본 연구는 빈산소에 의한 둥근 성게 (Strongylocentrotue nudus) 수정란의 수정률 및 발생률에 관한 연구이다. 대조군 (normoxia)과 실험군 (hypoxia) 으로 나누어 수정률과 발생률의 변화를 관찰 하였으며 또한 gonad 세포의 유전자 발현의 차이를 봄으로써 스트레스 관련 유전자와 항산화 관련 유전자의 변화를 확인 할 수 있었다. 결과적으로 수정률에서는 큰 차이를 확인 할 수 없었던데 반해 발생률에 있어서 빈산소의 경우 전혀 발생이 진행되지 않는 것을 확인 할 수 있었으며 또한 빈산소에 노출된 gonad 세포의 경우도 스트레스 또는 항산화 유전자가 많이 발현 되는 것을 관찰 할 수 있었다. 앞의 실험을 토대로 빈산소 환경에서 유전자 발현량의 차이를 더욱더 수행함으로써 빈산소 상태에 따른 죽음의 바다의 증가 얼마나 위험한 것인지 더욱더 관찰 할 수 있을 것이다.
말똥성게 (Hemicentrotus pulcherrimus)의 생식세포 및 pluteus 유생을 이용하여 중금속인 Arsenic (As)와 Chromium (Cr)이 정상 수정률 및 배아 발생률에 미치는 독성 영향을 조사하였다. H. pulcherrimus의 수정률 및 배아 발생률에 미치는 As와 Cr의 독성은 6.25, 12.5, 25, 50, 100 ppb의 농도에서 조사하였다. 0.5 M KCl 용액을 이용하여 방란 및 방정을 유도하였고, 정상 수정률 및 배아발생률은 수정 후 각각 10분 및 64시간째 관찰하였다. As와 Cr을 첨가하지 않은 대조구에서 정상 수정률과 배아 발생률은 각각 94%와 93% 이상을 나타냈다. 이들 중금속 첨가에 의해 수정률은 아무런 변화가 나타나지 않았지만 배아 발생률은 농도 의존적 감소하는 것으로 나타났으며, As의 첨가에 의해 배아 발생률은 6.25 ppb에서 유의적으로 감소하였으며 (P<0.01), Cr의 경우는 25 ppb에서 유의적인 감소를 나타냈다 (P<0.05). H. pulcherrimus의 정상 배아 발생률에 대한 LOEC는 As의 경우는 6.25 ppb를 Cr은 25 ppb를 나타냈다. 이들 연구결과로 해양생태계 내에서 As가 6.25 ppb, Cr이 25 ppb를 초과하는 농도일 때는 H. pulcherrimus와 같은 무척추동물의 정상 부화율은 급격히 감소할 것으로 판단된다. 본 연구결과를 바탕으로, H. pulcherrimus의 정상 배아 발생률을 이용한 생물학적 평가방법은 중금속과 같은 유해물질에 대한 해양생태계의 영향을 판단하기 위한 시험방법으로 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
체외수정의 성공률에 있어서 배란되기 직전의 충분히 성숙된 난자를 채취하는 것이 중요하며, 최근에는 질 벽을 통하여 초음파를 이용하는 방법을 많이 사용하고 있다. 난자 채취 시술 시 정맥 마취제를 투여하는데 최근에는 수술회복이 빠르고 오심이나 구토 등의 부작용이 적은 Propofol(2,6-disoprooylphenol)과 Thiopental sodium을 사용한다. 이들 마취제가 마취 투여 시간과 양에 따라 난자의 성숙률과 수정률, 발생률에 어떠한 영향을 미치는지 조사하고자 하였다. 돼지에서 추출한 성숙 전 단계의 난자를 마취제인 Propofo1 및 Thiopental sodium의 다양한 농도와 시간에 노출시킨 후 난자 성숙를을 조사하였으며 돼지 정자와 체외수정시킨 후 수정률과 발생률을 관찰하였다. 또한, 수정 단계 없이 단독 발생하는 처녀생식에 대한 영향도 조사하였다. Propofol에 단시간 노출된 난자는 대조군과 큰 차이가 없었으나 고농도에서 장시간 노출 시 성숙률이 현저히 높게 나타났다. 그러나 수정률은 높은 농도에 장시간 노출할 경우 대조군보다 낮아졌는데, 이와 같은 일시적인 난자 성숙은 Propofol이 처녀생식 유발물질이기 때문으로 보여진다. Thiopental sodium은 저농도 단시간 처리 시 난자의 성숙률과 수정률을 모두 감소시켰다. 이상의 결과로 볼 때, 각 마취제의 최적농도와 투여시간을 결정하여 이러한 영향을 최소화시키는 것이 체외수정의 성공률과 밀접한 관계가 있는 것으로 생각된다.
