Growth Differences in Edible Caulerpa okamurae (Weber-van Bosse) Thallus Parts with and without Apex Removal

식용종 옥덩굴(Caulerpa okamurae Weber-van Bosse)의 부위별 생장과 정단 제거 유·무가 생장에 미치는 영향

Abstract

Growth differences in Caulerpa okamurae thallus parts and the effects of apex removal on growth were examined. Erect fronds, stolons, and erect fronds with stolons (erect+stolon) were grown for 14 days, whereas erect fronds without and with apex removal (-A and +A fronds, respectively), were grown for 25 days. The relative growth rates (RGR) of C. okamurae thallus parts ranged from 1.91% to 4.93% day^-1 with maximal and minimal RGR for the stolon and erect+stolon treatments, respectively. Over the 25 days in culture, the -A fronds showed a higher RGR (2.48% day^-1) than the +A fronds (1.96% day^-1). More new erect fronds and stolons were produced by -A fronds than those by +A fronds. In addition, basal cutting of erect C. okamurae fronds resulted in a greater plant length increase than that obtained from top cutting. These findings indicate that vegetative growth is common in C. okamurae, which has excellent wound healing ability, and cutting damage to erect fronds may stimulate enhanced vegetative growth. Thus, we suggest that stolons and erect fronds of C. okamurae could be used as seeding materials for large scale cultivation. Furthermore, this edible species could be a potential seaweed resource for rapid skin regeneration cosmetics.

서론

녹조류 옥덩굴(Caulerpa) 속(genus)에는 현재 105종이 기록되어 있으며, 이 중에서 15종이 식용종으로 알려져 있다(de Gaillande et al., 2017; Guiry and Guiry, 2021). 엽체는 포복지(stolon)와 직립지(erect frond)로 구분되며, 직립지에는 종별로 형태가 다른 작은 가지(branchlet)를 가진다. 포복지와 직립지의 절편(fragment)은 재생(regeneration)하여 생장하고 환경변화에 따라 형태적 다형성(morphological plasticity)이 많은 것으로 알려져 있다(Sauvage et al., 2013; de Gaillande et al., 2017). 식용종인 Caulerpa lentillifera와 C. racemosa var. tur- binata는 바다포도(sea grape) 혹은 그린캐비어(green caviar) 로 불리고 있으며, 맛이 좋고 영양이 풍부하여 샐러드로서 인기가 높은 건강식품이다(Ratana-Arpon and Chirapart, 2006; Matanjun et al., 2009; de Gaillande et al., 2017).

일본에서 우미부도로 불리는 C. lentillifera는 인도, 말레이시아, 필리핀, 대만 등을 포함하는 열대해역에 분포하며, 인도- 태평양에 사는 주민들은 자연에서 채취하여 식용한다(Trono, 1990; Mary et al., 2009; Tanduyan et al., 2013; Nagappan and Vairappan, 2014; de Gaillande et al., 2017). 최초의 C. lentillifera 양식은 1950년에 필리핀의 어류와 새우 양식장에서 시도되었으며, 이후 일본을 포함한 많은 국가에서 수심이 얕은 근해 혹은 육상 양식을 시작하였다(Horstmann, 1983; de Gaillande et al., 2017; Zubia et al., 2020). 생물량 증대를 위한 다양한 양식기술이 개발되었으며, 대표적인 것이 다양한 기질(로프, 네트, 케이지 등)에 엽체를 묶어 양식하는 매듭묶기법(tying method), 바닥양식법(bottom-planting method)과 수하식양식법(off-bottom method)이다(Trono, 1990; Choi et al., 2000; Paul and de Nys, 2008; Bast, 2013; Zubia et al., 2020).

