Morphological and Molecular Identification of Two Macrourid Species (Gadiformes) Collected by the Korean Observer from the Southern Ocean

남극해에서 한국 옵서버에 의해 채집된 민태과(대구목) 어류 2종의 형태 및 분자동정

Abstract

We investigated the molecular and morphological traits of 338 individual macrourids collected from the Southern Ocean (FAO area number, 88.1 and 88.3) between 2021 and 2022 by Korean bottom trawls. We first identified them as Macrourus caml and Macrourus whitsoni based on morphological traits, such as the number of pelvic fin rays (PF) and the rows of lower jaw teeth (LJT). However four individuals showed uncategorizable morphological characteristics such as PF and LJT numbers that overlapped between the two species. Subsequently, we obtained and analyzed 509 bp of the mtDNA COI sequences of 49 individuals, including the four unidentified individuals, and found only one single nucleotide polymorphism (SNP) that distinguished the two species. Finally, using our molecular identification key, we confirmed that each two individuals were misidentified as M. whitsoni and M. caml reversely. Our results suggest that the number of PF and LJT should be investigated together to accurately identify the two species.

서론

민태과(Macrouridae) 어류는 전세계적으로 29속 378종(Fricke et al., 2022), 일본에는 18속 76종(Nakayama, 2020), 한국에는 3속 8종만이 알려져 있다(MABIK, 2022). 민태과 어류는 전세계의 200–2,000 m의 심해에 서식하는 반저서성 어종으로, 아래턱 선단부의 수염, 후방으로 채찍처럼 가늘어지는 꼬리, 후방으로 길게 뻗은 뒷지느러미와 제2등지느러미, 그리고 꼬리지느러미의 부재 등의 형태적 특징을 보인다(Froese and Pauly, 2022). 민태과 어류를 대상으로 분류학적 연구(Smith et al., 2011; Mcmillan et al., 2012; Nakayama, 2020), 생태나 군집에 관한 연구(Merrett, 1986; Loeb et al., 1993; O'driscoll et al., 2012; Pinkerton et al., 2013; Ainley and Pauly, 2014; Gregory et al., 2017; Seong et al., 2021) 등이 수행된 바 있다. Mcmillan et al. (2012)은 남극해역에서 기존에 널리 알려진 Macrourus carinatus 안에서 새롭게 Macrourus caml 1신종을 보고하였다. 남극해 저연승 어업의 목표종은 비막치어(=파타고니아이빨고기류, Dissostichus mawsoni, Dissostichus eleginoides)로 알려져 있지만, 그 외 Pleurogramma antarcticum, Lepidonotothen squamifrons 등이 부수적으로 어획되며, 민태과 어류 역시 부수 어획물에서 차지하는 비중이 크다(NIFS, 2015). 또한, Ainley and Pauly (2013)에 의하면 남극해역에서 목표종인 비막치어가 감소한 이유를 남획과 함께 민태과 어류의 부수어획과의 연관성을 주장하였다. 이후 실제 비막치어의 위내용물 분석을 통해 그들의 주 먹이가 민태과 어류임이 증명된 바 있어 먹이생물로도 중요한 역할을 차지하는 것을 알 수 있다(Seong et al., 2021). 한편, 민태과 어류는 일부 식용으로 이용되는 Coryphaenoides rupestris, Macrourus spp.을 제외하면 대부분 선상에서 폐기되고 있다(Nakayama, 2020).

우리나라 원양어선이 남극해역에서 부수어획하는 민태과 어류는 전장 0.5–1 m 범위이며 남극해양생물보존위원회(Commission for the Conservation of Antarctic Marine Living Resources)에 부수어획종에 대한 정확한 분류 정보를 제공하여야 한다. 이를 위해, 국제옵서버들이 현장에서 민태과 어류를 빠르고 정확하게 분류할 수 있도록 실제 표본에 근거한 면밀한 분석과 현장에서 적용가능한 형태 분류키의 제공이 절실하다. 따라서, 본 연구는 우리나라 원양어선이 남극해역에서 직접 어획한 민태과 어류를 대상으로 형태 분류키(Mcmillan et al., 2012)에 따라 분류하고, 애매한 경우에는 분자 마커로 확인하여 선상에서 민태과 어류의 형태분류 시 주의사항을 제안하고자 한다.

