Phylogeny and taxonomic revision of the family Myxinidae (Myxiniformes) in the Northwest Pacific, with population genetics of Eptatretus burgeri

Abstract

꾀장어과 어류는 척추동물에 있어 분류학적으로 매우 중요한 위치를 차지하고 있기 때문에 진화역사나 유연관계를 연구하기 위한 주요 학술적 가치가 있는 분류군이다. 현재 전 세계적으로 3아과 6속(혹은 7속) 81종이 보고되어 있고, 이 중 절반 이상이 북서태평양 해역(한국, 일본, 대만, 베트남 등)에 서식하는 것으로 알려져 있으나 우리나라에는 단지 두 종만(Eptatretus burgeri, Paramyxine atami)이 보고되어 있다. 주로 수심이 깊은 저서(대륙붕이나 대륙사면)지역에서 가장 흔하게 발견되지만, 일부 종(예, 먹장어)의 경우에는 연안의 얕은 수심대에 서식하기도 한다. 꾀장어과 어류의 몸은 뱀장어와과 같이 얇고 긴 형태를 가지고 1-16쌍의 아가미 주머니(새낭)와 아가미 구멍(새공)을 가지나 턱, 눈, 지느러미는 없다. 이들은 상대적으로 단순한 형태적 형질을 가지고 종간 매우 유사하기 때문에 종 동정에 어려움이 있으며, 설치수(혓바닥 이빨)나 도출새관 길이와 같은 해부학적 형태도 유용한 분류학적 형질로 적용되고 있다. 꾀장어과 어류에 대한 계통발생학적 관계와 진화역사를 밝히기 위해 여러 연구가 수행되어왔으며, 최근에는 분자적 접근이 활발해짐에 따라 신종이나 잠재종이 많이 발견되고 있다. 그러나, 이들의 분류학적 위치는 여전히 해결되지 않은 문제들이 남아있다. 또한, 분포가 매우 국소적이고 심해에 서식하는 생태적 특성 때문에 샘플링이 제한되기 때문에 연구에 사용 가능한 표본의 수가 부족한 경우가 많다. 이에 따라 많은 표본 개체와 장기간의 모니터링을 필요로 하는 생활사, 연령, 생태, 섭이 등과 같은 생태 및 생식생물학적 연구는 상대적으로 매우 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구는 꾀장어과 어류에 대한 분류학적 위치를 명확히 규명하기 위하여 한국을 포함한 일본, 대만, 중국 등 북서태평양 해역에 서식하는 종을 대상으로 이들의 형태, 유전 및 생물학적인 연구를 진행하였으며, 나아가 이들의 생식생태학적 연구와 지리학적 변이를 연구함으로써 자원의 체계적인 관리와 보전을 위한 과학적인 정보를 구축하고자 하였다. 꾀장어과 어류 중 일부 종들은 가죽이나 식용으로 많이 이용되고 있어 상업적으로 중요한 경제적 가치가 있는 어류이다. 1960년 이후부터 ‘꼼장어’에 대한 수요가 증가하면서 어획량이 급격히 증가하였으나 지속적인 소비에 따른 자원량 감소로 인해, 현재는 국내 종만이 아니라 국외에서 많은 양이 수입되어오는 실정이다. 게다가, 국내 꾀장어과 어류는 ‘먹장어(혹은 꼼장어)’라는 명칭을 가진 하나의 자원 단위로 처리되어 어획량 데이터가 혼합되어 관리되기 때문에 지속적인 자원관리와 회복을 위해서라도 이들에 대한 명확한 종 분류와 생식학적 특성(난경, 포란수, 생식소 발달, 산란기 등)에 대한 연구가 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 국내 꾀장어과 어류를 대상으로 종별 생식기관의 비교해부학적 연구를 진행하였다. 그 결과, 국내에는 2종, Eptatretus burgeri와 E. walkeri가 주요 상업어종임을 확인하였으며, 암수 모두 먹장어가 E. walkeri보다 더 큰 최대 체장을 나타내었고, 상대적으로 먹장어가 더 많은 개체수 비율을 나타냈다. 먹장어가 E. walkeri보다 평균 난경(E. burgeri는 21.6 mm vs. E. walkeri는 16.0 mm)과 포란수(E. burgeri는 85개 vs. E. walkeri는 67개)에서 더 높은 값을 나타냈다. 먹장어는 우리나라, 일본, 대만 등을 포함한 북서태평양해역에 걸쳐 상대적으로 널리 분포하는 종이지만 지리학적 분포에 걸친 집단 구조나 유전적 다양성에 대해 알려진 바는 없다. 이들은 유생시기가 없고 포란수가 상대적으로 매우 적으며 이동성이 없는 독특한 생식 특성을 가지고 있기 때문에, 종, 아종, 집단 수준에서의 유전적 다양성의 정도가 다를지도 모른다. 따라서 본 연구에서는 북서태평양 해역에 분포하는 먹장어의 유전적 집단구조가 어떻게 존재하는지, 만약 그렇다면 유전적 다양성이 어떻게 나타나는지 알아보고자 하였다. 