국내 연안에는 두줄옥덩굴, 막덩굴, 애기옥덩굴붙이와 옥덩굴의 4종이 기록되어 있으며(MABIK, 2019), 그 중 옥덩굴(C. okamurae)은 제주도, 울릉도와 독도, 동해 남부(울진, 포항, 부산)와 남해안(통영, 완도 등)에 분포하며, 수심 3-5 m에서 서식한다(Choi et al., 2006; Choi, 2007; Park and Choi, 2009; Park et al., 2014). 옥덩굴은 암반을 포함한 다양한 기질에 부착하는 가근을 가진 포복지와 곤봉형의 말단가지(ramuli)가 환생하는 직립지를 가진다(Lee, 2008). 옥덩굴의 선행연구는 국내에서 생물계절학 연구(Choi et al., 2000)와 실내배양이 있으며(Hwang et al., 2003), 일본에서는 육상에서 메소코즘(meso- cosm) 양식이 시도되었다(Morita et al., 2013). 최근 연구에서 Gao et al. (2019)은 옥덩굴의 직립지와 포복지는 수온, 광과 염분에 대한 내성 및 생리적 특성에서 차이가 있음을 밝혔다. 따라서, 본 연구는 옥덩굴의 육상양식 기술을 개발하기 위하여, 엽체 부위별(포복지, 직립지) 생장과 직립지의 정단 유·무가 생장에 미치는 영향을 파악하고자 수행되었다.

재료 및 방법

엽체 부위별 생장

옥덩굴 엽체는 전남 진도군(34°39' N, 126°27' E) 조간대 하부암반에서 2019년 6월 5일 채집되었으며 현장 해수와 함께 플라스틱 지퍼백에 넣고 아이스박스에 담아 실험실로 운반하였다. 엽체 표면의 착생 동∙식물과 불순물은 핀셋과 유화용 붓으로 제거한 후, 여과 및 멸균 해수로 수회 세척하였다. 실험용 옥덩굴은 20℃, 20 μmol photons m^-2 s^-1와 16L:8D (Light:Dark)의 광주기로 설정된 항온실에서 정치배양 하였다.

엽체 부위별 생장을 파악하기 위하여, 대조구는 직립지와 포복지를 함께 가진 정상 엽체를 사용하였고(Fig. 1), 실험구는 직립지와 포복지 엽체 부위를 메스로 자른 후 멸균 해수가 담긴 각기 다른 비이커에 넣어 절단부 상처가 회복되도록 2일 동안 정치 배양하였다(Fig. 2). 배양 2일 후, 500 mL의 PES 배지(Pro- vasoli, 1968)를 30% 희석한 PES30 배지가 담긴 비이커 15개를 준비하였고 실험구별(직립지, 포복지, 직립지+포복지)로 5 개 반복구에 부위별로 3 g wet wt. (습중량)씩을 넣었다. 부위별 엽체의 생장 실험은 20℃, 20 μmol photons m^-2 s^-1와 16L:8D로 설정된 인큐베이터(Bionex, Korea)에서 14일 동안 실시하였다. 실험 기간에 돌말류(diatoms)의 생장 억제를 위해 배양액에 GeO₂ (5mg L^-1)을 첨가하였으며, 배양액은 3일 간격으로 전량교환하였다. 배양 14일 후, 전자저울로 엽체 무게(wet weight) 를 측정하였고 상대생장률(relative growth rate, RGR)은 배양 개시와 종료 시 무게로 계산하였다(Choi et al., 2008).

Fig. 1. Morphological features of Caulerpa okamurae.

Fig. 2. Experimental erect (A), stolon (B), and erect+stolon (C) fronds of Caulerpa okamurae.

RGR (% day^-1)=100 ln (W_t /W₀)/T

W_t는 배양 종료 시 무게, W₀은 배양 개시 때의 무게, T는 배양일 수(day)를 나타낸다.

