이사부호 활용 대양연구 프로젝트 ①

수수께끼에 싸인 어류 산란생태의 비밀을 벗기다

『CUFES를 이용한 인도-태평양 어류의 산란가입 분석』

사진 1. 6월 13일 열린 이사부호 첫 출항 기념식

5,900톤급 대형 해양과학조사선 ‘이사부호’가 전 세계 바다의 해양과학 조사와 해저자원 탐사를 위한 첫 번째 닻을 올렸다. 지난 6월 13일 부산국제항을 출발한 이사부호에는 KIOST 연구진 및 각 연구기관과 대학, 산업체의 연구팀이 공동 승선해 6월 28일까지 약 2주간 인도-태평양 해역을 항해하면서 현장 밀착형 연구를 수행했다. 이번 호에서는 이사부호 활용 대양연구 프로젝트의 첫 번째 시리즈로 『CUFES를 이용한 인도-태평양 어류의 산란가입 분석』에 관한 연구 성과를 전한다.

인도-태평양 해역으로 생명의 시작을 찾아가다.

이사부호 출항의 첫 번째 연구과제인 『CUFES를 이용한 인도태평양 어류의 산란가입 분석』의 주요 연구 내용은 어란연속수집장비(CUFES)를 이용한 어란 수집, 단일 어란의 형태 기록과 분자마커를 이용한 종분석 분석(Sanger sequencing), 차세대유전자염기서열분석(이하 NGS)을 이용한 대량의 혼합 어란 종 분석이다. 이를 통해 형태형질로는 정확한 종 분석이 어려운 어란을 종 수준으로 동정하는 것이다. 이는 궁극적으로 어란의 종별 분포정보를 수집하여 인도태평양 어류의 종별 산란가입을 분석하기 위한 것으로, 어란의 종동정과 이에 기반 한 어란의 분포 정보가 어류의 산란장과 산란시기 등을 이해하는데 매우 중요한 산란생태 연구의 시작점이기 때문이다.

사진 2. 생태기반연구센터 김성 책임연구원

  “어류의 기본적인 생태를 알고 종별 산란시기와 산란장을 파악할 수 있다면 어획에 의한 자원량 감소를 예방하고, 멸종위기종을 보호할 수 있는 지혜를 얻을 수 있습니다. 일본에 이어 세계에서 두 번째로 완전양식기술에 성공한 뱀장어의 경우와 마찬가지로 주요 소비 어종의 양식을 가능케 해 어류 활용의 지속가능한 방안도 찾을 수 있을 것입니다. 이번 탐사에서는 이사부호의 이동 중 CUFES의 해수펌프로 끌어올린 물에서 인도-태평양 해역 어류의 알을 채집하고, 이들의 발생단계별 사진 촬영과 종동정을 위한 DNA를 추출하는 등 어류의 산란가입 표본 확보를 위해 각고의 노력을 기울였습니다.“

바다에서 직접 알을 채집하여 분석하는 최초의 시도

어류의 종동정 분석에 있어서 어란과 치어를 연구하기 시작한 것은 과거 북해산(노르웨이산) 대구가 무분별한 남획으로 어느 한 순간 멸종 위기에 처한 상황을 규명하기 위한 것이 시초가 되었고, 이후 세계 각국에서 관련 연구가 꾸준히 진행되었다. 그러나 어류 종 보존을 위한 산란 생태연구의 중요성에도 불구하고 알려진 어란의 분포 정보가 적은 이유는 어류의 알의 형태만으로는 정확한 종 분석(형태형질 기반의 종동정)이 매우 어렵다는 점 때문이었는데, 이번 연구에서는 어란 수집 후 현장에서 추출한 gDNA(핵산)를 분자마커(종간 종내 변이를 구분할 수 있는 유전자로 표본의 형태와 발생단계에 영향을 받지 않음)를 이용하여 보다 정확한 종동정을 시도하게 된다. 혼합 어란에서 추출한 gDNA를 NGS로 분석한 후 종조성을 구분하는 것은 어류의 생태연구에 있어서 최초의 시도이자 수수께끼에 싸인 다양한 어류들의 산란장을 파악할 수 있는 획기적인 방법이라고 볼 수 있다. 

이사부호의 설계구조에 최적화 되도록 CUFES 장비 개조

KIOST 연구팀은 많은 기대와 책임감을 가지고 떠나는 만큼 시행착오를 최소화하기 위해 장비 의 정상적인 운영을 위한 긴장을 한시도 늦출 수 없었다. 특히, 어란을 수집하기 위한 CUFES 장비를 이사부호의 설계구조에 맞게 개조하는 일이 상당히 까다로웠다고. 이사부호의 마지막 시험항해 출항 전까지 누수문제를 해결하고 전자식 유량계도 설치했으나, 시험운전 초기 CUFES 내의 수위가 불안정하더니 펌프를 가동하자 배수가 잘 되지 않는 예상치 못한 상황도 발생했다고 한다. 이는 이사부호의 배수시스템이 펌프를 통해 물을 수면 하에서 배출하는 방식인 반면, CUFES는 자유낙하식 배출 방식이어서 CUFES를 통과한 해수가 잘 배수되지 않았던 것이다. 이에 연구팀은 관측부와 기관부의 도움으로 CUFES에 압력 조절용 파이프 설치, 배수라인의 변경, 미소동물플랑크톤 파이프라인 설치 등 장비 점검에 만전을 기해 무사히 연구를 수행할 수 있었다. 

