분자기법을 이용한 Dolichospermum smithii 와 Microcystis aeruginosa 의 계통 분류, 분포 및 개체군 거동

Abstract

전세계적으로 조류 대발생의 원인 종으로 알려져 있는 대표적인 남조류속으로는 Dolichospermum과 Microcystis가 있다. 다음의 Dolichospermum 및 Microcystis를 대상으로 분류학적 연구 및 조류 대발생의 기작을 이해하기 위한 다양한 생태학적 연구가 지속적으로 수행되고 왔다. 그러나, 기존의 연구들은 다음과 같은 한계점이 존재한다. 두 속의 분류체계는 형태적 분류 형질을 이용한 오동정 사례가 다수 존재하며, 16S rRNA의 계통수 분석 상에서도 종 또는 속 간의 혼합(intermixture)이 존재한다. 이러한 문제점은 여전히 해결되지 않은 숙제로 남아있다. 또한, 조류 대발생의 원인을 분석하는 연구가 다수 진행되었으나, 이례적인 조류 대발생에 대해서는 여전히 해석하기 어려운 문제점이 존재한다. 따라서, 두 속의 분류체계 문제점을 해결하기 위해 Dolichospermum의 휴면포자 형태적 특징과 16S rRNA 및 rbcLX, 16S rRNA + rbcLX의 결합 유전자를 이용한 분자 계통수 분석과의 비교 결과, 휴면포자의 너비 및 길이의 비율, 형태에 따라 분기군이 형성되는 결과를 나타냈으며, 분기군의 형성과 사상체의 형태(나선형/직선형)는 무관한 것을 확인하였다. 또한, Microcystis의 경우에는 환경 조건에 따른 분류 형질의 형태적 변이로 인하여 형태적 특징과 16S rRNA 유전자의 분자 계통학적 분석이 불일치하는 결과를 나타냈다.

또한, 조류 대발생 발생 기작에 대한 올바른 이해를 돕기 위해 국내 한강수계 조사지점에서 높은 비율을 나타낸 한강 수계 내 속(genus) 별 우점했던 D. smithii, M. aeruginosa를 대상으로 16S-23S ITS 유전자를 이용하여 종 내 유전적 다양성 연구를 수행하였다. 그 결과, D. smithii의 경우, 한강 수계 내에는 종 내 단일 유전형으로 존재함을 확인하였으며, M. aeruginosa의 경우, 총 5 개의 genotype 중, 2 개의 genotype이 우점함을 확인하였다. 또한, 종 내 유전적 다양성 연구를 통해서 나뉜 M. aeruginosa의 genotype 별 생리학적 특성의 차이를 살펴본 결과, 30 ℃의 온도 조건 및 300, 500 μmol photons m-2s-1의 광도 조건에서 genotype 1과 2가 유의적인 성장률의 차이를 보이며, genotype 1이 2보다 높은 성장률을 나타냈다.

이와 더불어, 한강 및 낙동강 수계 내 D. smithii와 M. aeruginosa genotype 1, 2의 개체군 거동을 확인하기 위해 각 종/genotype 별 probe의 개발에 성공하였으며, 이를 이용한 qPCR 기법을 개발하였다. 개발한 종/genotype 별 probe를 이용한 qPCR을 통해 한강 및 낙동강 수계에서의 D. smithii 및 M. aeruginosa genotype 1과 2의 개체군 거동을 살펴본 결과, D. smithii는 2016년에는 표층 수계에서 1x103 cells/mL 미만의 현존량을 나타냈으며, 남한강 수계에 비해 북한강 및 한강하류 수계 조사지점에서 높은 현존량을 나타냈다. 2018 년에서는 전 조사시기 동안 표층 수계에서 10 cells/mL 미만의 낮은 현존량을 나타냈다. M. aeruginosa genotype 1의 경우, 2018 년 8 월 1 주 잠실수중보를 제외하고, 2016, 2018년의 조사시기 동안 모든 조사지점에서 103 cells/mL 미만의 세포 밀도로, 국지적인 패턴을 보이며 출현하였다. Genotype 2의 경우, genotype 1에 비해 비교적 높은 현존량을 나타내고, 넓은 조사지점에 출현하는 패턴을 보였다.

따라서, 본 연구에서는 형태적 변이로부터 안정적이며, 분자 계통학적 분석 결과에서의 분기군 형성과 일치하는 휴면포자의 형태적 특징을 우선적으로 고려하여 재분류하였다. 또한, 연구대상 종 또는 genotype을 신속하고 정확하게 정량화할 수 있는 qPCR 기법을 개발하여, 대상 종의 개체군 거동을 파악할 수 있었다. 이와 더불어, M. aeruginosa는 genotype에 따라 출현하는 패턴이 상이하므로, 환경 조건에 따른 genotype의 천이가 발생할 가능성을 확인하였다.