직립지 정단 유·무와 생장

옥덩굴 엽체의 상처치료(wound healing) 능력과 극성생장 (polarized growth) 유·무를 파악하기 위하여, 수술용 메스로 포복지에서 직립지 하부를 절단하였다. 대조구 직립지는 정단 존재(apical presence)로 기부 절단(base cut)의 한 곳만 상처를 가졌으며, 실험구 직립지는 정단이 제거되어(apical removal) 하부와 상부 절단(top cut) 두 곳에 상처를 가진 엽체를 사용하 였다(Fig. 3A, 3B). 대조구와 실험구 직립지의 길이는 모두 약 3 cm였으며, 이들은 멸균해수가 담긴 비이커(1,000 mL)에 구분하여 넣어 상처가 일부 회복되도록 실온에서 2일 동안 정치배양하였다. 배양 2일 후, 옥덩굴 대조구와 실험구 직립지는 PE_G S30 배양액(200 mL)이 담긴 plant culture dish (Ø, 10 cm; H, 4 cm)에 3개체씩 넣고, 동일한 환경(20℃, 20 μmol photons m^-2 s^-1, 16L:8D)에서 25일 동안 배양하였다. 대조구와 실험구는 각기 3개의 반복구를 두었으며, 배양액은 4일 간격으로 전량 교환하였다. 대조구와 실험구 직립지의 상처치료 능력은 엽체의 생장으로 비교하였으며, 상대생장률은 배양 개시 15일, 20일과 25일 후에 측정한 습중량을 이용하여 계산하였다.

Fig. 3. Explants of Caulerpa okamurae at the initial stage with apical tip (A) and no apical tip (B). Erect frond grew at upper and lower parts of original explants after 25 days (C). They were incubated for 25 days under culture conditions of 20℃, 20 μmol photon₆s_.0 m^-2 s^-1, and 16:8 h L:D.

또한, 실험 종료 시점인 배양 25일 후에는 최초에 넣어준 직립지(original explants)의 정단(top)과 포복지와 연결된 기부 (base)에서 실험 기간에 형성된 새로운 직립지(new erect) 와포복지(new stolon)를 계수(counting)하고 길이를 측정하였다 (Fig. 3C). 직립지의 극성 생장과 상부절단(top cut)과 하부절단(base cut) 부위의 생장 패턴은 새로운 직립지와 포복지의 수와 길이 생장으로 비교하였다. 반복구별로 실험 직립지 3개체가 새롭게 생성한 모든 직립지와 포복지를 계수하였고 그들의 길이를 모두 합산하였으며, 대조구와 실험구의 반복구별(3개) 로 평균값을 이용하여 결과를 도출하였고 상대생장률을 계산하였다.

통계분석

옥덩굴 엽체 부위별(직립지, 포복지, 직립지+포복지) 생장 및 직립지 정단 유·무가 생장에 미치는 영향은 one way ANOVA test를 실시하여 유의차를 검정하였다. 또한, 옥덩굴 직립지의 정단 유·무가 정단(top)과 기부(base)의 새로운 직립지와 포복지 형성과 길이 생장에 미치는 영향은 three way ANOVA test 를 실시하여 유의차를 검정하였다. 엽체의 부위별 생장에서 평균에 대한 유의차가 발견되어 Tukey’s HSD test방법으로 사후 검정을 실시하였으며(Sokal and Rohlf, 1995), 데이터 분석을 위해 사용된 통계 프로그램은 STATISTICA version 10.0이었다.

결과

엽체 부위별 생장

옥덩굴의 직립지, 포복지, 대조구(직립지+포복지) 생장실험에서 배양 개시 때 엽체 무게는 3 g wet wt.이었으며, 배양 14 일 후 3.98-6.11 g으로 증가하였다. 상대생장률은 1.91-4.93 % day^-1로서 포복지 실험구에서 최대였으며 대조구에서 가장 낮았다(F_{2, 12}=13.97, P<0.001, Fig. 4). 배양 14일 후, 옥덩굴 부위별 생장을 구분하여 보면, 직립지 실험구에서는 직립지(0.80 g wet wt., 48.84 %)와 포복지(0.84 g, 51.28%)가 거의 동일한 비율의 생장을 보였다. 포복지 실험구에서는 직립지가 57.49% (1.76 g), 그리고 포복지가 42.46% (1.30 g)로 직립지가 약 15% 정도 빠른 생장을 보였다. 대조구에서는 배양 개시 시점에서 직립지와 포복지의 무게를 측정할 수 없어서 부위별 생장률은 계산되지 않았다. 생장실험에서 모든 엽체는 배양 2일 후 가근 (rhizoid)이 형성되었고, 3-4일 후에는 직립지 실험구의 직립지에서는 새로운 포복지가 생장하기 시작하였고, 포복지 및 대조구 실험구에서는 새로운 직립지와 포복지가 형성되었다. 배양 5일 후에는 모든 실험구에서 새롭게 형성된 포복지에서 직립지가 생성되기 시작하였다.

