Structure evolution and diversification of the organelle genomes in Carex (Cyperaceae)

Abstract

This study analyzes the chloroplast genomes of 10 Carex species and the mitochondrial genome of C. pseudochinensis to investigate the structural evolution and phylogenetic relationships within Carex, the largest genus in the Cyperaceae. Chapter 1 discusses the need to integrate morphological and molecular phylogenetic classifications to address the complex taxonomy of Carex. With approximately 2,000 species, Carex presents classification challenges due to high morphological similarity among species, which limits the effectiveness of traditional classification methods. As molecular phylogenetic approaches gain recognition for their objectivity, this study emphasizes the need for a combined approach that incorporates both morphological and molecular data. In particular, the Carex genome contains numerous repetitive sequences that cause frequent structural rearrangements, complicating genome assembly and analysis. To accurately analyze these complex structural variations, the use of long-read sequencing technology, such as next-generation sequencing (NGS), is essential. Therefore, this study employs NGS data to assemble Carex plant organelle genomes and compares structural variations among Carex and related taxa within Poales. Chapter 2 reveals that Carex chloroplast genomes exhibit low GC content and frequent rearrangements due to numerous short and long repeat sequences, resulting in genomic instability. Synteny analysis identified structural variations among Carex, while phylogenomic analysis suggests a potential association between these structural variations and certain morphological traits, such as the presence of bisexual spikes. Chapter 3 describes the assembly of the mitochondrial genome of the Korean endemic species C. pseudochinensis using POLAP and its structural comparison with C. breviculmis, confirming the high structural plasticity of the Carex mitochondrial genome. These findings provide essential foundational data for future studies on Carex mitochondrial genomes and contribute to a deeper understanding of evolutionary adaptation and structural diversity within Cyperaceae.|본 연구는 벼목에 속하는 사초과(莎草科, Cyperaceae) 중 가장 큰 속인 사초속(莎草屬, Carex)의 소기관 유전체를 대상으로 진화 양상과 계통학적 관계를 규명하고자 하였다. 이를 위해 10종의 사초(대사초, 대구사초, 들사초, 길뚝사초, 양뿔사초, 도깨비사초, 회색사초, 갯보리사초, 청사초, 백두사초)의 엽록체 유전체와 한국 고유종인 햇사초의 미토콘드리아 유전체 서열을 밝히고, 이를 벼목 내의 다른 분류군들과 비교·분석하였다. 사초속은 약 2,000종으로 구성되어 있으며, 종 간 형태적 유사성이 높아 전통적인 형태학적 분류 방법만으로는 복잡한 분류학적 문제를 해결하기 어렵다. 제1장에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 형태학적 분류와 분자 계통학적 분류를 결합한 통합 접근법의 필요성을 논의하였다. 특히 사초 유전체는 다수의 반복 서열로 인해 빈번한 구조적 재배열이 발생하며, 이는 유전체 조립과 분석을 복잡하게 만든다고 알려져 있다. 본 연구에서는 차세대 유전체 시퀀싱(NGS) 기술을 활용하여 사초속 식물의 소기관 유전체를 조립하고, 벼목 계통 내 다른 분류군과의 구조적 변이를 비교하였다. 제2장에서는 사초 엽록체 유전체의 낮은 GC 함량과 빈번한 구조적 재배열이 짧고 긴 반복 서열의 존재와 밀접하게 연관되어 있음을 밝혔다. 또한 synteny 분석을 통해 사초속 종 간 구조적 변이 패턴을 확인하였으며, 이러한 변이가 양성화 구조와 같은 특정 형태적 특징과 연관될 가능성을 제시하였다. 제3장에서는 POLAP을 활용하여 한국 고유종 햇사초의 미토콘드리아 유전체를 조립하고, 청사초의 미토콘드리아 유전체와 비교·분석을 통해 사초속 미토콘드리아 유전체의 높은 구조적 가변성을 확인하였다. 이러한 결과는 사초속 미토콘드리아 유전체 연구의 기초 자료를 제공할 뿐만 아니라, 사초과 식물의 진화적 적응과 구조적 다양성을 이해하는 데 기여할 것이다. 본 연구는 사초속 유전체의 구조적 특성과 진화적 양상을 다각적으로 조명하였으며, 형태학적 특징과 분자적 변이를 연계함으로써 분류학적 문제 해결을 위한 새로운 관점을 제시하였다. 이를 통해 사초과 식물의 진화와 다양성에 대한 심층적 이해를 돕는 중요한 기초 자료를 제공할 것으로 기대된다.