Phylogeny of the Family Ophioglossaceae with Special Emphasis on Genus Mankyua
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Korean J. Pl. Taxon. (2009) Vol. 39 No. 3, pp. 135-142 제주고사리삼을 중심으로한 고사리삼과 식물의 계통 선병윤*·백태규·김영동1·김찬수2 전북대학교 생물과학부, 1한림대학교 생명과학과, 2국립산림과학원 난대산림연구소 Phylogeny of the family Ophioglossaceae with special emphasis on genus Mankyua Byung-Yun Sun*, Tae Gyu Baek, Young-Dong Kim1 and Chan Soo Kim2 Division of Biological Sciences, Chonbuk National University, Jeonju 561-756, Korea 1Division of Biological Sciences, Hallym University, 39 Hallymdaehak-gil, Chuncheon 200-702, Korea 2Warm-temperate Forest Research Center, Korea Forest Research Institute, Sanghyo-Dong, Seogwipo 697-050, Korea 적요: 엽록체 rbcL gene의 염기서열과 포자의 형태를 바탕으로 고사리삼과 식물의 계통과 제주고사리삼속 의 계통학적 위치를 추정하였다. 엽록체 DNA rbcL 염기서열의 분석 결과 고사리삼과는 뚜렷하게 고사리삼계 보 (Botrychioid lineage)와 나도고사리삼계보 (Ophioglossoid lineage)의 두 군으로 구분되었다. 고사리삼계보에 있어 제주고사리삼속(Mankyua)은 Helmintostachys속과 함께 분계의 기저에서 고사리삼속(Botrychium)의 자매분 류군으로 분지하였으나, 이들 고사리삼속(Botrychium), 제주고사리삼속(Mankyua), 및 Helmintostachys속 사이의 계통적 유연관계는 결정되지 못했다. 고사리삼속의 경우 Sceptridium아속과 Botrychium아속이 뚜렷한 단계통을 형성하였으나, Botrypus아속에 속한 분류군들은 고사리삼속의 기저에서 다른 고사리삼속 분류군의 자매분류군 으로 분지하면서 단계통이 아닌 것으로 밝혀졌다. 나도고사리삼계보를 형성하는 나도고사리삼속(Ophioglossum) 의 경우, Ophioglossum아속은 단계통을 형성하였으며, Ophioglossum아속에 대해 Cheiroglossa아속 및 Ophioderma 아속이 차례로 자매분류군으로 분지하였다. 염기서열 계통수, 포자의 형태 및 외부형태의 고찰에 있어 제주고 사리삼속은 Helminthostachys와 유사하지만, 계통수에서 patristic distance 뿐 아니라 포자소엽의 형태가 뚜렷이 구분되어 이들 2속은 독립된 속으로 판단된다. 주요어: 고사리삼과, 제주고사리삼속, 고사리삼속, 나도고사리삼속, Helminthostachys속, 분자계통, 포자 형태 ABSTRACT: Phylogeny of the family Ophioglossaceae and a phylogenetic position of Mankyua were estimated through analyses of chloroplast rbcL gene sequences and spore morphology. Sequence analysis of the rbcL gene clearly indicated that there are two major lineages in the family Ophioglossaceae: Botrychioid lineage and Ophioglossoid lineage. The Botrichioid lineage is composed of three distinct clades: Botrychium, Helminthostachys and Mankyua, where Helminthostachys and Mankyua were placed as sister groups to the Botrychium. Within the genus Botrychium, subgenera Septridium and Botrychium were monophyletic, while taxa of subgen. Botrypus branched as sister of the two, successively, thus making a non-monophyletic group. Ophioglossum formed the Ophioglossoied lineage, where the subgen. Ophioglossum is monophyletic, while subgen. Cheiroglossa and Ophoderma formed a sister