담수순화 감성돔 Acanthopagrus schlegelii schlegelii의 번식생리학적 특성

Abstract

본 연구는 장기간 담수순화 사육한 감성돔(담수감성돔)의 번식생리학적 특성을 알아보기 위하여 성장, 생식소발달, 성 스테로이드호르몬 변화 및 번식기간에 산소소비 패턴을 해수사육 감성돔(해수감성돔)과 비교하였다. 또한 담수감성돔이 담수에서 정상적으로 번식이 가능하지를 알아보기 위하여 정액특성 및 정자운동 개시요인을 파악하였다. 아울러 담수감성돔의 종 보존 차원에서 냉동보존 조건별 정자활성을 평가하고, 종묘생산을 위한 담수감성돔 정자의 수정능력을 조사하였다.

1. 담수순화 감성돔의 성장, 생식소발달 및 성 스테로이드호르몬 변화 장기간 담수에서 사육한 담수감성돔의 전장, 체고 및 체중을 1년간 측정한 결과, 해수감성돔과 차이가 없었다. 번식기간에 해수감성돔의 생식소중량지수(gonadosomatic index, GSI)는 2～3월에 증가하여 3～4월에 감소하는 경향을 보였으나, 담수감성돔은 2월에 GSI가 최고값을 보인 후 3월부터 감소하는 경향을 보였다. 해수감성돔의 생식소발달은 2～3월 성숙기, 3～6월 완숙 및 방정기, 7월 이후에 퇴화 및 휴지기의 조직상을 보였으나, 담수감성돔은 2월 이전부터 성숙기, 2～5월 완숙 및 방정기, 6월 이후에 퇴화 및 휴지기의 조직상을 보였다. 혈중 cortisol은 담수 및 해수감성돔 모두 3월에 높았으며, 혈중 testosterone은 담수감성돔은 2월에 해수감성돔은 3월에 높았다. 혈중 estradiol-17β는 담수 및 해수감성돔 모두 번식기간에 차이를 보이지 않았다. 혈중 11-ketotestosterone은 담수 및 해수감성돔 모두 4월에 높았다. 이상의 결과로, 담수 및 해수감성돔의 성장은 차이가 없으나, 생식주기는 담수감성돔이 해수감성돔보다 최소 1개월 이상 빨랐다. 이것은 해수감성돔보다 삼투압조절에 소비되는 에너지가 적을 것으로 여겨지는 담수감성돔이 여분의 에너지를 생식소의 성장, 발달 및 성숙에 관여하여 생식주기를 앞당긴 것으로 추정된다.

2. 번식기간에 있어서 담수순화 감성돔의 산소소비 번식기간에 담수 및 해수감성돔의 산소소비량은 15℃에서 각각 165.4±11.0, 77.6±8.0 mg O2/kg/h, 20℃에서 186.2±13.1, 133.4±6.7 mg O2/kg/h, 25℃에서 267.9±19.1, 198.6±8.3 mg O2/kg/h였다. 비번식기간에 담수 및 해수감성돔의 산소소비량은 15℃에서 각각 174.0±7.0, 85.6±5.5 mg O2/kg/h, 20℃에서 200.6±11.1, 119.2±8.7 mg O2/kg/h, 25℃에서 271.1±7.5, 194.7±16.7 mg O2/kg/h로 번식 및 비번식기간 모두 담수감성돔이 해수감성돔보다 산소소비량을 많았다. 또한 수온상승과 비례하여 산소소비량은 증가하였으며, 각각의 수온에서 번식 및 비번식기간에 따른 담수 및 해수감성돔 산소소비량은 차이가 없었다. 번식 및 비번식기간의 담수 및 해수감성돔은 광조건에 따른 뚜렷한 산소소비 일주리듬 보였으며, 암기보다 명기에서 산소소소비량이 많았다. 특히 담수감성돔은 번식기간의 명기에서 수온을 상승시키는 시간뿐만 아니라 암기에서 명기로 전환 후에서 산소소비량이 급격히 증가하였다. 이는 담수감성돔이 번식시기에 빛에 대해 민감하게 반응하는 것으로 판단되며, 빛이 성 스테로이드호르몬 분비에도 기폭제 역할을 함으로써 이에 소요되는 에너지가 급격한 산소소비 증가로 나타난 것이라 추측된다.

