However, this study was only conducted within the Korean Peninsula. The lack of additional regional populations (North Korea, Japan, China, and Russia) of continental progenitor species and A. erecta have hindered the determination of their phylogenetic relationships as well as the establishment of concrete continental progenitors and insular derivative relationships. 향상진화는 대양섬에서 식물의 종 분화 및 종 다양성을 증가시키는 주요한 메커니즘이다. 울릉도는 약 2백만년전 화산활동에 의해 생성된 섬으로 다른 대양섬과 달리 대부분의 고유종이 향상진화에 의해 종 분화가 일어났다는 특징이 있다. 선모시대(Adenophora erecta S.T. Lee, J.K. Lee & S.T. Kim)는 울릉도에서 서식하는 유일한 잔대屬(Genus Adenophora) 식물로 이상태 교수가 1994년 울릉도에서 채집 후 모종인 모시대(A. remotiflora)와 잎과 꽃의 형태의 차이에 기인해서 1997년 신종으로 발표한 특산 식물이다. 외부 형태적으로 울릉도의 선모시대는 한반도 전역의 산지에 서식하는 모시대에서 분지된 식물이라 보았지만 한반도 전역의 근연종과 변종들이 포함되어 조사된 바는 없다. 이 연구에서는 또다른 sect. Remotiflorea의 다른 조상종인 도라지모시대(A. grandiflora)를 포함하였으며, 두가지 변종인 흰모시대(A. remotiflora for. Leucantha) 와 그늘모시대(A. remotiflora var. hirticalyx)를 포함시켰다. 채집지는 울릉도를 포함하여 백두대간 주능선과 부속산맥을 포함하여 총 11개소에서 채취되었다. 채집된 식물의 잎은 실리카겔에 넣어 건조시켰고 GeneAll DNA Extract kit을 사용하여 프로토콜에 맞게 추출하였다. 추출된 DNA를 바탕으로 염기서열상 변이를 확인할 수 있는 4개의 비코딩 부위(rps16-trnK, trnQ-rps16, psbD-trnT, trnG-trnS)과 Inter Simple Sequence Repeat(ISSR) 마커를 사용하는 MIG-Seq 데이터를 기반으로 하여 계통분석과 일배체형 네트워크(Haplogroup network) 분석, 종 간, 집단 간 유전적 다양성 조사와 유전적 구조를 시각화 하였다. 본 연구의 결과로는 (1) 선모시대(A. erecta)는 단일계통이며, 형태학적, 분자학적 측면에서 대륙조상종인 모시대(A. remotiflora), 도라지모시대(A. grandiflora)와 분명하게 구분되는 분류군임을 보여주었고, (2) 선모시대의 지리적인 기원은 알 수 없었으며, (3) 유전적다양성에 기반한 대륙조상종 집단과의 비교는 본 종이 향상진화의 산물이란 것을 알 수 있었다. 또한, 기존의 모호한 종 경계를 가지던 대륙의 두 종에 대해서는 (4) 종 특이적인 계통을 형성하지 않는 불분명한 관계를 가지는 것이 확인되었다. 그러나 본 연구에서는 한반도내의 집단들을 대상으로 실시되었으며, 북한, 일본열도, 만주, 연해주 등 해외 집단 및 다른 대륙조상종인 산잔대(A. trachelioides) 대륙종의 부재는 해양종의 관계의 확립과 두 분류군의 계통간 관계에 대해서 명확하게 해석하는데 부족한 부분으로 남았다.

