큰열매모자반, Sargassum macrocarpum의 번식생물학적 연구

Abstract

Sargassum macrocarpum is a perennial species with a lifespan of more than 9 years and is widely inhabited in Korea and Japan. S. macrocarpum population forms canopies to provide habitat and spawning grounds for biological resources. These canopies also play an important ecological role as large-scale high-productivity biomass. In addition, S. macrocarpum extract is recently founded as a marine bioresource that promotes neurite growth and anti-inflammatory effects. Despite its positive health effects, there is limited biological data related to characteristics of S. macrocarpum that hinder the management, protection, as well as ecological and industrial utilization of the diminishing Sargassum population. Therefore, this study aims to provide information on reproductive biological research of Sargassum that can be utilized in Sargassum resource creation and aquaculture technology development. This study investigated an assessment of the ecology and reproductive characteristics of the S. macrocarpum population inhabiting the Jocheon coast of Jeju Island, Korea from April 2018 to October 2020.

1. Morphological classification characteristics of S. macrocarpum S. macrocarpum has conical attachments, erect stems, and several main branches growing from the stem with denticle protuberances on both edges of the main stem. Leaves have serrated or double-serrated whereas the air bladder is spherical or elliptical with mucronate or coronal leaf. While the shape of the female receptacle is flat, it can also be either spatulate or oblanceolate. The male receptacle is linear.

2. Growth pattern and population change of S. macrocarpum The total length and weight of S. macrocarpum were the highest in June (135.3 cm, 2.5 kg wet-wt m-2) of 2018 and May (132.3cm, 3.6 kg wet-wt m-2) of 2019. The lowest values were found in August (water temperature 25.0℃) and September (water temperature 23.5℃) of 2018 at 0.3 kg wet-wt m-2. The average density and biomass of ​​the S. macrocarpum population were 4.6 individuals m-2 and 4.6 kg wet-wt m-2.

3. Reproductive period and resource allocation of S. macrocarpum Based on the evaluation of the growth and reproductive period of S. macrocarpum, the vegetative frond of the S. macrocarpum grew from October (water temperature 20.7℃) to January (water temperature 14.5℃), and reproductive frond grew from February (water temperature 14.1℃) to April (water temperature 16.1℃). Further, the maturation period of the receptacle was from May (water temperature 18℃) to June (water temperature 19.3℃), followed by the reproduction period was from June (water temperature 19.3℃) to July (water temperature 22.9℃). Consequently, the reproductive frond length index (RFLI) and reproductive frond weight index (RFWI) of S. macrocarpum were the highest during the reproduction period in July 2018 (RFLI 54.5, RFWI 62.3) and June 2019 (RFLI 62.3, RFWI 76.4). The maturation for S. macrocarpum is induced at 726.3 ± 105.6℃ days, and the average vegetative allocation index and reproductive allocation index from May 2018 to July 2019 were VAI 63.9 and RAI 36.1, respectively, indicating a high resource allocation for vegetative growth.

4. Reproductive organs formation and maturation characteristics of S. macrocarpum S. macrocarpum is dioecious, and eggs and sperm are produced from the oogonium and antheridium of the conceptacle formed in the receptacle. It is noted that the oogonium and antheridium are created in the wall cells of the conceptacle. Each female conceptacle of S. macrocarpum forms 5 to 6 oogoniums then 1 egg is produced per oogonium. The male conceptacle of S. macrocarpum produces multiple antheridia, which also results in the reproduction of multiple antherozoids. The receptacles of S. macrocarpum are formed in April, and the receptacle growth index (RGI) of the female receptacle gradually increased from RGI 20.85 ± 5.53 in April to RGI 35.70 ± 5.8 in August. As the female receptacles grow, the ratio of width was higher than the ratio of length. However, the male receptacle was high ratio of length as they grow from RGI 4.12 ± 8.55 in April to RGI 10.9 ± 1.50 in August. The number of receptacles per branch of S. macrocarpum was the highest in June at 22.2 ± 3.08 for females and 25.7 ± 1.89 for males. However, the receptacles sharply declined to 2.0 ± 0.82 for females and 3.36 ± 1.12 for males in August. It is also noted that the average number of eggs released from the mature female receptacle was 208.5 ± 32.90 based on a 60% egg release rate. In addition, the maturation of the female receptacle has an average length of 8.9 ± 3.01 mm, a width of 2.7 ± 0.38 mm, and a weight of 9.7 ± 3.69 mg in June. The male receptacle peaked in July with the length of 18.9 ± 5.95 mm, the width of 1.9 ± 0.31 mm, and the weight of 16.0 ± 6.84 mg. After releasing eggs and antherozoids, both female and male receptacles rapidly degenerated and disappeared in August.

