물고기 DNA 바코드

Fish DNA barcoding
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DNA 바코드
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DNA 바코드 • 메타바코드
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기타

물고기의 DNA 바코드법은 게놈의 선택된 영역 내에서 DNA 서열을 기반으로 물고기 그룹을 식별하는 데 사용된다. 이 방법들은 환경 DNA(eDNA)나 세포의 형태로, 유전 물질인 어류를 연구하는데 사용될 수 있다. 이를 통해 연구자들은 물 샘플을 채취하고, 샘플에서 DNA를 추출하고, 관심 종에 특정된 DNA 시퀀스를 분리함으로써 물 속에 존재하는 종을 식별할 수 있다.[1] 바코딩 방법은 또한 바이오모니터링과 식품안전성 검증, 동물 식이요법 평가, 먹이 그물 및 종 분포 평가, 침습성 종의 검출에도 사용될 수 있다.[1]

어류 연구에서 바코드는 전통적인 샘플링 방법의 대안으로 사용될 수 있다. 바코드 방식은 종종 연구된 동물에게 손상 없이 정보를 제공할 수 있다.[2]

수생 환경은 유기체의 유전 물질이 어떻게 분포하는지에 영향을 미치는 독특한 성질을 가지고 있다. 디엔에이 물질은 수생 환경에서 빠르게 확산되어 특정 지점을 샘플링할 때 넓은 면적에서 유기체를 검출할 수 있다.[1] 수중 환경에서 DNA의 급속한 저하로 인해, 검출된 종은 과거의 교란 신호 없이, 현대의 존재를 나타낸다.[3]

DNA 기반 식별은 생명 단계와 종에 걸친 그 특성화에 있어서 빠르고, 신뢰할 수 있으며, 정확하다.[4] 참조 라이브러리는 바코드 시퀀스를 단일 종에 연결하는 데 사용되며, DNA 샘플에 존재하는 종을 식별하는 데 사용될 수 있다. 참조 시퀀스 라이브러리는 애벌레 단계와 같은 형태학적 모호성의 경우 종을 식별하는 데도 유용하다.[4]

물 관리에 eDNA 샘플과 바코드 방식이 활용되는데, 종 구성 방식이 생태계 건강 지표로 활용될 수 있기 때문이다.[5] 바코딩과 메타바코딩 방법은 동물을 잡거나 해치지 않고 종을 탐지할 수 있기 때문에 멸종 위기에 처하거나 이해하기 어려운 물고기를 연구하는 데 특히 유용하다.[6]

적용들

생태 모니터링

수생태계의 생물역조화는 국가 및 국제법(예: 수계기본지침 및 해양전략기본지침)에 의해 요구된다. 전통적인 방법은 시간이 많이 걸리고 희귀하거나 보호되는 종의 개인을 해칠 수 있는 파괴적인 관행을 포함한다. DNA 바코드는 어종 수생 환경을 식별하는 비교적 비용 효율적이고 빠른 방법이다. 주요 어종의 유무에 대해서는 물 시료에서 eDNA를 이용하여 확립할 수 있으며, 어종의 주별 분포(예: 산란 시기 및 위치)를 연구할 수 있다. 이것은 예를 들어 댐 건설과 같은 물리적 장벽의 영향과 다른 인간 장애 등을 발견하는 데 도움이 될 수 있다. DNA 도구는 물고기의 식이 연구와 수생식용 거미줄 구축에도 사용된다. 물고기 내장 또는 대변의 메타바코딩은 최근에 소비된 먹이 종을 식별한다. 그러나 이차적 포식도 고려해야 한다.[7]

침습종

조기 발견은 비토착적이고 생태학적으로 해로운 종(예: 대서양과 카리브해의 사자 물고기(Pteroissp))의 통제와 제거에 필수적이다. eDNA의 메타바코딩은 수생태계의 암호종이나 침입종을 탐지하는 데 사용될 수 있다.[8]

