한국의 기구해파리목과 근구해파리목의 다양성 연구

Abstract

해파리는 젤라틴성 몸체로 되어 부유생활을 하는 자포동물문 해파리강의 생물로, 부유생활을 하는 메두사형과 고착생활을 하는 폴립의 형태로 서식한다. 젤라틴성 몸체가 쉽게 부서지고, 형태 변이와 지역 집단의 색깔변이가 크고 복잡한 생활사를 지니기에, 형태 형질로 해파리 종을 동정하는데 한계가 있다. 본 연구의 제 1장에서 우리나라에 출현하는 해파리강 기구해파리목에 속하는 해파리 6종-유령해파리(Cyanea nozakii), 커튼원양해파리(Chrysaora pacifica), 야광원양해파리 (Pelagia noctiluca), 보름달물해파리(Aurelia coerulea), 두빛보름달물해파리(Aurelia limbata), 유리햇살해파리(Parumbrosa polylobata)와 근구해파리목에 속하는 해파리 2종 -노무라입깃해파리(Nemopilema nomurai)와 기수식용해파리(Rhopilema esculentum)를 형태학적으로 분류하였다. 제 2장에서는 1장에서 형태학적으로 분류된 한국에 출현하는 8종의 해파리의 핵유전자와 미토콘드리아 유전자를 분석하여 종을 재확인하였으며, 자포동물문내의 분자계통학적 위치를 연구하였다. 핵유전자내의 18S와 28S, 미토콘드리아내의 COI (cytochrome oxidase I)과 16S를 이용한 계통수를 그렸을 때, 자포동물문내의 산호충강, 해파리강, 입방해파리강, 히드라충강은 단계군으로 나타난 반면에, 산호충강내의 기구해파리목은 근구해파리목 측면에서 측계군으로 나타났다. 또한, 유령해파리속, 야광원양해파리속, 보름달해파리 속내의 한국의 출현종과 세계의 다른 해역에 분포하는 종들과의 유전적인 거리를 비교하였다. 한국의 유령해파리(Cyanea nozakii)의 핵내의 ITS1 rDNA를 분석하였을때, 태평양의 유령해파리(AB377551~4)는 유전적으로 0.252-0.289 거리가 존재하였고, 중국 요동반도의 유령해파리(KR338969)와는 유전적으로 0.004 차이가 났다. 미토콘드리아 COI 유전자를 비교하였을때, 한국의 유령해파리는 중국의 유령해파리(JQ353735, JX845350)와 0.000-0.001 차이가 존재하였고, 중국과 한국의 유령해파리는 같은 지역 그룹 종으로 여겨진다. 야광원양해파리(Pelagia noctiluca)는 세계 전역에 분포하는 종생 부유생활하는 종이다. 핵내의 ITS1 rDNA의 염기서열을 분석하였을때, 우리나라 개체와 지중해와 북서 대서양 집단은 유전적으로 0.000-0.008 차이가 났다. 반면에, 북동 대서양과 북서 대서양의 야광원양해파리의 미토콘드리아 16S rDNA의 유전적인 차이는 0.033, 한국과 북동 대서양 집단은 0.030, 한국과 북서 대서양 집단은 0.019-0.033 유전적으로 차이가 났다. 반면에 야광원양해파리의 각각의 지역별 집단내의 유전적으로 0.000-0.005 차이가 났다. 이번 연구에서 처음으로 야광원양해파리의 16S 미토콘드리아 유전자를 이용하여, 북동 대서양, 북서 대서양, 한국의 지역 개체군을 구별하였다. 한국에는 Aurelia 속내에 온대종인 보름달물해파리(Aurelia coerulea)와 냉수종인 두빛보름달해파리(Aurelia limbata)가 서식하고 있다. 