우리나라 3지역과 일본 3지역의 먹장어의 미토콘드리아 DNA 3개 영역(523 bp in COI, 940 bp in ND5 and 617 bp in Cytb)을 근거로 집단 유전 구조를 분석하였다. 그 결과, 뚜렷한 유전적 차이와 지리적 분포를 보이는 두 계통군을 나타냈다(K2P distance=1.1–1.6%, FST=0.83781, p<.0001). 두 계통군의 분화시기는 약 890,000에서 610,000년으로 추정하였고, 확장시기는 lineage A는 약 181,651년 전, lineage B는 약 16,119년 전으로 추정되며, 이들은 물리적 환경요인(예, 염분)이나 생태적인 요인(예, 수심, 기질선호도 등)의 많은 영향을 받았을 것으로 생각된다. 또한, 먹장어(E. burgeri)의 분자 및 형태학적 연구 결과는 아종의 존재 가능성을 보여준다. 이러한 발견은 종 보존에 주요한 의미를 가지며 북서태평양 해역의 먹장어에 자원량 관리에 있어 진화적으로 의미있는 단위(ESU, Evolutionary Significant Unit)로 지정하여 체계적인 관리가 필요할 것으로 생각된다. 슈퍼매트릭스 방법은 형태와 분자기반 분류간의 충돌을 해결하기 위한 대안으로 계통분류학적 연구에 적용되어왔다. 꾀장어과 어류의 Eptatretinae아과는 속 수준에서 Eptatretus속과 Paramyxine속의 분류학적 위치에 대한 문제에 대한 연구가 활발히 진행되었고, 최근 Fernholm et al. (2013)이 미토콘드리아 DNA 2개 영역에 근거한 분자계통학적 연구를 통하여 Paramyxine속은 Eptatretus속의 동속이명으로 처리하여 여러 학자들이 이를 따르고 있다. 그러나, 여전히 두 속 간의 형태와 분자결과에서 상이한 부분이 명확히 해석되지 못하고 있으며, Paramyxine속의 모식종인 P. atami에 대한 고찰이나 꾀장어과 어류의 형태학적 형질에 대한 검증이 부족하다고 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 형태와 분자적 형질을 조합한 슈퍼매트릭스 방법을 통해 이들의 분류학적 위치를 재검토하였다. 그 결과, P. atami를 포함한 모든 Paramxine속 어류는 Eptatretus속 내에 위치함으로써 단계통성을 지지하지는 못하였고, Eptatretinae아과는 단계통성을 나타내어 현재의 분류체계를 잘 지지해주었다. Rubicundinae아과는 Eptatretinae아과의 자매그룹으로 보여지고, Myxininae아과의 Neomyxine속은 모든 꾀장어과 어류의 가장 기저에 위치함으로써 Myxininae아과의 단계통성을 지지하지 못해 현재 분류체계와는 상이한 결과를 보였으며, 새로운 아과의 가능성을 보여준다. 게다가, Myxininae아과 내 Myxine속은 두 개의 계군을 나타냈으며, Notomyxine속은 Myxine속 내에 위치하였고 유전거리에서도 속간 거리보다 속내 거리가 더 큰 차이를 나타냄으로써 Notomyxine속이 Myxine속의 동속이명일 가능성에 대해 면밀한 검토가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구에서는 북서태평양에 서식하는 꾀장어과 어류에 대하여 앞의 분자결과와 형태학적 분석을 근거로 재검토를 진행하였다. 기존에 Eptatretinae아과 내 Paramyxine속과 Eptatretus속을 구분하는 도출새관의 길이는 진단형질로는 유용하지 않으나 진화적으로 Eptatretus속 내 종간 분류학적으로 유의미한 형질임은 명확하다. 먹장어의 경우, 위의 집단 연구의 결과에서 언급한 바와 같이 북서태평양해역에 두 개의 분리된 집단이 존재함을 밝혔으며 이들은 체색, 점액공수, 설치수 등에서 유의한 차이를 나타내어 2아종(E. burgeri burgeri, E. burgeri pacificum subsp.)으로 판단된다. 게다가, 국내 묵꾀장어라고 알려진 E. atami를 면밀히 검토한 결과 융합설치수와 유전결과에서 모두 E. walkeri로 확인되었고 분포지역에서도 명확한 차이를 나타냈다(E. atami는 일본의 태평양 해역 vs. E. walkeri는 우리나라 남해와 동해). 또한, 최근 베트남과 일본 해역에서 채집된 Eptatretus속 어류 2 신종(Eptatretus vietnamensis sp., Eptatretus macrops sp.)은 설치수, 점액공수, 체색 등과 같은 형태형질이나 유전적으로 동 속의 종들과 명확히 구분되었다. 마지막으로, 2 신종 및 1 신아과를 포함한 북서태평양에 서식하는 꾀장어과 어류 4아과 5속 44종에 대한 종 검색표를 제공한다.