Fig. 4. Relative growth rates (RGRs) of Caulerpa okamurae having erect, stolon, erect+stolon fronds, respectively. They were incubated for 14 days under culture conditions of 20℃, 20 μmol photons m^-2 s^-1, and 16:8 h L:D. Vertical bars indicate mean±SE (n=5 repli- cates). Different letters present significant difference.

직립지 정단 유·무와 생장

옥덩굴 직립지 정단 유·무(존재 혹은 제거)로 처리하여 15일동안 배양하였을 때, 정단부가 제거된 직립지의 상대생장률은 1.56 % day^-1로서 정단부 존재 직립지의 생장률(1.33 % day^-1) 에 비해 빠른 생장을 보였으나 배양 20일까지 생장에 대한 유의차는 관찰되지 않았다(Fig. 5). 배양 25일 후, 상대생장률은 정단 존재구에서 1.96 % day^-1였고 정단 제거구에서 2.48 % day^-1로서 정단이 제거된 직립지에서 통계적으로 유의하게 빠른 생장을 보였다(F_{1, 4}=17.46, P<0.05).

Fig. 5. Relative growth rates (RGRs) of Caulerpa okamurae fronds with apical presence and apical removal. They were incubated for 25 days under 20℃, 20 μmol photons m^-2 s^-1, and 16:8 h L:D. Vertical bars indicate mean±SE (n=3 replicates). Indicates significant difference (P<0.05).

배양 25일 후 옥덩굴 직립지의 정단 존재구와 제거구에서는 정단(top)에 비해 새롭게 형성된 직립지와 포복지 수와 길이가 하부(base)에서 빠른 생장을 보였다(Fig. 6A, 6B). 옥덩굴 정단 존재 실험구의 직립지 상부에서는 새로이 형성된 직립지와 포복지가 각기 3개(평균)와 1개였으며, 정단 제거 직립지에서는 6개(직립지)와 4.67개(포복지)로서 정단 제거구에서 직립지와 포복지가 더 많이 형성됨을 확인하였다. 옥덩굴 직립지 절편 기부에서 생성된 직립지와 포복지를 계수한 결과, 정단 존재구에서는 직립지와 포복지가 8개와 9.33개였으며, 정단 제거구에서는 10.33개와 8.67개로 정단 존재구와 제거구에서 직립지와 포복지 생성에는 커다란 차이를 보이지 않았다(Fig. 6A). 옥덩굴 직립지의 정단 존재·제거구, 정단·기부에서 새롭게 생성된 직립지·포복지 수를 통계 분석한 결과, 새롭게 형성된 직립지와 포복지는 정단 제거구에서, 그리고 직립지 절편의 기부에서 많았으나, 직립지와 포복지 수에서는 유의차가 없었다(Table 1).

Fig. 6. Numbers of newly produced fronds (A) and the lengths of new fronds (B) for Caulerpa okamurae fragments with apical presence or apical removal. They were cultured for 25 days under 20℃, 20 μmol photons m^-2 s^-1, and 16:8 h L:D. Data were collected from apical and basal parts of C. okamurae fragments. Vertical bars indicate mean±SE (n=3 replicates).

Table 1. Three-way ANOVA for the effects of apical presence (presence, removal), erect frond position (top, base), and frond type (erect, stolon) on the newly produced erect and stolon in number and in length from original erect fronds