3. 담수순화 감성돔의 정액특성 및 정자운동 개시요인 담수 및 해수감성돔 정장의 Na+, K+, Cl-, Mg2+, Ca2+, total protein, glucose 농도 및 pH는 차이를 보이지 않았으며, 모두 일반적인 해수어류 범위의 속하였다. 그러나 담수 및 해수감성돔 정장의 삼투질농도는 각각 307.0±4.6, 337.3±10.1 mOsm/kg로 담수감성돔이 해수감성돔보다 낮았다. 또한 해수감성돔 정장의 삼투질농도는 해수어류, 담수감성돔 정장의 삼투질농도는 담수어류의 삼투질농도 범위에 속하였다. 염분에 따른 담수 및 해수감성돔 정자 모두 0 psu에서는 정자운동성이 관찰되지 않았으나, 10 psu에서 낮은 정자운동성과 짧은 정자운동지속시간을 보였다. 그러나 20, 32 psu에서 높은 정자운동성과 5분 이상의 정자운동지속시간을 보였다. 이온조성에 따른 담수 및 해수감성돔 정자의 운동성을 측정한 결과 이온의 종류에 상관없이 삼투질농도가 인공해수(956 mOsm/kg)와 비슷한 각각의 이온농도에서 정자활성이 높았다. 이상의 결과로, 감성돔 어미의 사육수 염분변화는 정액의 화학적 특성에는 영향을 미치나, 정자의 활성에는 영향을 미치지 않았다. 또한 장기간 담수에서 사육한 감성돔으로부터 방출된 정자라 할지라도 정자운동 개시요인은 삼투질농도에 의해 이루어지는 것으로 판단된다.

4. 담수순화 감성돔 정자의 냉동보존 조건별 활성평가 담수감성돔 냉동/해동 정자의 생존율이 가장 높았던 결빙억제제(cryprotective agent, CPA)는 dimethyl sulfoxide (DMSO) 이었으며, 다음으로 glycerol, ethylene glycol (EG) 그리고 methanol 순이었다. 정자운동성이 가장 높았던 CPA는 glycerol 이었으며, 다음으로 DMSO, EG 그리고 methanol 순이었다. 이와 같은 결과는 해수감성돔 냉동/해동 정자에서도 같은 결과를 보였다. 담수 및 해수감성돔 정자의 냉동보존시 적정 CPA는 DMSO와 glycerol였으며, 생존율과 정자운동성이 가장 높았던 적정 농도는 모두 10%였다. 특히 10% DMSO로 냉동보존한 담수 및 해수감성돔 해동정자의 생존율과 정자운동성은 10% glycerol로 냉동보존한 해동정자 보다 높게 나타났다. 냉동보존기간에 따른 담수 및 해수감성돔 해동정자의 생존율과 정자운동성을 측정한 결과, 대부분 보존기간이 길어질수록 감소하였으며, CPA의 농도가 높을수록 생존율과 정자운동성은 급격히 감소하였다. 그러나 5% DMSO로 냉동보존한 해동정자의 생존율 및 정자운동성은 차이는 보이지 않았다.

5. 담수순화 감성돔 정자의 수정능력 담수 및 해수감성돔 냉동정액을 이용하여 해수감성돔 알과 인공수정시킨 결과, 해수감성돔 비냉동정액과 알로 인공수정시킨 것보다 수정률은 낮았지만, 모두 90%이상의 높은 수정률을 보였다. 염분별(0, 10, 20 및 32 psu) 수정란의 발생을 관찰한 결과, 0 psu에서는 수정 후 3시간 내에(16 세포기) 모두 폐사하였으나, 10, 20 psu는 32 psu와 동일한 발생과정 및 발생속도를 보였다. 하지만 저염분(10, 20 psu)에서는 기형이 관찰되었으며, 기형발생의 원인은 삼투압충격에 의한 것으로 판단된다. 또한 수정란의 부화까지 생존율은 32 psu에서는 60% 전후였으나, 저염분(10, 20 psu)에서는 모두 0%로 삼투압충격이 수정란의 생존율을 감소시키는 주원인인 것으로 판단된다.

Reproductive physiological properties of black porgy Acanthopagrus schlegelii schlegelii acclimated and raised in freshwater (BFW) for long time were studied by comparing its growth, gonad development, changes of sex steroid hormones and patterns of oxygen consumption during the breeding period for this species with those of black porgy raised in seawater (BSW). In addition, semen properties and sperm motility of male BFW were investigated when the fish reached sexually mature stage in freshwater to find out its capability of normal reproduction. Using the sperm obtained from male BFW, conditions of cryopreservation and the ability of fertilizing eggs were also investigated.

1. Growth, gonad development and sex steroid hormone change of black porgy acclimated in freshwater Total length, body height and body weight of BFW were measured for 1 year, and none of them showed significant differences compared with those of BSW. Gonadosomatic index (GSI) of BSW during the breeding period for this species increased from February to March and decreased from March to April, while that of BFW was highest in February and decreased from March. Gonad of BSW showed maturation stage in February and March, ripe and spent stage in March and June, and degeneration and resting stage from July, while gonad of BFW entered maturation stage before February, and showed ripe and spent stage from February to May and degeneration and resting stage from June. Plasma cortisol, in both BSW and BFW, showed the highest in March. For plasma testosterone, BSW and BFW showed the highest in March and February, respectively. For plasma estradiol-17β, BFW and BSW showed significant difference during the breeding period. For plasma 11-ketotestosterone, both BFW and BSW showed the highest level in April. These indicate that BFW and BSW do not differ in growth, but that reproductive cycle of BFW could be at least 1 month faster than that of BSW. This seems attributable to less energy spent on osmo-regulation in BFW than in BSW, which leads extra energy to be involved in growth, development, and maturity of gonad, and thus results in advanced reproduction.

