서 론
수지상균근균(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)은 글로메로균문(Glomeromycota)에 속하는 균류로 약 4억년 전후에 육상식물과 공생관계를 형성하여, 식물의 초기 육상정착에 도움을 준 것으로 추정된다[1]. 현재 지구 상의 관속식물 중 80~90%에 이르는 식물은 AMF와 공생관계에 있다[2]. AMF는 식물로부터 광합성에 의해 생성된 탄소원을 공급 받는 대신에 무기양분, 특히 인의 흡수를 돕는 역할을 한다[3]. 그 밖에도 중금속이나 염분에 대한 저항성 뿐만 아니라 수분스트레스나 식물 병원균에 대한 저항성도 증가시킨다[4].
독도는 천연기념물 제336호로 동도와 서도 및 부속도서로 구성되어 있으며, 신생대 제3기말의 화산활동에 의해서 형성된 섬이다. 독도는 한반도와는 다른 기후 특성을 가지고 있어서 독특한 식생을 갖고 있다. 섬의 사면은 가파르며, 강한 바람과 높은 강우량에 따른 풍화와 침식에 의해서 매우 얕은 토양층만 존재한다[5]. 토양은 높은 염분 농도와 산도, 그리고 유기물질이 부족해서 식물이 서식하기에는 척박하다. 따라서 뿌리층이 얕은 초본이 주로 서식하고 있다. 이렇게 척박한 환경에서 서식하는 식물의 생육에 AMF는 중요한 역할을 한다고 생각된다.
독도의 생물상에 대한 조사는 어류나 조류뿐만 아니라 관속식물 등에 이르기까지 다양한 분류군에 대해서 행해졌다[6-8]. Lee 등[6]은 2007년 독도에 서식하는 관속식물상을 조사하여 46종 1아종 1변종을 확인하고 총 48개 분류군을 보고하였는데 조사자들에 따라 식물 종의 수는 차이가 있다. 미생물의 경우 독도의 육상 및 인근 해상에서 세균을 분리하였으며, 토양 및 식물뿌리에서도 균류를 분리하여 국내 미기록종 등을 확인하였다[9, 10]. 그러나 현재까지 독도에서 AMF의 생물상에 대한 조사는 없었다. 따라서 한반도와는 달리 독특하고 척박한 환경에서 서식하는 식물 공생균인 AMF의 다양성을 파악하는 것은 의미 있다. 본 연구에서는 독도를 구성하고 있는 두 개의 섬인 동도와 서도에 분포하는 다양한 식물의 근권에서 토양을 채취하여 AMF를 분리한 후 이들 AMF의 다양성을 조사하였으며, 두 섬에서 나타나는 AMF의 다양성을 비교하였다.
재료 및 방법
시료의 채집
시료의 채집은 2015년 7월 독도의 동도(N37°14’, E131°51’) 및 서도(N37°14’, E131°52’) 주변에서 식물 종을 선정하고, 서도와 동도에서 각각 9점씩, 총 18점의 식물체와 토양을 채집하였다. 갯제비쑥(Artemisia japonica subsp. littoricola (Kitam.) Kitam.), 해국(Aster sphathulifolius Maxim.), 흰명아주(Chenopodium album L.), 도깨비쇠고비(Cyrtomium falcatum (L.f.) C. Presl), 돌피(Echinochloa crus-galli (L.) Beauv.), 왕호장근(Fallopia sachalinensis (F. Schmidt) Ronse Decr.), 땅채송화(Sedum oryzifolium Makino) 등 총 7종의 식물에서 근권 토양을 채집하였다. 이들 중 해국은 동도에서만, 왕호장근은 서도에서만 채집하였다. 식물군락 내에서 각 식물의 뿌리와 근권 토양을 채집하였으며, 채집된 식물체와 토양은 지퍼백에 넣어 실험실로 운반하였다. 채집된 근권 토양은 건조기(DAIHAN Scientific, Wonju, Korea)를 이용해 50°C에서 72시간 건조하였다.