5. Gamete release and fertilization in S. macrocarpum The female receptacle of S. macrocarpum released 100% eggs at 3 days in water temperature (WT) 23°C condition, 7 days in WT 20°C, and 9 days in WT 17°C but perished in WT 26°C condition. The egg release rate per receptacle was higher at 89.5% in WT 17℃ condition and 70% in WT 20℃ condition. The female receptacle of S. macrocarpum released 100% at 6 days in 80 µmol photons m-2 s-1 condition and at 8days in 40 µmol photons m-2 s-1 condition. The egg release rate per receptacle was higher at 87.5% in 80 µmol photons m-2 s-1 condition and 85.0% in 40 µmol photons m-2 s-1 condition. The male receptacles of the S. macrocarpum released 100% of the antherozoid at 5 days in all water temperature and irradiance conditions. Both female and male receptacles were able to reproduce and germinate seeds at the water temperature of 23℃, 20℃, and 17℃ with the irradiance of 80 µmol photons m-2 s-1, 40 µmol photons m-2 s-1, or 20 µmol photons m-2 s-1.

6. Embryogenesis and seed development of S. macrocarpum The fertilized egg of S. macrocarpum was 291.7 ± 7.53 μm on the long axis and 238.3 ± 7.53 μm on the short axis and the embryogenesis process takes nearly 48 hours. After the embryo development, the size of seed from the fertilization membrane was 0.32 ± 0.03 mm on the long axis and 0.21 ± 0.03 mm on the short axis, the thallus pole and rhizoid pole of the seed initiated growth. The thallus pole expands in the horizontal direction whereas the rhizoid pole differentiates into holdfast. The primary leaves of the S. macrocarpum seed were formed on the thallus pole to a length of 1.22 ± 0.13 mm on the 10th day of cultivation; the lengths rhizoid were also grown to 0.86 ± 0.07 mm. Secondary leaves were formed on the 36th day of cultivation; the lengths of the thallus pole and rhizoid pole were extended to 3.4 ± 0.32 mm and 1.09 ± 0.18 mm, respectively. After the formation of secondary leaves, the shape of the main axis becomes apparent with the development of the apical meristem and leaf primordium at the apical.

7. Development of S. macrocarpum seeds based on the culture environment The water-temperature-controlled experiment revealed that the length of S. macrocarpum seeds was the longest at 12.29 ± 0.33 mm in WT 23℃ condition and the shortest at 7.84 ± 0.88 mm in WT 14℃ condition. Further, the holdfast hardness rate was 100% after 30 days in WT 26°C and 23°C conditions, 40 days in WT 20°C, 17°C and 14°C conditions. In the irradiance-controlled experiment, the total length of S. macrocarpum seeds was the longest at 12.32 ± 2.17 mm with the irradiance of 80 µmol photons m-2 s-1, and the shortest at with 3.44 ± 0.15 mm with the 10 µmol photons m-2 s-1 (P<0.05). The holdfast hardness rate was 100% after 30 days in irradiance of 80 µmol photons m-2 s-1, 40 days in 40 µmol photons m-2 s-1, and 60 days in 20 µmol photons m-2 s-1 conditions. However, in irradiance of 10 µmol photons m-2 s-1 condition, the rate was 75.84% after 60 days. In the light period-controlled experiment, the longest length of S. macrocarpum seeds was 11.16 ± 0.66 mm under 14L:10D condition. The shortest length was formed under 10L:14D at 8.94 ± 0.38 mm (P<0.05). The holdfast hardness rate was 100% after 30 days under 14L:10D condition and 40 days under 12L:12D and 10L:14D conditions.