핵내의 ITS1-5.8S-ITS2-28S 유전자를 분석 하였을 때, 한국 강릉의 두빛보름달해파리는 일본 홋가이도 개체(AY935215)와 0.006 차이가 났다. 반면에 미국 카쳐막만 개체(AY935211)와는 0.073 차이가 났다. 미토콘드리아 16S rDNA를 이용하였을 때, 한국 강릉, 캐나다(JX393254)와 일본(AB720914)의 두빛보름달물해파리는 유전적으로 동일하였다. 하지만, 북미의 극지방(AF461403)에 서식하는 두빛보름달물해파리와는 유전적으로 0.088의 거리가 존재하였기에, 극지방에 2종 이상의 보름달해파리 속내의 종이 존재하는 것으로 여겨진다. 제 3장에서는 동북아시아지역에 자생하고 있는 대형 해파리인 노무라입깃해파리의 한국 지역별 개체군의 유전적 구조를 분석하였다. 노무라입깃해파리의 매해의 최초 출현기록과, 체장조성으로 구별한 연급군 분석에서, 황해 북부 개체군과 동중국해 북부 개체군은 분리되어 있는 것으로 여겨진다. 동중국해 북부와 황해 중앙부의 노무라입깃해파리의 개체군의 유전적 다양성이 가장 높은 반면에, 인천 연안과 황해 북부지역 개체군의 유전적 다양성이 가장 낮았다. 하지만, 동중국해와 황해중앙부 개체군과 인천과 황해 북부 개체군은 유의한 유전적인 차이가 없었고, 지역별 개체군이 분화되지 않았다. 노무라입깃해파리 지역별 개체군의 2007, 8, 9, 10년의 유전자형 조성을 비교하였을 때, 동중국해 북부 지역 개체군은 매년 유전적 조성이 일정한 반면에, 황해 남부 지역 개체군의 유전적 조성은 매년 유의하게 변화하였다. 동중국해 북부지역의 노무라입깃해파리 개체군이 유전적으로 가장 다양하고, 안정적인 유전적 구조를 지니고 있는 것으로 여겨진다. 기수식용해파리는 세계에서 경제적으로 가장 가치있는 식용 해파리 종으로, 중국 발해, 요동만, 산둥반도, 동중국해와 한국의 강화와 무안지역에 서식한다고 알려져 있다. 제 4장에서는 한국의 강화지역 기수식용해파리 개체군과 무안지역 개체군의 유전적 구조를 비교 연구하였다. 기수식용해파리 미토콘드리아 유전자 분석결과, 강화 개체군은 2015년과 2017년 모두 유전적 다양성이 매우 높았고, 무안 개체군은 유전적 다양성이 매우 낮았다. 강화와 무안의 기수식용해파리 개체군은 지리적으로 분리되어 있으나, 유전적으로 연결되어 있었다. 기수식용해파리 강화 개체군은 무안 개체군에 비해 유전적으로 다양하고, 그 지역에서 오랜기간 정착하여, 광염, 광온의 환경에 적응하고, 유전적으로 분화되어 있는 것으로 여겨지며, 무안 개체군은 정착한 시기가 짧은 것으로 여겨지며, 유전적으로 단순한 개체군을 유지하고 있었다. 해파리는 부유형과 고착형 생활사를 거치는데, 부유형 성체는 이동성이 좋고 유전적 교류가 있는 유성생식을 하는 반면에, 고착형 폴립은 이동과 확산이 제한적이고, 무성 생식으로 증식한다. 해파리의 유전적 분화는 해파리의 내재적인 생활사와 해양에서의 해류나 바람의 영향을 많이 받는것으로 여겨진다. 야광원양해파리는 종생부유생활을 하면서 이동성이 크기에 동종이 세계 전역에 분포하고 있으며, 노무라입깃해파리는 동북아시아내에서 1000km 이상을 이동하여, 집단간의 유전적 교류가 활발하다. 반면에 보름달해파리 속과 유령해파리 속의 해파리는 분포지역이 제한적이며, 이러한 해파리의 환경적, 생태적 특성이 지역 종으로 분화하는데 영향을 미친 것으로 여겨진다.

