광스펙트럼에 따른 해양 식물플랑크톤 4 종의 색체적 광순응 = Chromatic photoacclimation of four marine phytoplankton under contrasting light spectra

국문 초록 (Abstract)

수중 광스펙트럼은 탁도, 유색 용존유기물질(cDOM), 부유입자 농도 등에 의해 수심 및 공간적으로 크게 달라지며, 이는 식물플랑크톤의 광 생태적 지위(niche)를 규정하고 군집 구조 형성에 영향을 준다. 본 연구는 주요 식물플랑크톤 계통군 간에 광스펙트럼(파장 조성) 변화에 대한 색체적 광순응(chromatic photoacclimation) 전략이 어떻게 달라지는지, 그리고 분류군별 색소 조절 및 관련 생리·형태적 전략이 스펙트럼 불일치로 인한 성장 불이익을 완충할 수 있는지를 평가하였다.
이를 위해 서로 다른 계통발생학적 기원을 대표하는 4종의 해양 광합성 플랑크톤(남세균 Synechococcus nidulans, 녹조류 Dunaliella salina, 와편모조류 Alexandrium pacificum, 규조류 Thalassiosira minuscula)을 대상으로, LED 광스펙트럼(white 대조구, blue, green, red) 조건에서 배양 실험을 수행하였다. 안정적인 순응을 유도하기 위해 종별 성장 특성에 따라 입사 광량, 수온, 배양기간을 조정하고, 최소 3 세대 이상 순응시킨 후 사멸기에 진입하기 이전에 분석을 완료하였다. 성장률(μ), HPLC 기반 색소 조성(총 색소 대비 광합성 색소[PSP] 및 광보호 색소[PPC]의 비율), 측정된 LED 스펙트럼과 색소 기반 흡광 추정치를 결합한 상대 흡광 지표(white 기준 정규화), 세포 형태 및 부피, 세포당 유기탄소량, 최대 광화학 효율(Fv/Fm)을 정량하였다.
그 결과, 네 종 모두에서 광스펙트럼 처리 간 최종 성장률의 유의한 차이는 확인되지 않아, 본 실험 조건에서는 스펙트럼 변화가 종말점 성장률 저하로 직접 연결되지 않았다. 그러나 생리·기능적 순응 경로는 분류군별로 뚜렷하게 분화되었다. 남세균 S. nidulans(blue 조건)과 녹조류 D. salina(green 조건)에서는 총 색소 대비 PSP 비율 증가 및 PPC 재배분이 관찰되어, 스펙트럼 불일치 조건에서의 흡광(흡수 광자수) 감소를 색소 조절을 통해 보상했을 가능성이 제시되었다. 상대 흡광 지표는 두 종에서 공통적으로 green 파장대에서 낮은 값을 보여, 스펙트럼 불일치 조건이 흡수 광자 관점에서 기능적 저광량(functional low light)으로 인지될 수 있음을 시사하였다. 특히 S. nidulans는 파장 조건에 따라 순응 방식이 달랐는데, blue에서는 색소 기반 조절(엽록소 관련 변화 포함)이 두드러진 반면 green에서는 세포 부피/형태 변화가 동반되어 광수확 능력에 대한 구조적 투자 가능성이 암시되었다. 또한 시간 분해 성장률 비교에서 S. nidulans는 blue 및 green에서 전반기 대비 후반기 성장률이 증가하는 양상을 보였고, D. salina는 green에서 유사한 증가를 보여, 일시적 반응을 넘어서는 순응의 동역학이 확인되었다.
반면 와편모조류 A. pacificum과 규조류 T. minuscula에서는 색소 재배분과 상대 흡광 반응이 상대적으로 제한적이었다. 이는 와편모조류의 peridinin–chlorophyll protein(PCP), 규조류의 fucoxanthin–chlorophyll protein(FCP) 등 복합 광수확 시스템이 넓은 파장대의 흡광을 가능하게 하여 스펙트럼 변화의 영향을 완충하고, 강한 색소 재조정의 필요성을 낮추었을 가능성과 부합한다. 한편, 용매 추출 색소에 기반한 흡광 추정은 남세균의 phycobilisome(PBS) 기여를 완전하게 반영하지 못할 수 있어, 특정 파장에서 남세균의 실제 흡광이 보수적으로 추정될 수 있다는 한계가 있다. 그럼에도 색소 조성과 세포 특성 변화가 일관된 방향성을 보여, 분류군별 순응 전략 차이에 대한 해석을 지지하였다.