8. Seed growth and attach with attachment substrate and environment Based on the water temperature and attachment substrates-controlled research, at 40 days cultivation, the leaf length of S. macrocarpum was 2.52 ± 0.25 mm on the seed line and 5.07 ± 0.25 mm on the basalt in WT 23℃ condition. The leaf length in WT 23℃ condition was higher than 26℃, 20℃, 17℃ and 14℃ conditions (P<0.05). In the attachment rates, the WT 14°C condition on the seed line and the below WT 20°C condition on the basalt was higher than the other conditions (P<0.05). Additionally, the daily growth rates of seed line and basalt in WT 23℃ condition were 5.04% day-1 and 6.89% day-1, respectively. In the irradiance and the attachment substrate-controlled study, at 40 days cultivation, leaf length of S. macrocarpum was 2.60 ± 0.22 mm on the seed line and 6.01 ± 1.77 mm on the basalt in irradiance 80 µmol photons m-2 s-1 condition. The leaf length in 80 µmol photons m-2 s-1 condition was higher than 40, 20 and 10 µmol photons m-2 s-1 conditions (P<0.05). In the attachment rates, the 40 µmol photons m-2 s-1 condition on the seed line and basalt was higher than the other conditions (P<0.05). The daily growth rates seed line and basalt in irradiance 80 µmol photons m-2 s-1 conditions were 5.12% day-1 and 7.35% day-1, respectively. At 40 days cultivation, the leaf lengths of S. macrocarpum based on light period and the attachment substrate were 2.57 ± 0.48 mm in the seed line and 5.0 ± 0.81 mm in the basalt under the 14L:10D of light period. The leaf length in 14L:10D of light period condition was higher (P<0.05). In the seed line, the attachment rates in 12L:10D and 10L:14D of light period conditions were higher (P<0.05). In the basalt, the attachment rates was not significantly different in the all light period conditions. The daily growth rate was 5.09% day-1 for the seed line and 6.86% day-1 for the basalt under 14L:10D condition.

9. Mass production and environmental adaptation characteristics of S. macrocarpum 1) Indoor mass culture using natural seawater and underground seawater Mass cultivation of S. macrocarpum seeds was carried out for 45 days under the natural seawater and underground seawater on the coast of Jeju Island, Korea. The recorded growth rates of S. macrocarpum seeds were 2.89 ± 0.62 mm in natural seawater with a survival rate of 31.9% and 2.19 ± 0.35 mm with a survival rate of 61.56% in underground seawater.

2) Seed growth and outdoor cultivation according to sea depth The leaf length of S. macrocarpum seeds were 5.1 ± 1.9 mm at 1 m in sea depth, 4.8 ± 1.2 mm at 2 m depth, 4.2 ± 1.1 mm at 3m depth, 3.5 ± 0.9 mm at 4m depth, and 3.3 ± 0.8 mm at 5m depth. Subsequently, the survival rates for each study depth were 8.8% (1 m depth), 9.1% (2 m depth), 4.9% (3 m depth), 4.2% (4 m depth), and 4.5% (5 m depth), indicating that the survival rate of S. macrocarpum rises as the sea depth increases. S. macrocarpum seeds were also field cultivated during the study period from November 2018 to July 2019 in the Hwabuk coast of Jeju Island, Korea. The density of field cultivated S. macrocarpum were determined to be reduced from 25.2 ± 5.1 individuals m-1 to 6.7 ± 3.3 individuals m-1 while the thallus growth flourished from 0.4 ± 0.1 mm to 10.5 ± 1.4 cm.