relationship with subgen. Ophioglossum. In terms of external morphology and spores, Mankyua is most similar to Helminthostachys, however, patristic distance in the cladogram and trophophore characteristics of the two genera are distinct. Therefore, Mankyua is a well defined genus within the family in terms of morphology as well as molecular phylogeny which places it in basal position of the Botrychioid lineage on the gene tree. Keywords: Ophioglossaceae, Mankyua, Botrychium, Ophioglossum, Helminthostachys, molecular phylog- eny, spore morphology *Author for correspondence: [email protected] 135 136 선병윤·백태규·김영동·김찬수 비종자관속식물 (seedless vascular plant) 또는 관속포자 특징을 지닌다. 나도고사리삼속은 영양엽편이 단엽으로 식물 (spore bearing vascular plants)은 최근까지 솔잎난식물 전연이며 망상맥을 가지는 특징을 지닌다. 또한 포자낭수 문 (Psilophyta), 석송식물문 (Lycophyta), 속새식물문(Equi- 는 다육질로서 포자낭이 두 줄로 포자낭수 주변부에 매몰 setophyta) 및 양치식물문 (Filicophyta)의 4개의 문으로 인 되어 있고 지하경은 직립하며, 뿌리 끝에 흔히 주아가 달 식되어 왔다 (Gilford and Foster, 1989). 한편, 분자계통학적 려 영양번식을 한다. 제주고사리삼속의 경우, 영양엽편은 연구에서는 관속식물을 석송식물군 (또는 소엽식물군: Helminthostachys와 유사한 3출 복엽이지만, 포자엽편은 Lycophyte)과 진정엽식물군 (또는 대엽식물군: Euphyllophyte) 나도고사리삼속과 같이 다육질의 포자낭수에 포자낭이 으로 구분하고, 후자에 종자식물군(Spermatophyte)과 양치 두 줄로 포자낭수 주변부에 매몰되어 있으며, 지하경은 식물군 (Monilophyte)을 두어, 비종자관속식물을 단계통 직립하고 뿌리 끝에 흔히 주아가 달려 영양번식을 한다. 군으로 구분한 이전과 다른 견해를 제시하고 있다 본 과의 분류 및 계통학적 연구에서, Clausen (1938)은 3개 (Hasebe et al., 1995; Pryer et al., 2001; Smith et al., 2006; 의 속 Botrychium (s.l.), Helminthostachys, Ophioglossum (s.l.) Schuettpelz and Pryer, 2008). 그리고 양치식물군에는 솔잎 을 설정하고 Botrychium속에 subgenus Osmundopteris (Milde) 난강 (Psilotopsida), 속새강 (Equisetopsida), 마라티아강 R.T. Clausen, subgenus Sceptridium (Lyon) R.T. Clausen, (Marattiopsida) 및 고란초강(Polypodiopsida)의 4 강(class)을 subgenus Eubotrychium (Milde) R.T. Clausen등 3개의 아속 두면서, 솔잎난강에 고사리삼과 (Ophioglossaceae)와 솔잎 을 규정한 바 있다(Table 1). 그리고 Ophioglossum속에는 난과 (Psilotaceae)를 두어, 두 과가 계통적으로 가장 가까 subgenus Euophioglossum (Prantl) R.T. Clausen, subgenus 운 것으로 판단한 바 있다. Rhizoglossum (C. Presl) R.T. Clausen, subgenus Cheiroglossa 고사리삼과 식물은 특이한 영양엽편과 포자엽편의 형 (C. Presl) R.T. Clausen, subgenus Ophioderma (Blume) R.T. 태와 위치, 환대가 없는 포자낭 및 권상개엽을 하지 않는 점 Clausen의 4개의 아속 등 전체적으로 1과 3속 7아속을 설 등으로 다른 양치류와 구분되어 뚜렷한 단계통군으로 인식 정하였다(Table 1). 한편 Nishida(1952)는 Clausen의 Ophio- 되고 있으며 (Wagner, 1990; Sun et al., 2001), 한반도의 12 glossaceae (s.l.)를 Ophioglossaceae, Helminthostachyaceae 및 종을 포함하여 전세계적으로 약 80여종이 분포하고 있다 Botrychiaceae로세분하고, Ophiglossaceae (s.s.) 