배양 동안 직립지 정단에서 새로 형성된 직립지와 포복지 길이를 비교하면, 정단 존재구의 직립지(2.56 cm)와 포복지(1.28 cm) 생장은 정단 제거구(직립지, 6.57 cm; 포복지, 8.55 cm) 에비해 느린 것으로 나타났다(Fig. 6B). 옥덩굴 직립지 절편의 기부에서는 정단 존재구에서 새롭게 형성된 직립지(12.08 cm) 와포복지(21.11 cm)의 생장이 정단 제거구의 직립지(9.68 cm)와 포복지(20.23 cm)에 비해 조금 높았다(Fig. 6B). 옥덩굴 직립지 절편 정단 존재구 정단에서 직립지와 포복지는 느린 생장을 보였으나, 기부의 직립지와 포복지가 빠르게 생장함으로 정단존재구와 정단 제거구에서 엽체 길이생장에 유의차는 없었다 (Fig. 6B, Table 1). 모든 실험구(정단 존재와 제거)에서 직립지와 포복지의 길이 생장은 정단에 비해 기부에서 빠른 생장을 보였으며, 포복지가 직립지에 비해 빠른 생장을 보였다(Fig. 6B, Table 1). 직립지 정단 제거구에서는 절단된 정단에서 직립지와 포복지 길이 생장이 좋았고, 반대로 정단 존재구에서는 절편의 기부에서 직립지와 포복지의 생장이 빨라서 정단 존재 유· 무는 상부와 하부의 생장에 영향을 미치는 것으로 확인되었다 (Table 1). 또한, 직립지 기부와 정단에서 새롭게 형성 및 생장된 포복지에서 새로운 직립지가 자라고 기부에서는 포복지 생장이 빠르게 나타남으로써 직립지 정단 및 기부에 따라 포복지와 직립지 생장은 특이적인 생장 패턴을 보이는 것으로 분석되었다(Table 1).

고찰

옥덩굴 속(genus) 해조류는 유성생식과 무성생식이 모두 가능하지만, 유성생식과 생활사가 알려진 종은 소수에 불과하다 (Phillips, 2009; Zubia et al., 2020). 옥덩굴(Cauelrpa okamu- rae)은 25℃, 20 μmol photons m^-2s^-1에서 64%가 성숙하였으나 (Hwang et al., 2003), 유주자 유래의 엽체 생장 및 생활사에 대한 자료는 거의 없는 상태이다. 하지만 옥덩굴 엽체의 절편 생장과 같은 영양체 생장에 관한 연구는 상대적으로 많이 알려져 있다(Choi et al., 2000; Gao et al., 2019). 한국산 옥덩굴은 제주와 일부 연안의 조하대에 서식하기 때문에 채집이 어렵고 자연 상태에서 성숙한 개체가 발견되지 않으므로 생물량을 증가시키기 위해서는 절편을 사용하는 영양번식 방법이 효과적이라고 하였다(Choi et al., 2000). 본 연구에서 옥덩굴은 직립지, 포복지, 직립지+포복지 모두 영양생장이 가능한 것으로 확인되었으며, 포복지(상대생장률, 4.93 % day^-1)는 직립지(3.02 % day^-1) 와 직립지+포복지(1.91 % day^-1)에 비해 빠른 생장을 나타냈다. 또한, Gao et al. (2019)은 옥덩굴 포복지 절편의 상대생장률은 7.02 % day^-1로 직립지(6.78 % day^-1)에 비해 약간 빠른 생장을 보였고, 포복지는 직립지에 비해 고온, 저온, 저염 내성이 좋은 것으로 기록하였다. 지중해 연안에서 생태학적 침입종으로 알려진 C. taxifolia와 C. cylindracea는 포복지 생장과 엽체 절편화에 따른 무성생식법으로 지리적 분포 범위를 확대하는 것으로 알려져 있다(Komatsu et al., 1997; Wright and Davis, 2006; Zubia et al., 2020). 본 연구 결과, 옥덩굴은 포복지, 직립지로 절편 된 상태에서도 빠른 생장을 보였고, 특히 포복지의 생장이 높게 나타남으로써, 직립지를 수확한 후에도 포복지를 영양 생장의 모조로 활용할 수 있을 것이며, 향후 옥덩굴 엽체의 절편을 이용한 양식방법이 효율적일 것으로 판단된다.