큰열매모자반은 수명이 9년 이상인 다년생 종이고 한국과 일본지역에 광범위하게 분포한다. 큰열매모자반 군락은 수관층을 조성하여 연안 생물자원의 서식지와 산란장을 제공하고, 대규모 바이오매스를 형성하여 생태적으로 매우 중요한 역할을 한다. 최근 큰열매모자반의 추출물은 신경돌기 성장 촉진과 항염증 효과가 알려지면서 새로운 바이오 소재로서 주목받고 있다. 하지만 아직까지 큰열매모자반에 대한 생물학적 특성에 대한 연구 자료는 미비하며, 최근 모자반 군락의 감소와 자원의 보호를 위한 관리가 제대로 이루어지지 않아 큰열매모자반의 생태적·산업적 활용도 어려운 실정이다. 그러므로 이 연구는 큰열매모자반의 번식 생물학적 연구를 기반으로 모자반 자원조성과 양식 기술개발을 위한 기본 정보를 제공하는 것을 목적으로 수행하였다. 이를 위해 2018년 4월부터 2020년 10월까지 제주도 조천 연안에 서식하는 큰열매모자반 군락을 대상으로 생장, 번식 그리고 환경적응 특성을 조사하였다.

1. 큰열매모자반의 형태 분류적 특징 큰열매모자반은 원추형 부착기와 직립하는 줄기 그리고 줄기에서 분지한 여러개의 주지를 가지며, 주지의 양쪽 가장자리에 치상 돌기를 갖는다. 잎은 거치 또는 이중거치를 가지며, 기낭은 구형 또는 타원형으로 돌기나 잎모양의 관상엽을 갖는다. 암생식기탁의 외형은 평평하며 긴 주걱형 또는 도피침형이고 수생식기탁의 외형은 선형이다.

2. 큰열매모자반의 생장패턴과 군집 변화 큰열매모자반 엽장과 엽중량의 연중 최고값은 '18년 6월(수온 20.2℃, 135.3 cm, 2.5 kg wet-wt m-2)과 '19년 5월(수온 18℃, 132.3 cm, 3.6 kg wet-wt m-2)이었고 '18년 8월(수온 25℃)과 9월(수온 23.5℃)이 0.3 kg wet-wt m-2으로 낮았다. 큰열매모자반 군락의 단위면적당 평균밀도는 4.6 individuals m-2이었고, 현존량은 평균 4.6 kg wet-wt m-2이었다. 3. 큰열매모자반의 번식시기와 자원배분 큰열매모자반의 생장과 번식시기 조사 결과, 큰열매모자반의 영양엽은 10월(수온 20.7℃) ~ 1월(수온 14.5℃)에 생장하고, 생식엽은 2월(수온 14.1℃) ~ 4월(수온 16.1℃)에 생장한다. 생식기탁의 성숙기간은 5월(수온 18℃) ~ 6월(수온 19.3℃)이고, 산란 시기는 6월(수온 19.3℃) ~ 7월(수온 22.9℃)이었다. 큰열매모자반의 생식엽장지수(RFLI)와 생식엽중량지수(RFWI)는 산란시기인 '18년 7월(RFLI 54.5, RFWI 62.3)과 '19년 6월(RFLI 62.3 , RFWI 76.4)에 가장 높다. 큰열매모자반 번식을 위한 성숙유효적산온도는 726.3 ± 105.6 ℃ days이고, '18년 5월부터 '19년 7월까지 평균 영양배분지수(VAI)와 생식배분지수(RAI)는 각각 VAI 63.9, RAI 36.1으로 영양성장에 대한 자원배분이 높았다.