2. Oxygen consumption pattern of breeding period in black porgy acclimated in freshwater Oxygen consumption (OC) of BFW and BSW during the breeding period were 165.4±11.0, 77.6±8.0 mg O2/kg/h at 15℃, 86.2±13.1, 133.4±6.7 mg O2/kg/h at 20℃ and 267.9±19.1, 198.6±8.3 mg O2/kg/h at 25℃, respectively. OC of BFW and BSW during the non-breeding period were 174.0±7.0, 85.6±5.5 mg O2/kg/h at 15℃, 200.6±11.1, 119.2±8.7 mg O2/kg/h at 20℃ and 271.1±7.5, 194.7±16.7 mg O2/kg/h at 25℃, respectively. Thus, OC of BFW was more than BSW both for non-breeding and breeding period. Also, OC increased in proportion to water temperature, and there was no difference of OC between BFW and BSW at each water temperature during the breeding or non-breeding period. OC of BFW and BSW showed clear circadian rhythms on photic conditions of breeding and non-breeding period, and fish consumed more oxygen for the dark phase than for the light phase. In particular, OC of BFW during the breeding period increased more sharply compared to non-breeding period when the increase of water temperature was accompanied by the shift from dark to light phase. This implies that they react to light more sensitively for breeding period than for non-breeding period.

3. Semen properties and factors activating sperm motility in black porgy acclimated in freshwater No significant difference in seminal plasma Na+, K+, Cl- Mg2+, Ca2+, TP and glucose and pH level was found between BFW and BSW, and all of the levels observed were within the ranges general known in various seawater fishes. However, osmolality in seminal plasma of BFW was 307.0±4.6 mOsm/kg which is significantly lower than and 337.3±10.1 mOsm/kg of BSW. Osmolality of seminal plasma in BSW was similar to that of other seawater fishes whereas osmolality of seminal plasma in BFW was comparable to that of freshwater fishes. Regarding the effect of salinity on sperm motility of BFW and BSW, no sperm motility was observed in 0 psu, but sperm of both BFW and BSW showed low motility and short time post sperm activation in 10 psu. However, sperm of BFW and BSW showed the highest motility and 5-min post sperm activation in 20 and 32 psu. Sperm motility of BFW and BSW were different depending on the osmolality regardless of ion kind and showed the highest value in the similar osmolality of artificial seawater (956 mOsm/㎏). Accordingly, even in sperm released from BFW, factors initiating sperm motility were determined by osmolality. Even in BFW, sperm could not get motility in freshwater environment.

4. Assessment of sperm activity of black porgy acclimated in freshwater on cryopreservation condition Various cryoprotective agents (CPA) were tested to establish the best conditions for the cryopreservation of sperm from BFW. Survival rates of frozen/thawed sperm from BFW were higher in the order of glycerol, ethylene glycol (EG) and methanol. Sperm motility was higher in the order of glycerol, DMSO, EG and methanol. These effects were the same in thawed sperm from BSW. Thus, optimum CPA for sperm cryopreservation of BFW and BSW were DMSO and glycerol where the highest survival rates and sperm motility were found at the concentration of 10%. In particular, the survival rates and motility of thawed sperm from BFW and BSW after cryopreservation using 10% DMSO were better than when cryopreserved using 10% glycerol. On the other hand, for the thawed sperm from both BFW and BSW, the longer the preservation period was, the lower the survival rates and sperm motility were. Notably, the higher the concentration of CPA was, the lower the survival rates and sperm motility were.

5. Fertilization ability of sperms of black porgy acclimated in freshwater Fertilization rates were over 90% when sperm from BFW and BSW were fertilized with eggs from female BSW, although fertilization rates of cryopreserved sperm were significantly lower compared to non-cryopreserved sperm. From the observations of fertilized egg development at different salinities (0, 10, 20 and 32 psu) within 3 hours upon fertilization (16 cell stage), all were dead at 0 psu. However, the development process and speed at 10 and 20 psu were the same as at 32 psu. But, many developing embryos were abnormal at low-salinities of 10 and 20 psu unlike at 32 psu. This is attributable to osmotic shock. Hatching rate of fertilized eggs at 32 psu was 60% or so, whereas no eggs were successfully hatched at 10 and 20 psu, implying that osmotic shock could be responsible for the failure of embryo development.