Phylogeny and integrative taxonomy of selected cytheroid ostracods (Crustacea) with focus on South Korea and Kuril-Kamchatka

Abstract

패충류의 분류학 및 다양성 연구를 진행 할 때 형태학적 자료와 더불어 유전학적 자료, 기하학적 증거를 함께 사용하는 것은 매우 유용한 접근 방법이라고 할 수 있다. 따라서 본 학위논문에서는 국내와 쿠릴캄챠카 지역에 서식하는 키데로이드 상과의 다양성 연구를 위해서 위의 종합적인 연구 방법으로 접근을 하였다. 본 학위논문은 세 개의 챕터와 패충류의 일반적 특징 및 필수적인 정보를 제공하고 설명하는 부분으로 나누어져 있다 (패충류의 역사, 다양성, 생활사, 계통발생론 및 키데로이데아 상과의 분류학적 위치 등). 첫 번째 장에서는 국내 키데로이드 패충류 3 종의 (Xestoleberis hujeongensis Yoo, Tanaka, Tsukagoshi, Lee and Karanovic, 2019; X. sagamiensis Kajiyama, 1913; X. setouchiensis Okubo, 1979) 자세한 기재와 현재까지 국내에서 발견된 현생 패충류의 속과 과에 대해 간략히 설명을 하였다. X. hujeongensis는 국내고유종으로서 특이한 특징을 가지고 있다. 첫 번째로는 수컷 배갑의 바깥쪽에서 앞쪽 부분에 무사마귀 모양의 형태가 두드러지게 있고, 두 번째로는 수컷 및 암컷의 배갑 안쪽에서 뒤쪽 밑에 작은 틈이 존재한다. 두 번째 장에서는 쿠릴캄챠카 심해지역에 서식하는 키데로이드 패충류중 우점을 하고 있는 Krithidae 과에 포함된 여섯 종에 관하여 기재하였고 (Kritheangelikae Yoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019; K. cerritulaYoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019; K. kamchatkaensis Yoo,Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019; K. maxima Yoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019; K. rara Yoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019; K. tsukagoshii Yoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019), 형태학적 자료 및 분자학적 자료를 포함하였다. 또한 심해 패충류의 계통지리학적 고찰을 포함하였다. Krithidae과에 속하는 genus Krithe는 전 세 계의 심해지역에서 우점을 하고 있는 속이다. 종간의 분류학적 관계 분석과 분자시계 분석 그리고 개체군의 역학 및 구조 분석을 진행하기 위해 총 3가지의 분자 마커를 이용하였다 (18S rRNA, ITS, mtCOI). mlCOI 분자 자료를 기반으로 한 K2P distances는 종간에서 최소 16%에서 최대 26%까지 다양하게 나타났고, 종내 차이는 1.5%를 넘지 않았다. mtCOI 과 ITS의 분자 자료를 기반으로 새롭게 구성된 계통수는 쿠릴캄챠카에서 보고된 6종의 종간 차이를 확실하게 지지한다. K. kamchatkaensis 만 여러 정점에서 발견되었기 때문에 개체군 유전자 분석을 진행하였다. 총 48개의 mtCOI 단상형이 발견되었고, 개체군 유전자 지표인 Tajima`s D 와 Fu`s F statistics는 둘 다 음의 상관관계를 보였으며, 이는 위 종 개체군 일정기간에 급작스럽게 증가하였다는 것을 보여준다. Bayesian Skyline Plot 분석의 결과로 위의 개체군의 증가는 영양분이 많고, 저온의 오야시오 해류가 간빙기 때 (약 120,000년 전) 쿠릴캄챠카로 유입되었기 때문이라고 예상 할 수 있게 하였다. 마지막, 세 번째 장에서는 국내와 일본의 기수역에서 쉽게 발견되는 키데로이드 패충류중 Cryptic 종으로 알려진 Ishizakiella miurensis의 복잡성을 밝히기 위하여 분자학적 분석과 기하학적 분석을 종합하여 연구를 하였다. 본 장 에서는 계통학적 연구를 위하여 총 4개의 분자 마커를 이용하였다 (18SrRNA, 28S rRNA, ITS, mtCOI). I. miurensis의 mtCOI 분자 자료를 기반으로 만들어진 계통수는 두 개의 분기군이 존재하는 것을 확실하게 보여준다(East Sea clade and Pacific Clade). Pacific clade의 경우 I. miurensis 이며, East Sea(Sea of Japan) clade는 신종에 포함된다. Valve, antenna, malecopulatory organ의 3개 에서 확보된 자료를 기반으로 한 기하학적 형태분석의 결과는 대조적으로 나타났다. 주성분분석의 결과에서 Valve의 경우 두 종의 그룹이 확실하게 구분되는 것을 보여주었지만, A2 및 CA의 경우는 이를 확실하게 구분하지 못하였다. 이는 A2의 일원변량분석(ANOVA)에 대하여 진화적으로 강한 압박이 있었다는 것으로 추측할 수 있다 (측정 오류는 모든 분석 자료를 볼 때 무시할 만한 수준임). 변동 비대칭 (Fluctuating asymmetry) 매개변수의 경우 각 개체의 크기(Size) 및 모양(Shape) 성분의 가변성의 모든 데이터 세트에서 유의성 있는 상관관계를 보여주었다 (P < 0.0001). 방향성 비대칭 (directional asymmetry) 매개변수의 경우 배갑의 모양 성분의 가변성에서만 유의성 있는 상관관계를 보여주었다 (P < 0.0001). 이외에 배갑의 가변성에서 유의성 있는 상관관계를 보여준 (P < 0.0001) 매개변수 는 성, 종, 지역 등이 있다. A2의 경우 성별 매개변수는 크기와 모양의 가변성에서 유의성 있는 상관관계를 보여주지 못하였지만 (P=0.0773), 종, 지역의 매개변수의 경우 유의성 있는 상관관계를 보여주었다 (P < 0.0001).; One of the most promising approaches in the study of ostracoda biodiversity is integrative taxonomy in which morphological data are combined with genetics and/or geometric morphometrics. In this thesis I take this approach in studying cytheroid biodiversity in Korea and Kuril Kamchatka region. The dissertation is divided into three chapters with general introduction where I provide essential information on ostracod biodiversity, life histories, phylogeny and position of the superfamily Cytheroidea. In the first chapter morphology and general information on the superfamily Cytheroidea is provided along with overview of the cytheroid biodiversity in Korea and description of three reported species (Xestoleberis hujeongensis Yoo, Tanaka, Tsukagoshi, Lee and Karanovic, 2019; X. setouchiensis Okubo, 