아래에 Ophio- (Mabberley, 1990; Lee, 1996). 과내 속은 전통적으로 고사리 glossum (s.s.), Ophioderma (Blume) Endl., Cheiroglossa C. 삼속 (Botrychium Sw.), 나도고사리삼속 (Ophioglossum L.), Presl, Rhizoglossum C. Presl의 4속을, Helminthostachyaceae Helminthostachys Kaulf. 그리고 제주도에서 기재된 제주고 에 Helminthostachys를, Botrychiaceae에 Botrychium (s.s.), 사리삼속 (Mankyua Sun et al.)의 4개로 구분되며 (Sun et al., 2001), Sceptridium Lyon, Osmundopteris (Milde) Small의 3 속 등 전 이들의 형태적 특징은 다음과 같다 (Clausen, 1938; Eames, 체적으로 3과 8속으로 구분하였다(Table 1). 이어서 Kato 1976; Gilford and Foster, 1989; Kato, 1995; Sun et al., 2001). (1987)는 형태 및 해부학적 특성을 바탕으로 Clausen의 고사리삼속은 영양엽편과 포자엽편이 우상으로 분지 Botrychium (s.l.)을 Botrychium (s.s.), Botrypus Michx, Sceptri- 하고 엽맥은 유리맥이며 지하경은 직립하는 특징을 지닌 dium Lyon 및 Japanobotrychium Masam.의 4개의 속으로 세 다. 반면에 Helminthostachys는 영양엽편이 세 부분으로 나 분하여 본 과를 Ophioglossum (s.l.)과 Helminthostachys를 포 누어지며 각 부분은 다시 우상으로 갈라지고 엽맥은 고사 함하여 6속으로 구분하였다(Table 1). 반면 Wagner (1990) 리삼속과 마찬가지로 유리맥을 이룬다. 그러나 고사리삼 는 Ophioglossaceae (s.l.)를 Botrychiaceae와 Ophioglossaceae 속과는 달리 짧은 자루에 수 개의 포자낭이 달려 전체적 의 두 과로 구분하면서, Botrychiaceae내에 subfamily Botry- 으로 원통 모양의 포자낭수가 생기며 지하경은 횡주하는 chioideae C. Presl과 subfamily Helminthostachyoideae C. Table 1. Comparison of infrafamilial classification system of Ophioglossaceae (s.l.). Clausen (1938) Nishida (1952) Kato (1987) Wagner (1990) Botrychiaceae Botrychiaceae Botrychium (s. l.) Botrychioideae C. Presl Botrychium (s. s.) subg. Eubotrychium (Milde) R.T. Clausen Botrychium (s. s.) Sceptridium Lyon subg. Sceptridium (Milde) R.T. Clausen Botrychium (s. s.) Sceptridium Lyon Osmundopteris (Milde) Small subg. Osmundopteris (Milde) R.T. Clausen Sceptridium Lyon Japanobotrychium Masam. Helminthostachyaceae Helminthostachys Japanobotrychium Masam. Botrypus Michx Helminthostachys Ophioglossum (s. l.) Botrypus Michx Helminthostachyoideae C. Presl Ophioglossaceae (s. s.) subg. Euophioglossum (Prantl) R.T. Clausen Helminthostachys Helminthostachys Ophioglossum (s. s.) subg. Rhizoglossum (C.Presl) R.T. Clausen Ophioglossum (s. l.) Ophioglossaceae Rhizoglossum C. Presl subg. Cheiroglossa (C.Presl) R.T. Clausen Ophioglossum (s. s.) Cheiroglossa C. Presl subg. Ophioderma (Blume) R.T. Clausen Cheiroglossa Ophioderma (Blume) Endl. Ophioderma 한국식물분류학회지 제39권 3호 제주고사리삼을 중심으로한 고사리삼과 식물의 계통 137 Presl의 두 아과를 설정하고, subfamily Botrychioideae에 렬한 후 최종적으로 MacClade 프로그램으로 직접 확인하 Botrychium (s.s.), Scepridium, Botrypus, Japanobotrychium 등 였다. 