4. 큰열매모자반의 생식 큰열매모자반은 자웅이체이며, 난과 정자는 생식기탁에서 생성된 생식기소의 장란기와 장정기에서 만들어지고, 이들은 생식기소의 벽세포에서 발달한다. 큰열매모자반의 암생식기소는 1개당 5 ~ 6개의 장란기를 형성하고, 장란기는 1개의 난(egg)을 포란한다. 큰열매모자반의 수생식기소는 다수의 장정기를 형성하고, 장정기 또한 다수의 정자를 생성한다. 큰열매모자반의 생식기탁은 4월에 형성되었고, 생식기탁 성장지수(RGI)를 조사하였다. 암생식기탁은 4월 RGI 20.85 ± 5.53에서 8월 RGI 35.70 ± 5.80으로 점차 증가하여 성장할수록 길이의 비율보다 폭의 비율이 높아졌다. 수생식기탁은 4월 RGI 4.12 ± 8.55에서 8월 RGI 10.90 ± 1.50으로 길이의 비율이 높았다. 큰열매모자반의 생식기탁 가지당 만들어진 생식기탁의 수는 6월에 암컷 22.20 ± 3.08개와 수컷 25.70 ± 1.89개로 가장 많았고, 8월에 암컷 2.00 ± 0.82개와 수컷 3.36 ± 1.12개로 급격히 감소하였다. 성숙한 암생식기탁의 난 방출 개수는 난 방출율 60% 기준으로 평균 208.50 ± 32.90개를 나타냈다. 생식기탁의 성숙시기를 조사한 결과, 암생식기탁은 6월(길이 8.9 ± 3.01 mm, 폭 2.7 ± 0.38 mm, 중량 9.7 ± 3.69 mg), 그리고 수생식기탁은 7월(길이 18.9 ± 5.95 mm, 폭 1.9 ± 0.31 mm, 중량 16.0 ± 6.84 mg)에 길이와 중량이 가장 높았다. 또한 암·수생식기탁은 난과 정자를 방출한 후 8월에 급격히 퇴화하여 소멸하였다.

5. 큰열매모자반의 배우자 방출과 종자 생산 수온 조건에 따른 배우자 방출 실험 결과, 암생식기탁은 수온 23℃에서 3일, 20℃에서 7일 그리고 17℃에서 9일 후에 100% 난을 방출하였지만, 26℃에서는 폐사하였다. 생식기탁당 방출한 난의 비율은 수온 17℃에서 89.5%, 20℃에서 70.0%로 높았다. 광량에 따른 암생식기탁의 난 방출은 광량 80 µmol photons m-2 s-1에서 6일, 40 µmol photons m-2 s-1에서 8일 후에 100% 난을 방출하였고, 생식기탁당 방출한 난의 비율은 각각 87.5%와 85.0%로 나타났다. 수온과 광량에 따른 큰열매모자반의 수생식기탁은 5일째 모든 수온과 광량에서 100% 정자를 방출하였다. 큰열매모자반의 종자 생산은 수온 23℃, 20℃, 17℃ 조건과 광량 80 µmol photons m-2 s-1, 40 µmol photons m-2 s-1, 20 µmol photons m-2 s-1의 조건에서 이루어졌다.

6. 큰열매모자반의 배 발생과 종자의 발달 큰열매모자반 수정란의 크기는 장경 291.7 ± 7.53 µm, 단경 238.3 ± 7.53 µm이었으며, 배 발생과정의 소요 시간은 약 48시간이었다. 배 발생 종료 후, 수정막에서 나온 종자의 크기는 장경 0.32 ± 0.03 mm, 단경 0.21 ± 0.03 mm이었고, 종자의 엽상극(thallue pole)과 근상극(rhizoid pole)는 생장을 개시하였다. 엽상부는 종축으로 신장하고 근상부는 가근으로 분화하였다. 큰열매모자반 종자의 1차엽은 엽상부에서 배양 10일째 형성하고, 엽상부와 부착부의 길이는 각각 1.22 ± 0.13 mm, 0.86 ± 0.07 mm이었다. 2차엽은 배양 36일째 형성하였고 엽상부와 부착부의 길이는 각각 3.4 ± 0.32 mm, 1.09 ± 0.18 mm이었다. 2차엽 생성후 주축(main axis, stem)은 뚜렷하게 형태를 갖추었고, 정단부에 정단분열조직(apical meristem)과 엽원기(leaf primordium, phyllogen)가 발달하였다.