1979). Xestoleberis hujeongensis is an endemic species, characterized by a peculiar shell ornamentation on the anterior part and a small crack-like structure on the postero-ventral inner. The second chapter, provides a study of the family Krithidae from the abyssal zone of the Kuril-Kamchatka trench and includes description six Krithe species (Krithe angelikae Yoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019; K. cerritula Yoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019; K. kamchatkaensis Yoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019; K. rara Yoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019; K. tsukagoshii Yoo, Tanaka, Lee, Brandao and Karanovic, 2019). Krithe is by far the most dominant ostracod genus in the deep sea all over the world. I also provide the first insight into the phylogeography of any deep-sea ostracod. I used three genetic markers, 18S rRNA, ITS, and mtCOI to reconstruct the phylogenetic relationships between the species, test the molecular clock and analyze population structure and dynamics. The K2P distances based on the mtCOI datasets between varied from minimum 16% to maximum 26%. Within species K2P distances were not larger than 1.5%. The phylogenetic tress reconstructed both based on the mtCOI and ITS datasets, strongly support the presence of six species in the Kuril Kamchatka Trench. Only one species, K. kamchatkaensis have been collected from more than one locality and the mtCOI sequences of this species have been used for the population genetics analysis. There were a total of 48 mtCOI haplotypes belonging to this species present across the study area. The population genetics indices (Tajima’s D and Fu’s F statistics) were both negative and the values suggested a populations expansion. Bayesian Skyline Plot places this expansion around 120,000 years ago in the period of the last interglacial period, when the cold water, nutrient rich Oyashio Current started flowing into the Kuril-Kamchatka Trench. The final, third chapter presents an analytical study of cryptic Ishizakiella miurensis (Hanai, 1957) species complex in Korea and Japan and offers taxonomic resolution by implementing molecular data and 2D geometric morphometrics. In this chapter I also used sequences of four genetic markers (18S rRNA, 28S rRNA, ITS, mtCOI) for the phylogenetic analysis. Bayesian Inference based on the mtCOI dataset showed the presence of two distinct clades: The East Sea(Sea of Japan) clade and the Pacific Clade. The latter is assigned to I. miurensis, while former one belong to a new species. Results of the geometric morphometric analysis of three datasets, shell, antenna and copulatory appendage (CA) were contrasting. While the principal component analysis (PCA) of the shell dataset shows a clear separation of the two species in the morphospace, the antenna and CA datasets have no clear clustering by species. This can be interpreted by a strong evolutionary pressure on the antenna ANOVA analyses indicated that the measurement error was negligible in all datasets for both shape and size. Fluctuating asymmetry was significantly larger than the individual variability in all datasets, for both shape and size components. Directional asymmetry was significantly (6. 27 times) higher than individual variability only in the shell dataset and only in the shape component of variation. In the valves dataset, sex was by far the greatest contributor to both shape and size variations. It was followed by species and locality. In the antenna dataset sex contributed insignificantly to the overall variation of the shape and size. On the other hand, variation as a result of species and locality allocation significantly contributed to the overall variability but the F value was very small for both (1.3) in the shape component.