군외군은 고사리삼과와 유연관계가 깊다고 알려진 4개의 속을, subfamily Helminthostachyoideae에 Helmin- 마라티아과 (Marratiaceae)의 2종 (Angiopteris evecta (G. thostachys속을, 그리고 Ophioglossaceae에 Ophioglossum Forst.) Hottm., Angiopteris parvifolia Ching & Fu)과 Pryer et (s.s.), Ophioderma, Cheiroglossa 등의 3개 속 등 전체적으로 al. (2001)이 고사리삼과와 계통적 유연관계가 밀접한 것 2과 8속을 설정한 바 있다(Table 1). 아울러 Sun et al. (2001)은 으로 판단한 솔잎난과 (Psilotaceae)의 솔잎난 (Psilotum 제주도에서 제주고사리삼속 (Mankyua Sun et al.)을 새롭게 nudum (L.) Griseb.)을 선정하였다. 기재한 바 있다. 최근의 분자계통학적 연구에 있어서 Hasebe PAUP program (Swofford, 2002)의 parsimony analysis를 이 et al.(1993, 1995)은 엽록체 rbcL 유전자 염기서열분석 결 용하여 분지 분석을 수행하였으며, 분석 방법은 Branch- 과를 바탕으로 본 과의 일부 속에 관한 계통을 언급한 바가 and-bound search를 이용하고, 그에 따른 option으로 있었으나 취급한 종 수가 제한적이어서 과 전체의 계통은 ACCTRAN, MULPARS, furthest를 이용하였다. 또한 각 분 논의되지 못하였다. 반면 Hauk et al. (2003)은 Mankyua를 제외 계의 지지 정도를 알아보기 위하여 bootstrap분석 (Felsenstein, 한 Botrychium (s.l.), Ophioglossum (s.l.) 및 Helminthostachys를 포 1985)을 수행하였다. Bootstrap 분석 방법은 1000회를 반복 함하는 과내 36종에 대한 분자계통 및 형태 분석을 바탕 하였으며 이를 통해 각 분계의 통계적 지지도를 추정하였 으로 과내 계통과 기존의 체계에 대하여 논의한 바 있다. 다. 또한 two-parameter method (Kimura, 1980)로 계산된 염 본 연구에서는 현재까지 최근 새롭게 기재된 제주고사 기변이 값을 기초로 한 neighbor-joining tree (NJ)를 산출하 리삼속을 포함한 계통학적 연구가 이루어진 바가 없는 점 였다 (Saitou and Nei, 1987; Farris et al., 1996). 을 고려하여, 제주고사리삼속의 과내에서의 계통학적인 포자의 관찰은 초산분해과정 (Erdtman, 1954, 1966)을 이 위치를 파악하고 나아가 제주고사리삼속을 포함하는 과 용하여 분류군별로 최소 30개의 정상적인 포자를 선택한 전체의 계통을 논의하고자 하였다. 후 극축면의 직경, 적도면의 길이 및 발아구 (laesura)의 길 이 등의 정량적인 형질을 측정하여 각 형질의 최소값, 최 재료 및 방법 대값, 평균 및 표준편차를 구하였다. 재료는 2000년 3월부터 2002년 12월에 걸쳐 국내 및 러 결 과 시아, 일본, 중국 등지에서 채집되었으며, 전북대학교 석 엽표본관 (JNU), 서울대학교 석엽표본관 (SNU), 영남대학 엽록체 rbcL 염기서열의 분석: Botrychium 14종과 Ophio- 교 표본관 (YNUH), 제주도 난대산림연구소 및 중국과학 glossum 12종, Helminthostachys속 1종과 Mankyua속 1종 그 원 북경식물표본관 (PE)에 소장된 표본도 이용하였다. 채 리고 군외군으로 Angiopteris 2종과 솔잎난 (Psilotum 집된 개체는 석엽표본으로 제작하여 전북대학교 생물과 nudum) 1종 등 총 31종에 대한 엽록체 DNA의 rbcL 부위의 학부 석엽표본관 (JNU)에 보관하였으며 일부는 생육하는 염기서열을 결정하였다. 과정을 관찰하기 위해 온실에 이식 재배하였다. 엽록체 전체 rbcL의 길이는 1,314 bp로 이 중 314개가 계통학적 rbcL 유전자 염기서열 분석과 포자 관찰에 사용된 재료의 으로 해상도를 가자는 것으로 나타났다. 또한 Kimura's 확증표본 목록과 아울러 gene bank에서 염기서열이 입수 two parameter model로 계산한 염기 서열의 거리는 0에서 된 종류는 Table 2에 나타난 바와 같다. 0.183으로 나타났으며, 군내군에서는 B. boreale와 O. DNA의 추출은 DNeasy Plant Mini Kit (QIAGEN, pendulum과의 거리가 0.149로 가장 큰 것으로 나타났다. Germany)를 이용하였다. 석엽표본의 잎을 대상으로 한 일 계통수의 길이는 811 단계로, 단독파생형질을 제외한 부 분류군은 Doyle and Doyle (1987)의 CTAB 방법을 이용 Consistency index (CI)가 0.5338이고 Retention index(RI)가 하였고 추출된 DNA는 Ethanol 침전법으로 정제하였다.