수컷 자바리 Epinephelus bruneus에 있어서 hCG 투여에 따른 혈중 성호르몬 및 정자 활성도 변화

Ⅰ. 서 론

자바리 Epinephelus bruneus는 농어목 바리과에 속하며, 한국, 일본, 중국 등에서 기호도가 높아 상업적으로 중요한 고부가가치 어종이다(Heemstra and Randall, 1993). 국내에서는 제주도와 남해안 연안에 분포하며, 아열대 및 열대 해역의 산호초와 암초지대에 서식한다고 알려져 있다(Song et al., 2005a). 그러나 남획과 서식지 파괴 등으로 자원량이 감소하고 있으며, 국제 자연 보전 연맹(international union for conservation of nature and natural resources, IUCN)의 적색목록(red list)에서 취약종(vulnerable, VU)으로 분류되어 자원관리를 위해서 안정적인 종자생산이 요구되는 어종이다(Thierry et al., 2008).

자바리, 붉바리 E. akaara, 능성어 E. septemfasciatus 등 바리과 어류는 대부분 자성선숙형 자웅동체어(protogynous hermaphrodite)로서(Boo et al., 2020), 자연 조건에서 능성어는 체중 6 kg 이상, 붉바리는 전장 25 cm 또는 체중 0.5 kg 이상, 자바리는 전장 63 cm 또는 체중 4.4 kg 이상으로 성장한 후 일부 개체가 수컷으로 성 전환한다고 알려져 있다(Hamamoto et al., 1986; Tsuchihashi et al., 2003; Oh et al., 2013). 이러한 생물학적 특성으로 종자생산시 수컷 친어 및 양질의 정자 확보가 힘들어 안정적인 종자생산에 어려움을 주고 있다. 이와 같은 문제 해결을 위해 수컷 유도자(male inducer)로 널리 사용되는 17α-Methyltestosterone (17α-MT)과 aromatase 저해제(aromatase inhibitor, AI)인 letrozole와 fadrozole 등을 단독 및 복합적으로 이용하는 웅성화 유도 연구와 정자 동결보존 등의 연구들이 다양하게 수행되어져 왔으나(Chao and Chow, 1990; Song et al., 2005b; Garcia et al., 2013; Lim and Le, 2013), 양질의 정자 확보를 위한 성성숙 유도 연구는 상대적으로 미비한 실정이다.

경골어류의 정자형성(spermatogenesis) 및 배정(spermiation)은 어류의 뇌하수체 추출물(pituitary extract), 생식소자극호르몬방출호르몬(Gonadotropin releasing hormone, GnRH) 및 생식소자극호르몬(Gonadotropin, GtH) 등과 같은 다양한 호르몬들을 이용하여 유도하고 있다(Lim and Kim, 2007; Guzman et al., 2011). 이 중 GtH의 일종인 인간태반성생식선자극호르몬(hCG)는 구입이 쉽고 비교적 저렴하여 어류의 성성숙 유도를 위해 널리 이용되고 있으며(Lam, 1982), 강도다리 Platichthys stellatus (Lim and Kim, 2007), 복섬 Takifugu niphobles (Goo et al., 2015), 박대 Cynoglossus semilaevis (Lim et al. 2016), 뱀장어 Anguilla japonica (Kim et al., 2018) 등 다양한 어종에서 정자형성 및 배정을 효과적으로 유도한다고 보고되었다. 최근 바리과 어류인 능성어(Park et al., 2016)와 붉바리(Boo et al., 2020)에서도 종자 생산시 수컷 친어에게 hCG를 500 IU/kg body weight 농도로 투여하여 정자형성 및 배정을 유도하고 있으나, 이에 따른 성성숙 유도 효과는 조사된 바 없다.

따라서 본 연구에서는 수컷 자바리를 대상으로 hCG에 의한 성성숙 유도 효과를 조사하고자 hCG 투여에 따른 배정량, spermatocrit, 정자 운동성(sperm motility), 운동속도(sperm velocity) 및 혈중 성호르몬(testosterone; T, 11-ketotestosterone; 11-KT) 농도 변화를 비교 분석하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

Ⅲ. 결 과

1. 배정량 및 Spermatocrit

대조구와 hCG 투여구의 채정 결과, 대조구는 5마리중 4마리가 배정되었고, hCG 투여구는 5마리 모두 배정되었다. 대조구와 hCG 투여구의 배정량은 각각 1.4±0.7 ml과 4.16±0.9 ml로 나타났고, spermatocrit는 각 41.5±4.2%와 64.2±6.4%로 나타나 hCG 투여구에서 유의하게 높게 나타났다(p<0.05, [Fig. 1]).

[Fig. 1]

Change in the milt volume and spermatocrit of male longtooth grouper (Epinephelus bruneus) after injecting hCG 500 IU hCG/kg body weight. The data represents mean±SEM (n=5). * indicates significant differences between the groups (p<0.05).