Hagfishes consist of 6 genera and 81 species and one of the valid commercial resources in the world with fisheries for the hagfish-skin industry and also for food. Hagfish studies have been performed only a brief morphological description in Korea and there has been also little to no information of the biology including growth rate, reproductive biology, life span, and larval size at hatching. We found two distinct species (Eptatretus burgeri and E. walkeri) occurring in Korean waters and we examined the morphometrics and the reproductive biology of both species including: length-weight relationships, sex ratios, fecundity, egg diameter, and size-at-gonadal development. Two species showed similar developing eggs. The fecundity of two species increased with total length. The diameter and fecundity of eggs showed a few differences in both species. The fecundity and egg diameter of E. burgeri is higher than E. walkeri (85 and 67, 21.6 mm and 16.0 mm, respectively) and also the eggs covered with shell were observed in the gonad of E. walkeri collected in early April than E. burgeri (herein August). The detailed anatomical data may provide important information to reveal the reproductive relationship between congeneric species. Also, it is clear that E. walkeri, like E. burgeri, are potentially vulnerable to overexploitation based on the egg diameter, the number of eggs per female, the proportion of the population that contains large eggs, and the number of sampling. Therefore, it necessary that the Korean hagfish species should be managed as distinct resource units in the hagfish fisheries of the coast of Korea. The inshore hagfish, Eptatretus burgeri, is one of the most important hagfishes in the fisheries industry in the Northwest Pacific (NWP). A substantial number have been harvested from Korean and Japanese waters in recent decades. To conserve its stocks and develop a sustainable commercial fishery, an information base is needed to clarify its genetic diversity. We estimated the genetic structure of E. burgeri using the combined mitochondrial DNA sequences (523 bp in COI, 940 bp in ND5 and 617 bp in Cytb) of fish collected from six locations in Korean and Japanese waters. Neighbor-joining (NJ) and Bayesian inference (BI) tree analyses showed significant separation into two groups with high levels of mtDNA divergence and clear phylogeographical patterns of genetic structuring. The two groups evolved via fragmentation and their divergence was likely driven by environmental factors, namely regional geomorphic events. We inferred the timing of population size expansions, which differed across groups, and found evidence for a relatively recent and rapid expansion of E. burgeri in Korean and Japanese waters. E. burgeri should be regularly managed to conserve resources in Korean and Japanese waters. Supermatrix can be an alternative method for resolving the conflict between morphology- and molecules-based classifications. The classification of hagfish species has long been challenged due to the extreme similarities in their external morphologies. The subfamily Eptatretinae currently has several unresolved issues concerning the taxonomic status of recognized genera (e.g., Eptatretus and Paramyxine). Changing concepts of traditional generic boundaries based on morphology also have contributed to this instability. Despite recent advances in molecular systematics, many aspects of myxinid taxonomy remain poorly understood, particularly at the genus and subfamily levels. To clarify the validity of the two genera (Paramyxine and Notomyxine) and two subfamilies (Rubicundinae and Myxininae), we performed a novel approach “supermatrix” in reconstructing large phylogenies from combining morphological (16 characters) and mtDNA data (mtDNA 16S rRNA+COI) and ncDNA data (ncDNA 18S rRNA+28S rRNA). Our method may be of major significance in the reassignment of hagfishes. Our findings revealed new conclusions for four questions in taxonomy of hagfishes. The monophyly of genus Paramyxine was not supported that the genus recovered as paraphyletic and sister to Eptatretus group. The taxonomic position of genus Rubicundus (subfamily Rubicundinae) was recovered as sister to the remaining Eptatretinae. Subfamily Myxininae shown as paraphyletic group. Genus Notomyxine was considered as synonym of genus Myxine. The genus Neomyxine+Nemamyxine clade was considered as ancestral group of the remaining hagfishes. Therefore, we newly propose Neomyxininae subfam.n. Additionally, two new species of Eptatretus are identified by morphological and molecular evidences.