2시간 간격으로 어란 수집(평균유량: 48.8㎥/2h) 및 gDNA 추출

어란의 발생단계별 사진촬영 및 표층의 수온/염분 등의 환경자료도 추가로 획득

장비가 정상적으로 작동되자, KIOST 연구팀은 곧바로 어란 수집 작업에 돌입했다. 해수 인입밸브를 최대로 개방하여 24시간 내내 2시간 간격으로 어란을 수집(평균유량: 48.8㎥/2h) 하였는데, 당시 부가적으로 eDNA(environmental DNA, 생물의 분비물이나 사체 등에 포함된 DNA)와 마이크로 동물플랑크톤을 수집하기 위한 보조장비도 설치하였기에 동물플랑크톤과 함께 수집된 표본에서 어란을 골라냈다. 이후 해부현미경으로 어란을 분리, 개별 어란의 발생단계 구분용 사진촬영 및 gDNA를 추출하였다. 추출한 gDNA는 온도변화에 민감하기에 모두 초저온 냉동고(-80℃)에 보관하였다. 표층의 수온과 염분 등의 환경자료도 추가로 획득했다. 밤샘작업을 거듭한 결과, 최종적으로 어란 1,241개를 수집하였다(어란의 분포 밀도: 0~228개/100m3). 이 중에서 539개 개별 어란의 사진을 촬영하고 나머지 어란 혼합어란 시료 33개(어란, 7~114개/시료)에서도 gDNA를 추출하였다. 부가적으로 자치어도 78마리나 수집하였다. 

사진 4. 이사부호 실험실 내부 전경

 

사진 5. 실험실에서 연구활동을 수행 중인 KIOST 연구팀

 

사진 6 (좌). 이사부호 실험실에서 어란의 사진을 촬영하는 모습  사진 7 (우). 현장에서 수집된 어란의 발생 단계별 표본사진

개별 어란 종동정에 드는 시간과 비용절감 위해 NGS 방법 개선

대량의 유전자 염기서열 분석과 ‘어란/자치어 사진 DB’ 구축 노력

특히, 금번의 연구 과제에서 주목할만한 점은 기존 NGS 방법의 종 탐지율과 탐지 오류의 단점을 극복하고, 개별 어란 당 종동정에 드는 시간과 비용을 절감할 수 있도록 NGS 방법을 개선한다는 것이다. 생태기반연구센터 김 성 책임연구원은 그간 NGS 방법의 기계적인 오류로 인하여 시료간의 혼합(오염)현상이 종종 발생한다는 사실을 경험적으로 발견하였고, 다수의 어란 유전자를 동시에, 보다 정확하게 분석할 수 있는 방법을 모색하고 있다.

어류 산란특성 정보 기반의 금어기 & 어장 보호 해역 설정

어류 생태 기반의 해양환경 변화 지표 개발에 기여할 것으로 기대

다사다난했던 첫 항해를 성공적으로 마치고 귀환한 KIOST 생태기반연구센터 연구팀은 금번 항해에서 수집한 어란의 gDNA 표본이 KIOST에 입고되는 9월부터 본격적으로 분자마커를 이용하여 종을 분석하고, 어란이 수집된 조사해역 및 시기 파악, 그리고 동일종(유전자 기반)의 어란 출현정보 등의 데이터를 정리한다. 이후 어란과 자치어의 사진을 포함한 Index 작업을 거쳐 ‘어란/자치어 사진 DB 구축’을 위한 기반을 마련할 계획이다. 금번의 KIOST 연구 성과는 기존의 해외 연구결과와 함께 인도-태평양 해역에 대한 어류의 종별 산란 분포도 작성의 중요한 기초 자료로도 활용할 것이다. 후속 연구를 위해 2018년에는 인도양, 2019년에는 북서태평양 해역으로 재출항하여 연구를 지속할 KIOST 연구팀. 첨단해양과학기술 기반시설인 이사부호 첫 출항에서 소기의 성과를 거둔 만큼, 향후에도 지속적인 연구 활동을 통해 어류의 종별 산란특성 정보 기반의 금어기 설정, 어장 보호 해역 설정 등 어류 생태 기반의 새로운 해양환경 변화 지표 개발에 크게 기여하길 바란다.