재료 및 방법

본 연구에서 사용된 민태과 어류는 2021–2022년에 남극해역의 Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO)에서 설정한 88.1 및 88.3 해구에서 우리나라 원양어선이 부수어획한 338개체를 대상으로 형태 및 분자 분석을 수행하였다. Mcmillan et al. (2012)이 제안한 형태 분류키를 참고하여 배지느러미 연조수가 8개이면 M. caml, 9개면 M. whitsoni로 1차 분류하였다. 이후, 아래턱 이빨 열수가 다열이면 M. caml, 1열이면 M. whitsoni로 분류하였다. 분자분석을 위해 각 개체의 근육조직에서 Chelex 100 resin (Bio-rad, Hercules, CA, USA)을 이용하여 total DNA를 추출하였다. 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)은 미토콘드리아DNA cytochrome c oxidase subunit I (mtDNA COI) 영역을 대상으로 실시하였으며, Folmer et al. (1994)가 제작한 LCO1490 (5′- GGT CAA CAA ATC ATA AAG ATA TTG G -3′)와 HC02198 (5′- TAA ACT TCA GGG TGA CCA AAA AAT CA -3′) primer를 이용하여 다음과 같은 조건에서 PCR을 수행하였다[Initial denaturation 94°C에서 60초; PCR reaction 35 cycles (denaturation 94°C에서 60초, annealing 57°C에서 90초, extension 72°C에서 60초); final extension 72°C에서 5분]. 염기서열은 ABI PRISM 3730XL analyzer (96 capillary type; Applied Biosystems, Waltham, MA, USA)에서 ABI BigDye (R) Terminator v3.1 cycle sequencing kits (Applied Biosystems)을 이용하여 얻었다. 염기서열 정렬은 BioEdit version 7 (Hall, 1999)의 Clustal W (Thompson et al., 1994)을 이용하였으며, 유전거리는 MEGA X (Kumar et al., 2018)의 Kimura 2-parameter 모델(Kimura, 1980)을 이용하여 계산하였다. 종간 유연관계를 나타내기 위하여 근린결합수(neighbor-joining tree)를 작성하였으며 bootstrap은 1,000번 수행하였다. 분석한 민태과 49개체의 염기서열은 NCBI (National Center for Biotechnology Information) database에 등록하였다(Table 1).

Table 1. Macrourus spp. information used in this study

NCBI, National Center for Biotechnology Information.

결과 및 고찰

형태분석

남극해역에서 확보한 338개체의 민태과 어류를 1차 분류한 결과, 배지느러미 연조수가 8개인 개체는 249개체로 M. caml로 분류하였으며, 배지느러미 연조수가 9개인 개체는 89개체로 M. whitsoni로 분류하였다. 이어서 아래턱 이빨 열수를 기준으로 2차 분류한 결과, 배지느러미 연조수가 8개인 개체 중 아래턱 이빨 열수가 다열인 개체는 245개체로 M. caml로 확정지었으나, 1열을 가진 2개체는 M. cf. caml로 처리하였다. 또한, 배지느러미가 8개이면서 이빨이 훼손되어 동정이 애매한 2개체는 Macrourus sp.로 처리하였다. 한편, 배지느러미 연조수가 9개인 개체 중 아래턱 이빨 열수가 1열인 개체는 82개체로 M.whitsoni로 확정지었으나, 다열인 7개체는 M. cf. whitsoni로 처리하였다(Fig. 1).

Fig. 1. Photos of pelvic fin rays (A, B) and lower jaw teeth (C, D). A, Macrourus caml with 8 pelvic fin rays; B, M. whitsoni with 9 pelvic fin rays; C, lower jaw teeth for M. caml with 2-5 rows; D, M. whitsoni with 1 row.

분자분석

남극해역에서 채집된 민태과 어류 49개체의 미토콘드리아 DNA COI 염기서열 509 bp를 확보하여 NCBI에 등록된 Macrourus속과 비교한 결과, 35개체는 M. caml과 14개체는 M. whitsoni와 유집되었다. M. caml과 M. whitsoni는 분석된 COI 509 bp에서 단 1개의 염기 차이를 나타내어 가장 가까운 유연관계를 보였다. 분자분석 결과 형태분석에서 애매했던 M. cf. caml 2개체는 M. whitsoni로, M. cf. whitsoni 1 개체는 M. caml로 재동정되었다. 아래턱 손상으로 확인 불가했던 Macrourus sp. 2개체는 분자분석 결과, M. caml로 재동정되었다. 한편, 남극해역에 분포하는 동속의 M. holotrachys (JF265101.1, JF265100.1, JF265099.1)와는 1.0–1.2 % 차이를 보였고, M. carinatus (JF265084.1, JF265083.1, JF265082.1) 와는 2.2–2.4% 차이를 나타내었다(Fig. 2).