Jellyfish are floating animals with gelatinous bodies in the class Scyphozoa in the phylum Cnidaria and have alternating life-stages between benthic polyp and floating medusa. The morphological identification of jellyfish species is difficult due to their fragile gelatinous bodies, morphological and color variation of regional groups, and complex life histories. In chapter I, 6 semaeostomean species (Cyanea nozakii, Chrysaora pacifica, Pelagia noctiluca, Aurelia coerulea, Aurelia limbata, Parumbrosa polylobata) and 2 rhizostomean species (Nemopilema nomurai, and Rhopilema esculentum) recorded from Korean waters were morphologically described. In chapter II, molecular identification using nuclear and mitochondrial DNA was used to reduce the ambiguity of morphological identifications and phylogenetic position of Korean species in orders Semaeostomeae and Rhizosotmeae were analyzed. Phylogenetic analyses based on nuclear 18S and 28S rDNA and mitochondrial COI (cytochrome oxidase I) and 16S rDNA of classes Anthozoa, Scyphozoa, Cubozoa, and Hydrozoa within phylum Cnidaria supported monophyletic classes of Cubozoa, Hydrozoa, and Scyphozoa. However, order Semaeostomeae is paraphyletic to order Rhizostomeae within class Scyphozoa. Moreover, congeneric species in genus Cyanea, Pelagia and Aurelia were genetically compared with specimens of other areas in the world. Pairwise sequence distances (PSD) of ITS1 rDNA revealed that sequences of C. nozakii specimens in Korea were genetically different from C. nozakii in the Pacific (AB377551~4, PSD 0.252–0.289), and C. nozakii in Liaodong bay, China (KR338969.1, PSD 0.004). Using COI mtDNA, C. nozakii specimens in Korea were also genetically different (PSD 0.000–0.001) from C. nozakii from China (JQ353735, JX845350). Therefore, C. nozakii in Korean waters and in Chinese waters might be from the same regional group. P. noctiluca are holo-planktonic and distributed worldwide. Based on nuclear ITS1 rDNA, pairwise sequence differences between Mediterranean, North West (NW) Atlantic, and Korean groups was low (PSD 0.000-0.008). However, using 16S mitochondrial DNA, pairwise sequence differences between regional groups of P. noctiluca, North East (NE) and NW Atlantic groups (0.033), Korean and NE Atlantic groups (0.030), and Korean and NW Atlantic groups (0.019-0.033) were genetically different. Within each region, P. noctiluca were genetically different 0.000–0.005. This study is the first to define NE Atlantic, NW Atlantic, and Korean regional groups using 16S mitochondrial DNA. Two Aurelia species – warm water species A. coerulea and cold-water species A. limbata inhabit Korean waters. Pairwise genetic distances from nuclear ITS1 to 28S rDNA revealed that A. limbata in Gangneung, Korea were genetically 0.006 different from A. limbata in Hokkaido, Japan (AY935215); and 0.073 different from A. limbata from Kachemak Bay, USA (AY935211). Using 16S mtDNA, A. limbata in Gangneung were 0.000 identical with A. limbata in Canada (JX393254) and Japan (AB720914), but 0.088 different from A. limbata (AF461403) in North America. Therefore, I suggest that there might be more than two species of Aurelia around polar region. In chapter III, giant jellyfish, N. nomurai, endemic species in North East Asian waters, were analyzed to examine the genetic structure of Korean regional groups of them. Based on previous records of first appearance at every year and a cohort analysis based on bell diameter, it was hypothesized that N. nomurai in the northern Yellow Sea represent a distinct group from those found in the northern East China Sea. I found that the genetic diversity of N. nomurai was highest in the regions around the north East China Sea and in the center of the Yellow Sea, and was lowest around the northern Yellow Sea and Incheon. However, the genetic differentiation and distances between N. nomurai groups in the Incheon-northern Yellow Sea and those in the East China Sea and in the center of the Yellow Sea were not significantly different. The genetic structure of N. nomurai in the center of the Yellow Sea were changed annually, however, the genetic structure of N. nomurai in East China Sea appears to remain relatively constant. There might be large bloom source of N. nomurai in East China Sea. R. esculentum are the most economically important species of edible jellyfish in the world, and have been reported from the Bohai Sea (Liaodong Bay), western (Shandong Peninsula, China) and eastern Yellow Sea (Gangwha and Muan, Korea), and East China Sea. In Korean waters, R. esculentum tends to show two geographical groups: Gangwha and Muan in the Korean western coastal area. In chapter IV, I compared the genetic structure of R. esculentum in Gangwha and Muan to reveal the extent of connectivity between the two regional groups. The genetic diversity of jellyfish around Ganghwa was higher than that at Muan in both 2015 and 2017. The populations in the Ganghwa and Muan regions were genetically linked, despite their geographic separation. Simple genetic structure of R. esculentum in Muan might be related with recent settlement at stable environmental condition in Muan. By contrast, the jellyfish population in the Ganghwa region showed high genetic diversity, suggesting it had been evolving over a long time at euryhaline and eurythernal environment influenced by Han River. Jellyfish have metagenetic life histories: some have benthic and medusa phases (meroplanktonic), and others lack the benthic phase (holoplanktonic). Jellyfish in the benthic phase have low dispersibility; however, jellyfish in the medusa phase can disperse to long distances in the open sea. The oceanographic and life-history characteristics of jellyfish are responsible for the natural genetic structuring of their populations.