본 연구에서 옥덩굴 직립지의 정단 유·무에 따른 생장실험 결과, 포복지와 연결된 직립지의 기부절단(base cut) 부위는 상처가 없는 정단에 비해 포복지와 직립지의 생장이 빠르게 나타났으며, 새로이 형성된 포복지와 직립지 갯수도 많은 것으로 확인되었다. 또한, 직립지의 정단에 위치한 말단가지(ramuli) 일부를 제거한 직립지는 말단가지 손상이 없는 대조구 직립지에비해 정단절단(top cut) 부위에서 상대적으로 많은 직립지와 포복지를 형성하였다. 옥덩굴의 직립지 절편(기부 절단)은 정단제거 직립지(정단, 기부 절단)에 비해 상처치료에 투입되는 에너지가 적어 전자(기부 절단)가 후자(정단과 기부절단)에 비해 빠른 생장을 보일 것으로 예측하였으나, 반대로 정단제거 직립지에서 높은 생장을 보임으로써 옥덩굴의 상처는 오히려 생장촉진의 자극원으로 판단된다. 선행연구에서도 C. lentillifera의 직립지를 절단하여 배양하였을 때 하부의 절단면에서 가근과포복지가 형성되었고(Guo et al., 2015), C. taxifolia는 상처 부위에서 새로운 포복지가 형성되어(Smith and Walters, 1999), 옥덩굴 속(genus) 해조류의 상처부위에 대한 재생력이 좋은 것으로 판단된다. 또한, Gao et al. (2019)은 옥덩굴 직립지에서포복지의 생성은 25℃에서 2일 후, 그리고 20℃에서 5일 후로 재생력은 온도별 차이를 나타낸다고 하였다. 이외에도 옥덩굴의 말단가지는 배양 1일 후에 상처 부위가 치료되고 7일 후에는 1차 재생가지, 11일 후에는 2차 분지가 일어나며, 28일 후에는 재생지에서 새로운 말단가지가 형성된다고 하였다(Choi et al., 2000). 결론적으로 옥덩굴을 포함한 옥덩굴 속(genus)의 다양한 종들은 말단가지(ramuli), 포복지(stolon), 직립지(erect frond)로 절단되어도 빠른 상처치료 능력과 재생력을 보임으로써, 엽체를 이용한 무성생식에 의한 육상 양식이 가능하며, 또한 피부 재생 효능이 필요한 소재 개발에도 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

녹조류 옥덩굴 직립지의 정단 유·무에 따른 생장실험에서 하부 및 상부 절단 부위에서 모두 직립지와 포복지가 새롭게 생성되는 것이 확인됨으로써, 선행연구의 가시파래 엽상체 절편 (Ulva prolifera segments)에서 관찰된 하부절단표면(lower cut surface)의 가근 형성과 상부절단 표면에서 수많은 새로운 소엽 (blade lets) 형성과 같은 뚜렷한 극성생장(polarized growth) 은나타나지 않았다(Zhang et al., 2016). 녹조대발생(green tides) 을 일으키는 솜대마디말(Cladophora albida)은 엽체의 절편 배양에서 3일 이내에 유주자를 형성하여 대량 방출하는 유성생식 방법으로(Na et al., 2017), 금발대마디말(Cladophora vado- rum)과 Cladophora monteagneana는 영양체 생장(vegetative growth)의 한 형태인 절편생장을 통한 생물량을 증가시켰다 (Kamermans et al., 1998; Na et al., 2016). 중국에서 발생한 세계 최대 규모의 가시파래 대발생은 다량의 포자방출(유성생식) 과 엽체 절편에서의 엄청난 수의 소엽형성(무성생식)에 기인한 것이었다(Zhang et al., 2016). 본 연구 대상의 옥덩굴은 자연 개체군에서 성숙한 개체가 쉽게 관찰되지 않고 있으며(Choi et al., 2000; Hwang et al., 2003), 실내 배양에서 20℃와 25℃에서 일정한 시간이 경과한 후에 성숙한다고 알려져 있어 유성생식에 의한 대발생은 어려울 것으로 판단된다. 하지만, 국내에서 아열대 지표종으로 알려진 옥덩굴의 포복지, 직립지, 혹은 말단 가지 절편은 상처회복, 그리고 새로운 포복지와 직립지 형성 및 착생을 위한 가근 생장이 빠른 것으로 확인됨으로써 향후 야외개체군의 생물량 증대와 지리적 분포 지역 확대에 많은 관심과 연구가 필요할 것으로 생각된다.