Isolation and Characterization of Chlorellaceae Microalgae from Ulleung-island : 울릉도유래 Chlorellaceae 미세조류의 분리, 동정 및 특성 규명

윤현식 경북대학교 일반대학원 2019 국내석사

산업화가 진행되어 감에 따라 과도한 화석연료 소모로 인해 발생한 지구온난화와 에너지자원의 고갈 등의 문제가 관심 받고 있다. 산업화로부터 발생한 문제들을 해결하기 위해 대체가능한 재생에너지원의 연구 및 개발이 이루어 졌으며, 그 중 바이오 연료가 각광받았다. 과거 바이오 연료는 곡물 혹은 농업부산물 등을 원료로 하여 바이오 에탄올과 디젤을 생산하였으나, 식량문제 및 추출 가공 과정의 비효율성으로 인해 한계에 맞닥뜨리게 되었다. 이에 본 연구에서 바이오 연료 생산에 적합한 균주 자원의 발굴을 위해 울릉도 유래의 Chlorella vulgaris KNUA104, Chlorella sorokiniana KNUA114 그리고 Chlorella sorokiniana KNUA122를 분리 및 동정하였다. 분리, 동정된 3가지 균주들은 Chlorella속의 생리적 특징인 빠른 생장률을 보여주었으며, 바이오 매스 생산에 유용한 균주로서의 가능성을 보여주었다. 보다 효율적인 배양방법을 통한 대량배양 및 산업화에 적용의 가능성을 확인하기 위해 유기 탄소원을 에너지원으로 공급하는 타가영양(heterotrophic) 및 혼합영양(mixotrophic) 배양법을 적용시켜 보았다. 그 결과 생장률이 향상되고 바이오매스 생산량 및 지질함량이 증가하였다. GC/MS 분석을 기반으로 하여 지질함량과 성분분석을 하였고 포화지방산과 불포화지방산이 풍부하게 함유하고 있음을 확인하였다. 화석연료를 대체할 수 있는 산업적으로 유용한 포화지방산의 함량을 높이기 위한 방법으로 온도 별 지질변화 실험을 실시하였고, 배양온도가 상승할수록 포화지방산의 함량이 증가함을 알 수 있었다. 특히, 비교적 높은 온도에서 더 잘 자라는 Chlorella sorokiniana KNUA114는 포화지방산 함량이 가장 높다는 것을 확인하였다. 결론적으로, Chlorella속 균주들의 특징이자 장점인 빠른 생장률을 이용하기 위해 유기 탄소원을 제공하는 배양방법은 바이오 매스 생산량과 지질함량의 증가시킨다는 사실을 확인할 수 있었다. 그리고 배양온도를 높여주면 산업적으로 유용한 포화지방산을 보다 효율적으로 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 이 연구 결과들을 토대로, 유용한 균주 발굴과 배양방법 및 배양조건 개발이 앞으로 바이오 연료 산업화 적용을 앞당기기 위한 또 하나의 연구방향중 하나일 것이라고 생각된다.

Molecular Biological Analysis of Ichthyoplankton Collected from Ulleung and Dokdo Islands

Jennifer Gatcheco VIRON 부경대학교 2018 국내석사

The ichthyoplankton survey was conducted in the waters around Ulleung and Dokdo Islands in the months of March, May, August and November, 2016. Eleven stations were established along the area and samples were collected using a bongo net with 550µm mesh size that was double obliquely towed from surface to 100m. Fish larvae and eggs samples were sorted and counted using stereomicroscope and molecular approach was used for identification. Species name was assigned in samples with sequence identity of more than 98%. A total of 14 species were identified for fish eggs and among them, Cololabis saira (Pacific saury) and Seriola quinqueradiata (yellow tail) were commercially important species in Korea. Deep sea egg species including Coelorinchus sp. (grenadiers or rattails) and Trachipterus trachypterus (ribbonfish) were identified for the first time in this study and further studies are needed to verify their existence in the survey area. For fish larvae results, a total of 28 species were identified and Scomber japonicus (chub mackerel), Scomber australasicus (spotted mackerel), Cololabis saira (Pacific saury) and Auxis rochei (bullet tuna) were commercially important species. The occurrence of ichthyoplankton species during different months of survey suggests spawning period. However, further studies are still needed to verify and confirm this result.