굴 미수정란의 동결보존에 적합한 동해방지제의 종류, 농도 및 침투 시간을 구명하기 위하여 4가지 동해방지제 (DMSO, EG, methanol, PEG) 를 대상으로 수정률, 부화율 및 형태 이상률을 조사하였다. 동해방지제의 농도 및 침지시간은 각각 5, 10, 15, 20%와 10, 20, 30, 40분이었다. 침지 후 미수정란은 정상 정자와 수정되었고, 수정률, 부화율 및 형태 이상률은 동해방지제의 종류와 농도 및 침지시간에 영향을 받았다. 동해방지제의 농도와 침지시간의 증가에 따라 수정률과 부화율은 낮아졌고, 대부분의 동해방지제에서 5-10% 농도와 10-20분의 짧은 침지시간에서 좋은 결과를 보였다. 수정률과 부화율을 근거로 굴 미수정란에 가장 적합한 동해방지제는 DMSO였으며, 처리 농도와 침지 시간은 각각 5%와 10-20분이었다.
채취한 정액에 대하여 희석액의 배율을 달리하고 보존온도를 다르게 하여 3시간 보존 후 정자의 운동성 및 수정률을 조사한 결과, 정자 운동성은 5$^{\circ}C$ 냉장보존 온도에서 희석배율에 따른 차이를 보이지 않았으나, $25^{\circ}C$ 상온보존에서는 정액과 희석액이 1:1 희석배율보다 1:3 및 1:6 희석배율이 정자 운동성이 현저히 높았고(P<0.05), 35$^{\circ}C$ 고온보존에서도 1:1 희석배율보다 1:3 및 1:6 희석배율이 정자 운동성이 현저히 높은 것으로 나타났다(P<0.05). 5$^{\circ}C$에서 3시간 냉장보존 후 인공수정을 하였을 때 1:1~1:6의 희석배율에 따른 수정률의 차이를 보이지 않았고, $25^{\circ}C$ 상온보존에서도 희석배율에 따른 수정률의 차이를 보이지 않았으나, 35$^{\circ}C$의 고온보존에서는 1:1 희석배율보다 1:3 및 1:6 희석배율에서 수정률이 현저히 향상되었다(P<0.05). 이상의 결과로 보아 여름철 고온시는 1:1의 희석배율보다는 1:3 이상의 희석배율을 사용함이 좋을 것으로 사료된다.
국내 돼지 인공수정은 1994년 이후 보급이 급속히 확산 되면서 1994년 보급률 $3\%$, AI센타수 5개소 이던 것이 현재는 보급률 50-60$\%$, AI센타수 60여개소로 최근 양돈관련 산업중 가장 성장한 산업중의 하나이며 중요한 양돈관련 업종의 하나로 자리 매김을 하였다. 그러나 그동안의 돼지 인공수정은 양적성장에 치중하여 왔고 최근에는 무분별한 납립으로 인한 과당경쟁과 불공평경쟁으로 인한 어려움으로 품질저하, 재투자 및 기술투자 의욕상실 등 국내 돼지인공수정은 뿌리를 든든히 내리기도 전에 성장이냐 쇄락이냐의 기로에서 위기상황을 맡고 있다. 따라서 이대로 방치 할 경우 기껏 양돈선진국 수준으로 올라선 인공수정산업이 보급률의 저하 등 산업 발전의 후퇴를 가져올 것으로 우려 된다. 이에 돼지 인공수정산업 각 부분별 문제점과 대안을 제시 하고자 한다.