어업경영

바코딩과 메타베이스코딩 접근법은 어업 자원의 모집, 생태학 및 지리적 범위에 대한 엄격하고 광범위한 데이터를 산출한다. 이 방법들은 또한 양식장과 산란장에 대한 지식을 향상시켜 어업 관리에 대한 혜택을 준다. 전통적인 어업 평가 방법은 질넷 샘플링이나 트롤링과 같이 파괴력이 매우 높을 수 있다. 분자법은 비침습적 샘플링에 대한 대안을 제공한다. 예를 들어 바코딩과 메타바코딩은 표현형 문자를 통한 식별보다 신뢰성이 입증되었기 때문에 어 알을 종에 식별하는 데 도움을 줄 수 있어 재고 평가를 위한 신뢰성 있는 데이터를 확보할 수 있다. 바코딩과 메타바코딩은 어업 쿼터 모니터링과 by-catch에서도 강력한 도구다.[9]

eDNA는 시간적 분포뿐만 아니라 일부 무채색종의 풍부함을 탐지하고 수량화할 수 있다. 이 접근방식은 상업 어업에서 특히 중요한 적절한 관리 방안을 개발하는 데 사용될 수 있다.[10][11]

식품안전

식품 공급망의 세계화는 어류 기반 제품의 원산지와 안전성에 대한 불확실성을 증가시켰다. 바코드는 제품의 라벨 표시를 검증하고 원산지를 추적하는 데 사용될 수 있다. "어류 사기"가 전세계에서 발견되었다.[12][13] 뉴욕주 슈퍼마켓의 최근 연구에 따르면, 식별 가능한 바코드가 부착된 해산물 구매의 26.92%가 라벨을 잘못 표시했다고 한다.[14]

바코딩은 또한 물고기의 소비와 관련된 인간의 건강상의 위험이 있을 수 있기 때문에 물고기 종을 추적할 수 있다. 게다가, 바이오톡신은 독소가 먹이 사슬 위로 이동할 때 가끔 집중될 수 있다. 한 예는 산호초 종과 관련이 있는데, 산호초와 같은 포식 물고기가 씨구아테라 어류 독감의 원인이 되는 것이 발견되었다. 이러한 새로운 생선 중독 연관성은 생선 바코드를 사용함으로써 감지될 수 있다.

몰수된 상어 지느러미

멸종위기종 보호

바코딩은 CITES 등재 종들의 불법거래 예방을 통해 멸종위기종 보존에 활용될 수 있다. 수족관, 애완동물 거래 등 어류 기반 상품에 대한 암시장이 크게 형성돼 있다. 상어를 과다 증식으로부터 보호하기 위해 상어 지느러미 수프와 전통 약품 바코드를 통해 불법 사용을 적발할 수 있다.[15]

방법론

수생 환경에서의 샘플링

eDNA 샘플 수집

수생 환경은 어류 eDNA 메타코딩을 위한 샘플링 시 고려해야 할 특별한 속성이 있다. 해수 샘플링은 해양 생태계의 건강과 생물 다양성의 평가에 특히 관심이 있다. 해수에서 eDNA의 분산이 크고 염도가 DNA 보존에 부정적인 영향을 미치지만, 물 샘플은 샘플링 후 1주일까지 물고기의 많은 양의 eDNA를 포함할 수 있다. 자유 분자, 장내 안감, 피부 세포 파편이 어류 eDNA의 주요 공급원이다.[16]

해양 환경과 비교해 볼 때, 연못은 eDNA 탐지를 바꿀 수 있는 생물학적, 화학적 특성을 가지고 있다. 다른 수역에 비해 작은 크기의 연못은 자외선에 노출되고 온도와 pH의 변화 등 환경조건에 더욱 민감하게 반응한다. 이러한 요인들은 eDNA의 양에 영향을 미칠 수 있다. 더욱이 연못 주변의 나무와 울창한 초목은 바람에 의한 물의 순환을 막는 장벽을 나타낸다. 이러한 장벽은 또한 eDNA 무결성을 손상시키는 화학 물질의 축적을 촉진할 수 있다.[17] 연못에서의 이질적인 eDNA 분포는 물고기의 검출에 영향을 미칠 수 있다. 물고기 eDNA의 가용성은 또한 삶의 단계, 활동, 계절성 및 행동에 따라 달라진다. 가장 많은 양의 eDNA는 산란, 애벌레 단계, 번식 활동에서 얻는다.[18]