종합하면, 흡광 스펙트럼 폭이 상대적으로 좁은 남세균 및 녹조류는 특정 파장에 선택적으로 반응하는 ‘강한 색체 반응체(strong chromatic responders)’로서 ‘스펙트럼 전문가(spectral specialists)’로 운영적으로 구분될 수 있었다. 반면 복합 광수확 구조를 갖추어 스펙트럼 변화의 영향을 상대적으로 완충하는 와편모조류 및 규조류는 ‘약한 색체 반응체(weak chromatic responders)’이자 ‘스펙트럼 일반주의자(spectral generalists)’로 해석될 수 있었다. 결론적으로, 광스펙트럼 처리는 최종 성장률 수준에서는 유사한 결과를 보일 수 있으나, 색소 배분·흡광 구조·형태를 포함한 순응 경로는 계통군의 진화사와 광수확 시스템(PBS, PCP, FCP)의 구조적 차이에 의해 뚜렷하게 달라진다. 본 연구는 엽록소 a 중심의 단순 해석을 넘어, 계통군 특이적 광수확 구조가 해양 식물플랑크톤의 색체적 광순응과 스펙트럼 지위 분화를 결정하는 핵심 요인임을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 ⅰ
• List of Figures ⅲ
• List of Tables ⅶ
• 국문 초록 ⅷ
• 1. 서론 1
• 2. 재료 및 방법 9
• 가. 배양 종주 준비 및 종 동정 9
• 나. 최적 배양 조건 12
• 1) 광량-광합성 곡선 12
• 2) 수온에 따른 성장률 19
• 다. 실험 조건과 배양 24
• 라. 성장률 측정 26
• 마. 식물플랑크톤 색소 분석 27
• 바. 세포 부피 측정 32
• 사. 광합성 효율 측정 34
• 아. 광스펙트럼별 상대 광자 흡광도 계산 35
• 자. 세포 유기 탄소량 측정 37
• 차. 통계 분석 38
• 3. 결과 39
• 가. 최적 광량 및 온도 39
• 나. 광스펙트럼에 따른 최종 성장률(μ) 40
• 다. 광스펙트럼에 따른 세포의 색소 조성 42
• 1) 광스펙트럼에 따른 광합성 색소(PSP) 비율 42
• 2) 광스펙트럼에 따른 광보호 색소(PPC) 비율 43
• 라. 광스펙트럼에 따른 상대적 광자 흡광도(Rabs) 45
• 마. 광스펙트럼에 따른 세포 부피 47
• 바. 광스펙트럼에 따른 세포 유기 탄소량(ng C cell-1) 48
• 사. 광스펙트럼에 따른 광합성 효율(Fv/Fm) 50
• 아. Synechococcus nidulans 및 Dunaliella salina에서의 성장률(μ) 변화 52
• 4. 고찰 55
• 가. 종별 광스펙트럼에 따른 최종 성장률 55
• 나. 종별 광스펙트럼에 따른 색소 조성 56
• 다. 광스펙트럼별 상대 광자 흡광도 59
• 라. 종별 광스펙트럼에 따른 세포 부피 61
• 마. 종별 광스펙트럼에 따른 세포 유기 탄소량 62
• 바. 종별 광스펙트럼에 따른 광합성 효율 63
• 사. Synechococcus nidulans 및 Dunaliella salina의 성장률 64
• 5. 결론 및 향후 계획 66
• 가. 결론 66
• 종별 특성 정리 67
• 나. 향후 계획 68
• 6. 참고 문헌 70
• Abstract(영문 초록) 82