GENERAL INTRODUCTION Global warming, environmental pollution, construction of coastal structures, and overfishing have been recognized as causes of jellyfish blooms all over the world (Arai, 2001; Graham, 2001; Uye et al., 2006; Purcell et al, 2007; Brodeur et al, 2008). In Korean waters, there has been a massive increase in the occurrence of the moon jellyfish, Aurelia coerulea, since the 1990s, and of the giant jellyfish, Nemopilema nomurai, since 2003 (Chung et al., 2012; Yoon et al., 2014). Mass occurrences of jellyfish and stinging by nematocysts cause socio-economic and ecological damage in the form of accidental deaths of swimmers from stinging, decrease in the value of fish products, delays in fishing time, damage of fishing gears, blocking of nuclear plants, and competition with fish as plankton feeders, all over the world (Arai, 2001; Purcell et al., 2007; Kim et al., 2012). On the contrary, jellyfish are used as food and medicine, and are important to carbon cycling in the oceans, and as prey items for fish and turtles (Doyle et al., 2014; Omori and Nakano, 2001; Houghton et al., 2006; Lee et al., 2017). Jellyfish, generally called floating animals with gelatinous bodies, are systematically composed of the classes Scyphozoa, Hydrozoa, and Cubozoa, comprising all classes under the phylum Cnidaria, except class Anthozoa. Approximately 200 species of the class Scyphozoa (Mianzan and Cornelius, 1999), 3000 species of the class Hydrozoa (Schuchert, 1998), and 9000 species of the class Anthozoa (Brusca and Brusca, 2003) are recorded in the phylum Cnidaria. In Korean waters, 130 anthozoan species (Song, 2004), 40 hydrozoan species (Park, 1988; 1990; 1991; 1992; 1993; 1994; 1995; 1996; 1997; 1998a; 1998b; 1999; 2000; 2001; 2002; 2003; 2004; 2007; 2008; 2009; Park and Rho, 1986; Park and Song, 2000) and 8 scyphozoan species (Park, 2000; 2002; Park and Chang, 2006; Ullah et al., 2015; Chang et al., 2016) and one cubozoan species (Chae et al., 2017) were recorded. Although the number of species in class Scyphozoa is smaller than those of the others, class Scyphozoa includes several socio-economically important and conspicuous species in the world, like moon jellyfish (Aurelia sp.), lion’s mane (Cyanea sp.), sea nettle (Chrysaora sp.), giant jellyfish (N. nomurai) and edible jellyfish (Rhopilema sp.). Despite their importance, the morphological identification of jellyfish species is difficult due to their fragile gelatinous bodies, morphological and color variations in the regional groups, and complex life histories. Accurate classification of jellyfish species is important for research on their taxonomy, origin, physiology and ecology (Bayha et al., 2017). In chapter I, the jellyfish species, Cyanea nozakii, Chrysaora pacifica, Pelagia noctiluca, Aurelia coeruluea, Aurelia limbata, Parumbrosa polylobata, belonging to the order Semaeostomeae and Nemopilema nomurai, Rhopilema esculentum belonging to the order Rhizostomeae, class Scyphozoa, were morphologically identified. In chapter II, molecular identification using nuclear and mitochondrial DNA was performed to reduce the ambiguity of morphological identifications and phylogenetic position of Korean species in orders Semaeostomeae and Rhizosotmeae were analyzed. Moreover, congeneric species in genus Cyanea, Pelagia and Aurelia were genetically compared with in Korean waters and other areas in the world. In chapter III-IV, two rhizostomean species, N. nomurai and R. esculentum, which are endemic to the East Asian waters, were studied to compare their regional genetic structures in Korean waters.