2. 정자 운동성 및 운동속도

자바리 정자의 운동성 및 운동속도 분석 결과, 대조구와 hCG 투여구의 정자 운동성은 각 65.1±4.3 %와 60.4±4.9 %, 평균운동속도(VAP)는 각 75.8±11.2 um/sec와 78.6±11.0 um/sec, 직선운동속도(VSL)는 각 72.4±12.2 um/sec와 74.6±11.1 um/sec, 나선운동속도(VCL)는 각 90.7±8.1 um/sec와 93.5±9.3 um/sec로 나타나 호르몬 투여에 따른 유의한 차이를 보이지 않았다([Fig. 2]).

[Fig. 2]

Changes in the sperm motility and velocity (average path velocity, VAP; straight line velocity, VSL; curvilinear velocity, VCL) of male longtooth grouper (E. bruneus) after injecting 500 IU hCG/kg BW. The data represents mean±SEM (n=5). There are no significant differences between the groups.

3. 혈중 성호르몬 농도 변화

실험시작시 대조구와 hCG 투여구의 혈중 T 농도는 각 1.14±0.13과 1.57±0.19 ng/ml로 실험구 사이에 유의한 차이가 없었다([Fig. 3]). 투여 2일 후, 대조구와 hCG 투여구의 혈중 T 농도는 각 1.62±0.21과 3.22±0.61 ng/ml로 hCG 투여구에서 높은 경향을 보였고, 투여 7일 후는 각 0.77±0.09와 1.80±0.30 ng/ml로 hCG 투여구에서 유의하게 높게 나타났다(p<0.05).

[Fig. 3]

Changes in the sex steroid hormone (tesetosterone, T; 11-ketotestosterone, 11-KT) levels of male longtooth grouper (E. bruneus) after injecting 500 IU hCG/kg BW. The data represents mean±SEM (n=5). * indicates significant differences between the groups (p<0.05).

실험시작시 대조구와 hCG 투여구의 혈중 11-KT 농도는 각 1.10±0.38과 1.61±0.41 ng/ml로 실험구 사이에 유의한 차이가 없었다([Fig. 3]). 대조구와 hCG 투여구의 혈중 11-KT 농도는 투여 2일 후에 각 1.45±0.61과 4.34±0.84 ng/ml, 투여 7일 후에 각 0.30±0.06과 1.23±0.41 ng/ml로 실험기간동안 hCG 투여구에서 유의하게 높게 나타났다(p<0.05).

Ⅳ. 고 찰

본 연구는 hCG 투여가 수컷 자바리의 정자의 양과 질에 미치는 영향을 조사하기 위해 배정량, spermatocrit, 혈중 성호르몬 농도, 정자 운동성 및 운동속도의 변화를 비교 분석하였다.

본 연구 결과, hCG를 500 IU/kg BW 농도로 투여한 실험구의 배정량 및 혈중 성호르몬(T와 11-KT) 농도가 대조구보다 유의하게 높게 나타났다. 경골어류의 성성숙은 hypothalamic-pituitary-gonadal (HPG) 축에 의해 합성 및 분비되는 GnRH, GtH 및 sex steroid hormone 에 의해 조절된다(Weltzien et al., 2004; Schulz et al., 2010). hCG는 여포자극호르몬(Follicle-stimulating hormone, FSH)과 황체형성호르몬(Luteinizing hormone, LH)을 포함하는 GtH의 일종으로, 생식소에 GtH 수용체에 작용하여 estrogen 및 androgen과 같은 성호르몬(sex steroid hormone)을 합성에 관여한다(Schulz et al., 2010). 이 중 androgen (T와 11-KT)은 수컷의 정소발달을 조절하는 주된 성호르몬으로, 11-KT는 정자형성과정(spermatogenesis) 및 배정(spermiation)에 직접적으로 관여한다고 알려져 있다(Ueda et al., 1985; Miura et al., 1991a). 따라서 투여된 hCG에 의해 수컷 자바리의 체내 성호르몬 합성이 효과적으로 조절되어 혈중 성호르몬 농도가 증가하였고, 그 결과 정자형성과 배정이 촉진되어 배정량이 증가한 것으로 판단된다. 그러나 호르몬 투여에 의한 성성숙 유도 효과는 호르몬 투여 농도에 따라 차이를 보인다고 알려져 있어(Lin et al. 2016; Kim et al., 2018), 향후 호르몬 투여 농도에 따른 성성숙 유도 연구를 통해 효과적인 투여 농도의 구명이 필요할 것으로 생각된다.