본 실험은 수정배양액 및 난구세포가 돼지난포란의 체외수정에 미치는 영향을 구명하고자 실시하였는 바, 그 결과는 다음과 같다. 1. 체외수정배양액에 따른 수정률은 BO, mTALP 및 TCM-HEPES 배양액에서 각각 14.0~24.3%, 30.8~32.7% 및 21.4~23.9%의 정상수정률을 나타내서 mTALP 배양액이 가장 적합한 수정배지였다. 2. 수정에 이용된 두 종류 정액간의 정상수정률은 정소상체미부정액이 BO, mTALP 및 TCM-HEPES 배양액에서 각각 24.3%, 30.8% 및 23.9%이었고, 사출정액이 14.0%, 32.7% 및 21.4%로 나타나서 mTALP 배양액을 수정배지로 하여 사출정액을 사용한 경우가 가장 높은 정상수정률(32.7%)을 나타냈다 3. 난자-난구세포복합체와 난구세포를 제거한 나화난자의 정자침투률은 각각 54.0% 및 72.0%로 나화난자에서 높게 나타났다 그러나, 정상수정률은 난자-난구세포복합체 및 나화난자에서 각각 11.9% 및 21.5%로 난구세포를 제거하지 않은 난자-난구세포복합체에서 유의적(P<0.05)으로 높은 성적을 나타냈다.
체외수정을 기반으로 이루어지는 성게의 수정 과정은 성게 주변에서 형성되는 복잡한 난류 흐름의 영향을 받게 된다. 성게 몸체의 하류부에 형성되는 재순환 영역 (recirculation zone) 내에는 다양한 난류 와류 흐름이 존재하며, 이들은 성게 몸체에서 방출된 정자와 난자의 충돌을 일으키고 수정 과정에 지대한 영향을 미친다. 즉, 성게의 수정 과정을 이해하기 위해서는 성게 주변의 흐름에 대한 유체역학적 관점에서의 분석이 수행되어야 한다. 본 연구의 목적은 성게 몸체에 의해 발생한 난류 흐름이 성게의 체외 수정에 미치는 영향에 대해 조사하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 상용 프로그램인 오픈폼 (OpenFaom)을 활용하여 수치 모의를 수행하였다. 성게 주변의 유동장은 LES (Large Eddy Simulation)을 기반으로 모의하였고, 정자와 난자의 확산 궤적은 라그랑지안 입자 추적 (Lagrangian Particle Tracking) 알고리즘을 통해 구현하였다. 총 5개의 유속 조건 (0.025 - 0.20 m/s) 에 대해 모의를 수행하였으며 정자와 난자 사이의 거리를 바탕으로 수정률을 산정하였다. 정자와 난자의 뭉쳐있거나 퍼져있는 공간적인 분포 형태는 Standardized Morisita 지수를 통해 수치적으로 표현하였으며 이들과 수정률과의 관계를 규명하였다. 연구 결과에 따르면 성게 수정은 유속 조건이 0.1 m/s일 때 가장 빈번하게 발생하였으며, 성게 수정의 성공 여부는 크게 2가지 조건에 의해 결정되었다. 첫 번째로, Standardized Morisita 지수가 높을수록 다시 말해 생식세포들이 공간적으로 뭉쳐있어야 하며 두 번째는, 생식세포들을 충돌시킬 수 있는 원동력인 작은 와류가 존재해야 한다. 와류의 크기가 너무 크게 되면 생식세포들은 충돌하지 않고 확산만 되기 때문에 오히려 수정률이 감소하였다. 영역별로 분석한 결과에 따르면, 성게 몸체에 의해 형성된 재순환 영역이 수정과정에 있어 가장 지배적인 영역임을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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