대상 지역

프라이머 디자인은 메타코딩 성공에 필수적이다. 프라이머 개발에 관한 일부 연구에서는 사이토크롬 B와 16S를 물고기 메타바코딩에 적합한 대상 영역으로 묘사했다. 에반스 et.al. (2016)은 Ac16S와 L2513/H2714 프라이머 세트가 서로 다른 중간합체에서 어종을 정확하게 검출할 수 있다고 설명했다.[19] 발렌티니 et.al. (2016)의 또 다른 연구는 12S rRNA 로쿠스 영역을 증폭시키는 L1848/H1913 프라이머 쌍이 짧은 표적 파편으로도 높은 분류학적 적용범위와 차별에 도달할 수 있다는 것을 보여주었다. 이 연구는 또한 샘플링 사이트의 89%에서 메타스코딩 접근법이 전통적인 방법(예: 전기 어업과 그물망 방법)과 비슷하거나 심지어 더 높다는 것을 증명했다.[20] 헨플링 et.al. (2016년)은 12S_F1/12S_R1과 CytB_L14841/CytB_H15149 프라이머 쌍을 이용하여 호수 어류 공동체를 중심으로 메타바코딩 실험을 실시했는데, 그 대상은 각각 미토콘드리아 12S와 사이토크롬 B 지역에 있었다. 그 결과는 12S 프라이머를 사용할 때 CytB보다 어종의 검출이 더 높았다는 것을 보여준다. 이는 더 큰 CytB 앰플리콘(약 460bp)에 비해 짧은 12S 파편(약 100bp)이 지속됐기 때문이다.[21] 일반적으로 이러한 연구는 프라이머 설계와 선택에 관한 특별한 고려사항이 실험의 목적과 특성에 따라 취해져야 한다는 것을 요약한다.

어류 참조 데이터베이스

전 세계 연구자들이 이용할 수 있는 수많은 개방형 액세스 데이터베이스가 있다. DNA 바코드 방식으로 어류 표본을 적절히 식별하는 것은 이용 가능한 시퀀스 데이터베이스의 품질과 종 범위에 크게 의존한다. 어류 참조 데이터베이스는 일반적으로 검사된 어류 표본의 DNA 바코드, 이미지 및 지리공간 좌표를 포함하는 전자 데이터베이스다. 데이터베이스는 또한 바우처 표본에 대한 링크, 종 분포에 대한 정보, 명명법, 권위 있는 분류법 정보, 부수적인 자연사 정보 및 문헌 인용문 등을 포함할 수 있다. 참조 데이터베이스는 커리어를 할 수 있다. 즉, 항목이 포함되기 전에 전문가 평가를 받거나 커리어를 하지 않은 경우, 많은 수의 참조 시퀀스를 포함할 수 있지만 종에 대한 신뢰도는 떨어진다.

피시-볼

2005년 출범한 피쉬 바코드 오브 라이프 이니셔티브(The Fish Barcode of Life Initiative, Fish-BOL) www.fishbol.org은 모든 어종을 대상으로 표준화된 참조 DNA 시퀀스 라이브러리를 조립하고 있는 국제 연구 협업이다.[22] 그것은 모든 어종의 분자 식별을 돕기 위해 큐레이션된 참조 시퀀스 라이브러리에 표준화된 DNA 바코드 시퀀스와 관련 바우처 증명 데이터를 수집하고 조립하는 것을 목표로 하는 연합된 글로벌 연구 프로젝트다.[23]

연구자들이 FIH-BOL 참조 라이브러리에 기여하고자 하는 경우, 시료채취, 영상화, 보존, 보관, 메타 데이터 수집 및 제출 프로토콜에 대한 명확한 지침이 제공된다.[24] Fish-BOL 데이터베이스는 Barcode of Life Data Systems(BOLD)의 포털로 기능한다.

프랑스령 폴리네시아 물고기 바코딩 베이스

프랑스령 폴리네시아 어류 바코딩 데이터베이스에는 2006년부터 프랑스령 폴리네시아 군도에서 CRIOBE(Centre for Island Research and Environmental Observatory)가 주관하거나 참여한 여러 차례의 현장학습 중에 포착된 모든 표본이 수록되어 있다. 각 분류 표본에 대해 다음과 같은 정보를 이용할 수 있다: 과학적 이름, 그림, 날짜, GPS 좌표, 포획 깊이 및 방법, 크기, 시토크롬 산화효소 c 서브유닛 1(CO1) DNA 시퀀스. 데이터베이스는 이름(유전자 또는 종) 또는 CO1 DNA 서열의 일부를 사용하여 검색할 수 있다.