Fig. 2. Neighbor joining tree showing the relationship among four Macrourus spp. collected from the Southern Ocean, based on 509 bp mt DNA COI sequences. Numbers in node indicate bootstrap values. Parentheses and superscripts indicate voucher number and NCBI registration number, respectively.

형태와 분자 비교

본 연구는 남극해역의 88.1 및 88.3 해구에서 부수어획한 민태과 어류 338개체를 대상으로 형태분석을, 49개체를 대상으로 분자분석을 수행하였으며, 그 결과를 McMillan et al. (2012)의 결과와 비교 분석하였다. McMillan et al. (2012)은 배지느러미 연조수가 주로 9개(드물게 10개), 아래턱 이빨 열수가 1열인 경우를 M. whitsoni로 정의하였다. 반면, 배지느러미 연조수가 주로 8개(드물게 7, 9개), 아래턱 이빨 열수가 다열인 경우를 M. caml로 정의하였다. 본 연구에서 형태 및 분자 분석을 병행한 결과, 첫번째 분류형질인 배지느러미 연조수로 분류했을 때 M. caml은 0.8%의 오동정율을, M. whitsoni는 8.5%의 오동정율을 보였다. 이는 McMillan et al. (2012)이 배지느러미 연조수가 주로 8개면 M. caml, 주로 9개면 M. whitsoni로 제시한 것과 비교했을 때 M. whitsoni가 8개의 배지느러미를 가질 확률이 높기 때문에 가능한 아래턱 이빨 열수를 함께 비교할 필요가 있다. 또한, 분자분석 결과에서는 형태분석에서 M. cf. caml, M. cf. whitsoni로 처리된 개체들이 각각 M. whitsoni, M. caml로 확인되었다. 분자분석 결과를 통해 앞서 분류학적으로 애매했던 개체들을 정확히 동정할 수 있었으며, 이 또한 하나가 아닌 여러 형태형질을 이용하여 분류하여야 함을 뒷받침해 주는 것이다. 본 연구에서는 아래턱 이빨 열수를 1차 분류형질로 제시하지 않았는데, 민태과 어류가 저연승어업에서 대부분 턱이 훼손되어 어획되기 때문에 이빨 열수로 동정하기에 애매한 경우가 많았기 때문이다. 따라서, 명확한 분류를 위해 배지느러미를 1차 분류형질로 제시하였고 아래턱 이빨 열수를 2차 분류형질로 제시하였다(Fig. 3).

Fig. 3. Illustrative identification key of two species of Macrouridae in Antarctic waters.

분자분석 결과, M. caml과 M. whitsoni 사이에 1개의 SNP (single nucleotide polymorphism)가 확인되었다. SNP는 분류, 생태 및 보존생물학에서 개체, 개체군 및 종을 구분하는 매우 유용한 정보로 간주된다(Drywa et al., 2014). 비록 두 종간에 1개의 SNP를 보였지만, 동속의 다른 종간에 유전거리가 1–2% 수준임을 고려할때 두종을 별종으로 보는 것은 타당해 보인다. 두종이 별종으로 구분은 되나 종간 유전 차이가 거의 없는 것은 서식처의 환경 특성 때문으로 사료된다. 지금까지 Macrourus속에 보고된 5종 중 4종이 남극해역의 수심 깊은 바닥 근처에서 서식하였으며, 이곳은 낮은 수온, 높은 수압, 이용 가능한 먹이가 거의 없는 점에서 매우 열악하다(Morita, 1999). 또한, 심해에 사는 생물들은 운동능력의 감소와 함께 먹이공급이 제대로 이루어지지 않아 신진대사 또한 현저히 낮다(Childress, 1995). 따라서, 이러한 극한 환경에 서식하는 Macrourus속 내 종간 유전거리가 0.6–2.2%로 매우 작기 때문에 유전 분화 속도가 매우 느리게 진행될 가능성을 배제할 수 없다. 특히 본 연구에서 M. caml과 M. whitsoni는 형태적으로 매우 가까울 뿐 아니라 COI에서도 1개의 염기 차이를 보여 매우 최근에 종분화가 이루어졌을 가능성이 높다. 두 종의 서식처가 일부 중복되는 점에서 향후 microsatellite 영역의 추가 분석을 통해 종간 유전적 교류 정도를 명확히 할 필요가 있다.