포자의 분리 및 동정
야외 토양에서 AMF의 포자를 추출하기 위해 건조 토양 10 g을 wet sieving 및 sucrose density gradient centrifugation method [11]에 따라 포자의 크기 별로 분리하였다. 분리된 포자는 해부현미경(SZX9; Olympus, Tokyo, Japan)과 광학현미경(AXIO Imager A1; Carl Zeiss, Oberkochen, Germany) 하에서 포자의 크기, 색깔, 벽의 구조 등을 관찰하여 morphotype으로 구분하였다[12]. Morphotype 중에서 대표적인 포자는 분자적 동정을 위해서 사용하였다. Nested PCR [13] 방법을 이용하여 AMF의 포자를 분자적으로 동정하였다. NS1과 NS4 [14] 프라이머를 사용하여 1차 PCR을 수행하였으며, 2차 PCR은 AMF 특이적 프라이머인 AML1과 AML2 [15]를 사용하였다. 염기서열 분석은 솔젠트(Daejeon, Korea)에 의뢰하였다. 분석된 염기서열은 NCBI (http://www.ncbi.nim.nih.gov/) 상에서 Basic Local Alignment Search Tool (BLAST)을 이용하여 유사도가 가장 높은 분류군을 선택하였다. 본 연구를 통해 분석된 염기서열과 참고서열 간의 비교를 위해 MEGA7 [16]을 이용하여 neighbor-joining tree를 작성하였다.
결과 및 고찰
야외 토양에서 포자를 분리하여 형태적 특징(Fig. 1)과 18s rDNA 염기서열을 이용한 동정(Fig. 2) 결과 총 8종의 AMF 포자가 확인되었다(Table 1). 이 중 동도에서는 Acaulospora mellea, Claroideoglomus claroideum, Diversispora aurantia, Gigaspora margarita, Paraglomus occultum, Septoglomus constrictum 등 총 6종이 나타났으며, 서도에서는 A. longula, A. mellea, C. claroideum, D. aurantia, Funneliformis mosseae, P. occultum 등 총 6종이 동정되었다.
|
Table 1. Relative abundance and species diversity of AMF spores in this study |
|
|
|
AMF; arbuscular mycorrhizal fungi aAsterisks indicate that means are significantly different at p < 0.05 (n = 11). |
C. claroideum은 동도와 서도 양쪽 모두에서 분리되었으며, 두 지역에서 가장 우점하는 분류군이었다(Table 1). 이 종은 동도와 서도 모두에 분포하는 흰명아주, 서도에만 분포하는 왕호장근을 제외하고 모든 식물의 근권에서 분리되었다. 국내에서는 제천 폐광지 등 한반도의 다양한 토양에서 발견되는 종이다[17]. 그 밖에 A. mellea, D. aurantia, P. occultum 등이 동도와 서도 모두에서 분리되었다. A. mellea는 땅채송화, 갯제비쑥, 돌피, 해국, 흰명아주, 도깨비쇠고비, 왕호장근의 근권 토양에서 분리되었다. 국내에서는 경기도 산림의 식물 근권에서 처음 기록되었으며[18], pH가 낮은 토양에서 주로 발견되었다[19]. D. aurantia은 Lee 등[20]에 의해 최근 충남의 도서 지역에서 분리된 기록이 있으며, 동도와 서도의 땅채송화, 갯제비쑥, 돌피, 해국, 흰명아주, 도깨비쇠고비, 왕호장근의 근권 토양에서 분리되었다. 또한, P. occultum의 경우, 이전의 국내기록으로는 Eom과 Lee [21]에 의해 동백나무의 근권 토양에서 분리한 기록이 있으며 본 연구에서는 땅채송화, 갯제비쑥, 돌피, 해국, 흰명아주, 도깨비쇠고비, 왕호장근의 근권 토양에서 발견되었다.