본 연구 결과, hCG 투여에 의해 수컷 자바리의 배정량과 함께 spermatocrit도 유의하게 증가하였다. Spermatocrit는 정자 밀도와 높은 연관성을 가지고 정자 밀도가 증가할수록 높은 수치를 보여, 다양한 어류의 정자 밀도 측정에 이용되고 있다(Rakitin et al., 1999). 따라서 hCG에 투여에 의해 증가된 혈중 성호르몬(T와 11-KT)이 정소의 정자형성을 촉진시켜 spermatocrit가 증가한 것으로 추정된다. 그러나, 배정량과 spermatocrit의 상관관계에 대한 타 어종의 연구에서 대서양 대구 Gadus morhua (Garber et al., 2009)는 배정량과 spermatocrit가 함께 증가하여 본 연구와 유사한 결과를 보였으나, 뱀장어와 white bass Morone chrysops 에서는 배정량과 spermatocrit 사이에 상관관계를 보이지 않았고(Ohta et al., 1996; Mylonas et al., 1997), 강도다리, 박대 및 복섬 등의 경우 배정량이 증가함에 따라 spermatocrit가 감소하였다(Lim et al., 2002; Goo et al., 2015; Lim et al., 2016). 이와 같은 차이는 채정빈도, 종 특이성, 호르몬 종류 및 처리방법 등에 의한 것으로 추정되고 있으나(Lim et al., 2016), 아직까지 명확한 원인은 밝혀지지 않았다.

본 연구에서 혈중 T 농도는 hCG 투여 2일 후부터 hCG 투여구에서 대조구보다 증가하는 경향을 보이고 투여 7일 후에 유의하게 높게 나타났으며, 혈중 11-KT는 실험기간동안 hCG 투여구에서 대조구보다 유의하게 높게 나타났다. hCG 투여에 따른 혈중 성호르몬 농도 변화에 대한 연구로 뱀장어는 hCG 투여 3일후 혈중 11-KT 농도가 최고치를 나타낸 후 감소하였으나, 투여 28일후까지 대조구보다 높은 농도를 보였고(Ohta and Tanaka, 1997), Walking catfish Clarias batrachus는 혈중 T와 11-KT 농도는 각 hCG 투여 18시간과 12시간 후에 최고치를 나타낸 후 감소하였다(Zairin et al., 1993). 반면 감성돔 Acanthopagrus schlegeli의 경우 hCG 투여 6일후에 혈중 T 농도가 최고치를 보였다(Chang et al., 1991). 즉, hCG 투여에 의해 혈중 성호르몬 농도 증가하고 유지되는 기간은 체내 호르몬 대사능력에 따라 차이를 보이는 것으로 추정되며, 추후 장기적으로 호르몬 농도 변화 조사가 수행된다면 적합한 호르몬 투여 방법을 설정할 수 있을 것으로 생각된다.

hCG 투여에 따른 정자 운동성 및 운동속도의 분석 결과는 양실험구 사이에 유의한 차이를 보이지 않았다. 정자 운동성 및 운동속도는 높을수록 수정에 유리하여 정자의 질을 판단하는 중요한 요인이며(Linhart et al., 2000; Rurangwa et al., 2004), 혈중 17alpha,20beta-dihydroxy-4-pregne-3-one (DHP), 11-deoxycorticosterone (DOC), 정장액의 이온 농도 및 pH 등 다양한 요인에 영향을 받는다고 알려져 있다(Miura et al., 1991b; Pankhurst and Poortenaar, 2000; Milla et al., 2008). Yellow flounder Pleuronectes ferrugineus 와 강도다리 등에서는 외재성 호르몬 투여에 의해 정자 운동성이 증가하였으나(Clearwater and Crim, 1998; Lim et al., 2002), 뱀장어와 greenback flounder Rhombosolea tapirina 등의 경우는 외재성 호르몬 투여와 정자운동성 사이에 연관성을 보이지 않았다(Lim et al., 2004; Kim et al., 2018). 따라서 정자 운동성 및 운동속도 증가를 위해서는 다양한 종류의 외재성 호르몬 투여와 그에 따른 DHP, DOC, 정장액 이온 및 pH 변화 조사를 함께 수행해야 할 것으로 생각된다.

본 연구결과, hCG를 500 IU/kg BW 농도로 투여한 실험구의 배정량, spermatocrit, 혈중 T 및 11-KT 농도가 대조구보다 유의하게 증가하였으며, 혈중 T 와 11-KT 농도는 hCG 투여 7일 후에도 대조구보다 유의하게 높게 유지되었다. 반면에 정자 운동성, 평균운동속도(VAP), 직선운동속도(VSL) 및 나선운동속도(VCL)는 실험구 사이에 차이를 보이지 않았다. 향후 채정 빈도, 적정 호르몬 농도 및 투여 방법 등의 연구가 수반된다면 자바리 종자 생산 현장에서 수정률 및 부화율 향상을 위한 기초자료로 유용하게 이용될 것으로 기대된다.

Acknowledgments

이 논문은 국립수산과학원 연구사업(R2021039)에 의해 연구되었음.

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