7. 배양 환경에 따른 큰열매모자반 종자의 발달 수온에 따른 큰열매모자반 종자의 발달을 조사한 결과, 전장은 수온 23℃ 조건에서 12.29 ± 0.33 mm로 가장 길었으며, 14℃에서 7.84 ± 0.88 mm로 가장 짧았다(P<0.05). 가근의 경화율은 수온 26℃와 23℃ 조건에서 30일, 수온 20℃, 17℃, 14℃ 조건에서 40일 이후에 100%이었다. 광량에 따른 큰열매모자반 종자의 전장은 광량 80 µmol photons m-2 s-1조건에서 12.32 ± 2.17 mm로 가장 길었으며, 10 µmol photons m-2 s-1조건에서 3.44 ± 0.15 mm로 가장 짧았다(P<0.05). 가근의 경화율은 광량 80 µmol photons m-2 s-1, 40 µmol photons m-2 s-1, 20 µmol photons m-2 s-1에서 각각 30일, 40일, 60일 이후에 100% 경화하고 광량 10 µmol photons m-2 s-1에서 60일 이후에 75.84%이었다. 광주기에 따른 큰열매모자반 종자의 전장은 14L:10D조건에서 11.16 ± 0.66 mm로 가장 길었고, 10L:14D조건에서 8.94 ± 0.38 mm로 가장 짧았다(P<0.05). 가근의 경화율은 14L:10D에서 30일, 12L:12D와 10L:14D에서 40일에 100%를 나타냈다.

8. 부착기질과 환경에 따른 종자의 생장과 착생 부착기질과 수온에 따른 큰열매모자반의 엽장은 배양 40일 째 수온 23℃조건에서 종사줄 2.52 ± 0.25 mm, 현무암 5.07 ± 0.25 mm으로 26℃, 20℃, 17℃, 14℃조건에 비해 높은 성장을 보였다(P<0.05). 착생률은 종사줄의 경우 수온 14℃조건, 현무암의 경우 수온 20℃이하 조건에서 높은 경향을 보였다(P<0.05). 종사줄과 현무암의 일간생장률은 23℃에서 각각 5.04% day-1, 6.89% day-1이었다. 부착기질과 광량에 따른 큰열매모자반의 엽장은 배양 40일 째 광량 80 µmol photons m-2 s-1에서 종사줄 2.60 ± 0.22 mm, 현무암 6.01 ± 1.77 mm으로 40, 20, 10 µmol photons m-2 s-1 조건에 비해 높은 성장을 보였다(P<0.05). 착생률은 종사줄과 현무암 모두에서 광량 40 µmol photons m-2 s-1 조건이 높았다(P<0.05). 종사줄과 현무암의 일간생장률은 80 µmol photons m-2 s-1에서 종사줄 5.12% day-1, 현무암 7.35% day-1이었다. 부착기질과 광주기에 따른 큰열매모자반의 엽장은 배양 후 40일째 광주기 14L:10D에서 종사줄 2.57 ± 0.48 mm, 현무암 5.00 ± 0.81 mm으로 가장 높은 값을 보였다(P<0.05). 착생률은 종사줄의 경우 12L:12D와 10L:14D조건에서 높았으나(P<0.05), 현무암의 경우 광주기 조건에서 유의적 차이가 없었다. 종사줄과 현무암의 일간생장률은 14L:10D에서 종사줄 5.09% day-1, 현무암 6.86% day-1이었다.

9. 큰열매모자반의 대량 생산과 환경적응 특성 1) 자연 해수와 지하 해수를 이용한 실내 대량 배양 제주연안 자연 해수와 지하 해수를 이용한 실내 대량 배양 실험 결과, 큰열매모자반 종자의 생장은 자연 해수에서 2.89 ± 0.62 mm, 지하 해수에서 2.19 ± 0.35 mm 이었고 생존율은 자연해수 31.90%, 지하해수 61.56%이었다.

2) 바다 수심에 따른 종자의 생장과 야외양성 바다 수심에 따른 큰열매모자반 종자의 생장과 생존율을 조사한 결과, 수심 1m에서 종자의 전장은 5.1 ± 1.9 mm, 수심 5 m에서 3.3 ± 0.8 mm으로 수심이 낮을수록 종자의 생장이 높았다. 생존율은 수심 1 m에서 8.8%, 수심 5 m에서 4.5%로 수심이 깊을수록 높았다. 큰열매모자반을 '18년 11월부터 '19년 7월까지 야외 양성한 결과, 종자의 밀도는 25.2 ± 5.1 individuals m-1에서 6.7 ± 3.3 individuals m-1으로 감소하였고, 엽체의 생장은 0.4 ± 0.1 cm에서 10.5 ± 1.4 cm로 신장하였다.