아쿠아젠

몇몇 독일 기관들에 의해 개발된 협업 제품인 아쿠아젠은 해양 어종의 통제된 유전 정보에 대한 자유로운 접근을 제공한다. 데이터베이스는 DNA 시퀀스 비교에 의한 종별 식별을 허용한다. 모든 종은 여러 개의 유전자 서열로 특징지어지는데, 현재 CYTB, MYH6 및 (곧 출시) RHOD와 함께 표준 CO1 바코드 유전자를 포함하고 있어 밀접하게 연관된 종이나 특정 내 다양성이 높은 종에 대해서도 모호하지 않은 종 결정을 용이하게 한다. 유전자 데이터는 디지털 이미지, 바우처 번호, 지리적 원산지 등 샘플 시료의 추가 데이터로 온라인에서 보완된다.

추가 자원

더 일반적이지만 생선 바코드에 유용할 수 있는 다른 참조 데이터베이스는 바코드 오브 라이프 데이터시스템과 젠뱅크다.

이점

바코딩/메타바코딩은 빠르고 일반적으로 신뢰할 수 있는 종 식별을 제공하며, 이는 형태학적 식별, 즉 분류학 전문지식이 필요하지 않다는 것을 의미한다. 메타바코딩은 또한 유기체가 퇴화되거나[25] 유기체의 일부만 이용할 수 있을 때 종을 식별하는 것을 가능하게 한다. 그것은 희귀종이나 침습종의 탐지를 위한 강력한 도구로, 적은 풍요에도 불구하고 탐지가 가능하다. 어류의 다양성,[6] 풍부함 및 밀도를 평가하는 전통적인 방법에는 그물, 전기 어업 장비,[6] 트롤, 새장, 우리, 파이크 그물 또는 다른 기어와 같은 기어의 사용이 포함되며, 풍부한 종에만 신뢰할 수 있는 존재의 결과를 보여준다. 반대로 희귀한 고유종뿐만 아니라 새로 확립된 외계종도 전통적인 방법을 통해 검출될 가능성이 적어 잘못된 부재/존재 가정으로 이어진다.[6] 바코딩/메타바코딩은 eDNA 또는 생물체 샘플링으로 DNA를 분석할 수 있는 기회를 제공하기 때문에 비침습적 샘플링 방식도 있다.[26][27][28]

물고기 기생충의 경우 메타바코딩은 더 직접적인 방법으로는 어려운 수생환경에서 암호화된 기생충이나 현미경 기생충을 검출할 수 있게 한다(예: 현미경으로 표본에서 종을 식별하는 것). 어떤 기생충은 암호적 변이를 보이며 메타코딩은 이것을 밝히는 데 도움이 될 수 있다.[29]

eDNA 메타코딩의 적용은 대규모 조사나 많은 샘플이 필요할 때 비용 효율적이다. eDNA는 어업, 샘플 운송, 분류학자들이 투자한 시간 등의 비용을 줄일 수 있으며, 대부분의 경우 신뢰할 수 있는 검출에 도달하기 위해서는 대상 종의 DNA의 소량만을 필요로 한다. 기술개발로 인해 바코드/메타바코딩 가격이 지속적으로 하락하는 것도 장점이다.[2][20][30] eDNA 접근법은 접근하기 어려운 환경을 모니터링하는 데도 적합하다.

과제들

메타베이스코딩에서 얻은 결과는 발생 빈도에 제한되거나 편중된다. 모든 종에서 멀리 떨어진 곳에 바코드가 붙어 있는 것도 문제다.[25]

메타스코딩이 기존의 샘플링 방법의 일부 실제적인 한계를 극복할 수 있지만, eDNA 메타스코딩의 적용에 대한 실험 설계와 생물정보학적 기준에 대해서는 여전히 합의가 이루어지지 않고 있다. 기준이 부족한 것은 지금까지 진행된 실험과 연구의 이질성, 다양한 어류 다양성과 다양성, 수생태계의 유형, 표지자 수, 표지자 특이성 등을 다뤘기 때문이다.[30]

이 방법에 대한 또 다른 중요한 난제는 분자 데이터에서 어류의 풍부함을 어떻게 계량화하느냐 하는 것이다. 비록 정량화가 가능했던[31] 몇몇 사례들이 있지만, 분자 데이터가 어류 감시를 위한 이 목표를 어떻게 혹은 어느 정도 충족시킬 수 있는지에 대한 합의는 없는 것으로 보인다.[32]

참고 항목

참조

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