G. margarita와 S. constrictum은 동도에서만 발견되었다. G. margarita는 일반적으로 300 µm 이상의 큰 포자를 형성하는 종으로[22], 국내에서는 Eom과 Lee [23]에 의해 보고되었으며 한반도의 산림토양에서는 발견 빈도가 낮다[6]. 본 연구에서 확인된 포자의 크기는 350~450 µm 정도이며, 동도의 갯제비쑥, 돌피, 해국, 흰명아주, 도깨비쇠고비의 근권 토양에서 발견되었다. 이 종은 염분이 높은 토양에서 식물의 적응을 돕는다는 연구 결과도 있다[24]. 또한 동도의 땅채송화, 갯제비쑥, 돌피, 해국, 흰명아주, 도깨비쇠고비의 근권 토양에서 분리된 S. constrictum은 국내의 간척지 토양에서 발견된 기록이 있다[25]. A. longula와 F. mosseae는 서도에서만 발견되었는데 A. longula의 경우, 국내에서는 Lee 등[26]이 보고한 기록이 있으며 한반도의 산림 토양에서 A. mellea, A. leptoticha와 함께 우점하는 종이다[27]. 본 연구에서는 서도의 갯제비쑥, 돌피, 흰명아주, 왕호장근의 근권 토양에서 분리되었다. F. mosseae는 서도의 땅채송화, 갯제비쑥, 돌피, 흰명아주, 도깨비쇠고비의 토양에서 분리되었는데, 일반적으로 초지 및 경작지에서 주로 발견되는 종이다.
종 다양성 지수(H’)는 동도와 서도 사이에 유의미한 차이가 없었으나, 서도에서 다소 높게 나타나는 경향을 보였다(Table 1). 종 균등도의 경우에는 서도가 동도 보다 유의미하게 높았다. 두 섬의 AMF 군집 구조는 크게 차이가 나타나지는 않았다(Fig. 3). 이는 두 개의 섬이 물리적으로 분리되어 있으나 기후나 지리적으로 크게 다르지 않으며, AMF가 공생하는 식생의 분포도 크게 차이가 나지 않기 때문인 것으로 생각된다[28].
일반적으로 AMF는 숙주식물과의 특이성이 낮은 것으로 알려져 있으나 숙주식물의 종은 토양 내 포자의 다양성에 어느 정도 영향은 미치는 것으로 보인다. 그러나 본 연구에서는 AMF와 숙주식물 사이에 통계적으로 의미 있는 관계를 분석하기에는 각 식물별 샘플의 수가 부족하다는 한계가 있다.
독도 전체에서 분리된 AMF의 경우 7종의 식물과 18점의 토양샘플로부터 총 8종이 분리되었다. 비슷한 환경이나 섬의 크기에서 큰 차이를 보이는 울릉도에서 연구한 결과[29]를 보면 6속 7종의 AMF를 확인할 수 있었는데 울릉도에서 분리된 AMF 중, Acaulospora, Diversispora, Gigaspora, Funneliformis속은 독도에서와 동일하게 확인하였다. 그 중 Funneliformis속에서만 종 수준에서 동일한 분류군이 존재했다. 이 F. mosseae의 경우는 독도에서는 서도에서만 발견되었다. 그러나 한반도에서는 전국적으로 다양한 지역에 분포한다. 분포 유형은 인위적인 간섭이 진행된 간척지나 폐광지 뿐만 아니라 경작지에서도 확인되어 다양한 분포 유형을 띄는 것을 알 수 있다.
독도는 생물지리학적인 관점에서 평가되어야 할 지역이다. 현재 독도의 AMF 다양성은 과거의 지사학적인 역사를 반영하며, 다른 지역에 비해서 보전적이다. 이들이 가지고 있는 유전자 수준에서의 다양성에 대한 비교 연구 등을 통해 초기 정착한 식물과 AMF와의 공진화 역사를 가늠해 볼 수 있을 것이다. 본 연구를 통해 AMF에 대한 생태적 구조를 밝힘으로써 독도에서 AMF의 기능을 규명할 수 있는 단초를 제공할 수 있다.