울릉도 토양 방선균으로부터 신규 생리활성 이차대사산물의 발굴 : Discovery of Novel Bioactive Secondary Metabolites Produced by Terrestrial Actinomycetes from Ulleung Island

손상근 과학기술연합대학원대학교 2017 국내박사

미생물 유래 이차대사산물은 다양한 화학구조와 특이적 생리활성을 기반으로 매우 중요한 선도물질 및 약학 조성물로서 이용되어 왔다. 미생물 유래 이차대사산물의 지속적인 활용을 위해서는 기존에 발굴되지 않은 신규 화합물을 효과적으로 탐색하고 동정하는 것이 매우 중요하다. 본 논문은 신규 이차대사산물을 발굴하는 노력의 일환으로 수행된 실험들, 즉 동해의 화산섬인 울릉도의 토양에서 분리한 방선균으로부터 새로운 이차대사산물의 탐색과 발굴된 신규 화합물들의 구조 및 생리활성적 특성에 대해 논한다. 미생물로부터 신규 이차대사산물을 발굴할 가능성이 높은 육지에서 멀리 떨어진 환경의 섬인 울릉도의 토양으로부터 220여종의 방선균을 분리하였으며, 분리한 균주를 다양한 배양조건을 검토하여 순수배양하였다. 액체크로마토그래피 질량분석법(LC-MS) 및 활성검정법을 동반한 화학적 및 생리활성적 검색을 이용해 대사산물의 특성을 일차적으로 조사하여 3가지의 균주를 선정하였다. 추후 대량배양과 크로마토그래피 기법을 통한 물질 분리 및 분광학 기법을 기반으로 한 화학구조 분석을 수행한 결과, 다양한 계열의 신규 화합물을 도출할 수 있었다. 분리된 신규 화합물은 각각 cyclic depsipeptide 계열의 ulleungamides A–B, glycoside 계열의 ulleungoside, 2-methylaminobenzoyl 6-deoxy-α-L-talopyranoside, naphthomycinoside, macrolide 계열의 catenulisporolides A–D, cyclic peptide 계열의 ulleungmycins A–B로 명명하였다. 분리된 화합물은 각각의 구조적 특징에 따라 항균, 항말라리아, 세포독성 등을 포함한 다양한 생리활성을 나타냈다. 본 논문은 방선균이 생산하는 신규 이차대사산물의 화학구조와 생리활성을 밝힘으로써 자연계에서 유래하는 저분자 화합물의 화학적 다양성을 확장시키는 의의를 지닌다. 특히 기존에 알려진 이차대사산물과 구조적으로 상이한 물질의 경우, 이차대사산물의 새로운 생합성 경로를 밝히는 것을 목적으로 하는 후속 연구에 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 논문에서 신규 이차대사산물을 발굴하는 방법으로서 새로운 자연환경의 탐색, 희소 방선균의 분리배양, 유전체 분석 등을 효과적으로 활용함으로써 해당 접근법들의 폭넓은 적용 가능성을 제시할 수 있었다. Microbial secondary metabolites, which possess diverse chemical structures and intriguing biological activities, have been considered as an important resource for therapeutic agents and drug leads. The discovery of compounds with new chemical structures is of significance for successful and continuous utilization of microbial metabolites. This thesis discusses the results of research aimed at discovering previously unknown secondary metabolites produced by the actinomycetes from Ulleung Island in Korea by applying a variety of strategies and their chemical structures as well as bioactivities. To increase the possibility of discovering new microbial secondary metabolites, ~220 actinomycetes were isolated from a biodiversity hot spot, Ulleung island which is located far from the continent, and cultured pure strains under various culture conditions. Secondary metabolic profiles were then investigated by chemical and biological screenings using a combination of LC-MS and bioassay systems. Further scale-up culture of the strains with promising potential to produce unknown metabolites and subsequent chromatographic purification led to pure compounds. Their chemical structures were assigned to be new compounds belonging to multiple structural classes by combined spectroscopic and chemical analyses. The isolated new compounds were designated as follows: cyclic depsipeptides, ulleungamides A–B; 6-deoxy-α-L-talopyranosides, ulleungoside, 2-methylaminobenzoyl 6-deoxy-α-L-talopyranoside, naphthomycinoside; glycosylated macrolides, catenulisporolides A–D; chlorinated cyclic peptides, ulleungmycins A–B. These compounds were found to exhibit various biological activities including antibacterial, antimalarial, and cytotoxic activities. The results reported in this thesis contribute to extending the chemical diversity of the small molecules derived from natural sources. Especially, the compounds with an unprecedented moiety may provide early steps towards elucidating new biosynthetic pathways, which would allow generation of new compounds with interesting bioactivity through a combinatorial biosynthesis. This thesis also suggests various strategies (i.e., exploration of uninvestigated sites, utilization of rare actinomycetes, and genome mining) and supports the possibility of their broad application for discovering novel secondary metabolites.

Compositional variations in biotite for tracking magma dynamics : a case study from syenite fragments within Ulleung volcano : 흑운모의 조성변화를 통한 마그마 역학 추론 : 울릉도 화산층서 내부에서 발견되는 섬장암 암편으로부터

박종규 경북대학교 대학원 2019 국내석사

해수면 위로 드러난 울릉도의 화산층서는 플라이스토세 현무암질(Stage Ⅰ) 및 분출성 조면암질(Stage Ⅱ-Ⅲ), 그리고 홀로세 폭발성 포놀리틱 분출암(Stage Ⅳ)로 구성된다. 울릉도를 구성하는 각 화산단위의 마그마 챔버 연결가능성은 여전히 의문으로 남아있으며, 이는 울릉도 화산암체의 분출기간동안 일어난 마그나 혼합에 대한 증거가 보고된바 없기 때문이다. 따라서, 이번 연구는 Stage Ⅲ 및 Ⅳ에서 관찰되는 섬장암 암편으로부터 울릉도 지하에서 일어난 마그마 챔버의 연결에 대해 논의하고 그곳의 마그마 역학을 추론하였다. 섬장암 암편으로부터 마그마 혼합과 관련된 다양한 조직적 특징들이 관찰되었다. 흑운모-지질온도압력계를 적용하여, 후기 마그마상태에 대한 온도-압력 조건이 다음과 같이 추정되었다: ~77–180 MPa의 압력범위 내에 690–740℃의 온도범위. 흑운모의 결정 내부 및 결정 간 조성변화양상에 기초해 보았을 때, 흑운모 결정 내부에서 나타나는 Ti 함량의 증가는 고철질 마그마가 섬장암질 마그마 챔버로 주입되었다는 점을 시사한다. 한편, 결정 내부에서 나타나는 Ti 함량의 감소는 두 종류의 마그마 진화양상을 지시하며, 이들은 각각 마그마 혼합 이전 및 이후에 일어난 마그마 진화를 나타낸다. 게다가, Zr/Ce에 대한 Zr/Y 전암화학분석치 변화도표는 섬장암질 암편들이 그룹 Ⅰ과 그룹 Ⅱ로 세분될 수 있다는 점을 시사하며, 이 그룹들은 각각 마그마 혼합 이전에 일어난 마그마 진화 그리고 마그마 혼합 그 당시의 과정을 지시한다. 이번 연구에서 제안된 울릉도 화산진화에 대한 새로운 모델은 섬장암질 마그마(Stage Ⅳ)의 최후 천부정치 과정동안, 이들이 Stage Ⅱ에서 비롯한 마그마와 혼합되어 Stage Ⅲ 마그마를 만들었다는 것이다.

Discovery of novel bioactive secondary metabolites produced by terrestrial actinomycetes from Ulleung Island

손상근 University of Science and Technology 2017 국내박사