기후변화 스트레스가 유전체의 특이한 변화를 초래한다.

요각류(Copepod) 유전체는 여러 가지 환경변화에 독특하게 적응하는 것이 발견되었다.

기후변화는 생물들의 삶과 기능에 영향을 미치는 전 지구적 문제이다. 기후변화가 해양에 어떤 영향을 미치는지는 특히나 중요한 문제이다. 인간의 중요한 먹거리가 사는 서식지이기 때문이기도하다. 생물체가 어떻게 적응하는지 알아보는 것은 생존가능성을 정확히 예측하는데 필수적이고, 유전체의 변화를 추적하는 것은 환경변화의 지속적인 영향을 판단하는데 도움이 된다.  요각류(copepod)의 한 종류인 Acartia tonsa는 해양 플랑크톤 우점종으로 물고기들의 주요 먹이가 되는 플랑크톤이다.  A. tonsa와 같은 지표종을 연구함으로써 연구자들으 지구 기후의 변화가 해양 먹이 사슬에 어떤 영향을 미칠지 알 수 있을 것이다.

Copepod는 바다환경의 변화에 반응하여 생기는 유전적 변화를 연구하는데 매우 유용하다. 하지만 야생에서 copepod의 유전체 진화를 추적한 다는건 매우 어려운 일이다. 이런 문제를 해결하고자, University of Vermont의 Melissa Pespeni와 동료들은 소위 evolve-and-resequence 접근법을 사용하였다. “실험실에서 진화를 실험 한다는건 굉장히 강력한 겁니다. 모든 변수를 조정하고 진화의 정도를 측정할 수 있으니까요.”라고 Pespeni는 말한다.

Pespeni 그룹과 University of Connecticut의 Hans Dam은 이 방법을 최근에 발표된 PNAS 논문에 설명하였다. 이들 연구자들은 copepod를 물의 온난화와 높은 CO2 농도를 통한 산성화에 노출하였다. 또한 이들을 함께 적용한 해양 온난화-산성화(Ocean warming-acidification, OWA) 조건에도 노출시켜 실험실에서 25세대까지 키우면서 어떻게 적응하는지를 추적하였다. 이전에 Pespeni와 동료들은 이런 조간에서 알의 부화 성공율 그리고 생식 시기 등의 생식 적합도를 조사하였다. 이들은 OWA에 노출된 후 처음에는 적합도가 떨어지는 것을 관찰했다. 하지만 수 세대가 지나면서 적응하는 모습을 볼 수 있었다.

이번 연구에서는 각 스트레스에 반응하여 0세대부터 25 세대까지 이 동물의 유전체를 분석하여 대립유전자(allele) 빈도가 어떻게 변하는지 정량화 하였다. 그 결과 발생과 형태 형성에 관련된 적응형 allele는 복수 스트레스를 주었을 때 주로 발견되었고, 이는 관찰된 부화 성공율의 적응에 대한 설명이 될 수 있을 것 같다.

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“이건 단순히 1 더하기 1이 2가 되는 것이 아니다. 1 더하기 1이 전혀 다른 무엇이 된 경우이다.”

• Melissa Pespeni, University of Vermont -

“온난화가 CO2보다 훨씬 강한 선택 압력을 가한다. 하지만 이 둘을 합하면 전혀 다른 효과를 볼 수 있다. 따라서 1 더하기 1은 2가 아니라 전혀 다른 무엇이 된 경우입니다.” Pespeni의 말이다. 이전의 연구는 각 스트레스가 생물체의 진화에 미치는 영향이라면 이번 연구는 다수의 스트레스가 단순 가산된 것이 아닌 독특한 반응으로 나타난다는 것을 입증한 셈이다. 이는 인간이 환경에 미치는 영향이 다방면에서 일어나기 때문에 중요하며 또한 이 연구는 유전체의 적응의 복잡성을 잘 보여주었다.

이 연구에 직접 참여하지 않은 Lousiana State University 교수인 Morgan Kelly에 따르면 이들의 연구는 이전 개별 스트레스에 대한 연구에 질문을 상기시키는 것이며 이 후의 실험 설계에 영향을 줄 것이라고 했다. “여기 생태적으로 중요한 종에게 기후 변화에 따른 진화적 변화가 어떤 역할을 할지가 중요한 문제입니다.” Kelly는 말을 잇는다. “그들이 유전체 정보를 종합 분석한 방법은 해양 실험 진화의 세계에서 가장 유용한 방법일 것 입니다. 그리고 나는 그들이 얻은 정보들이 아주 중요할 것이라 생각합니다.”

Pespeni에 따르면 그녀의 연구에 따르면 복합 환경변화에도 copepod들의 생식 능력은 결국 완전히 회복되었고 이는 기후변화에 대해 희망을 이어나갈 이유가 된다고 주장하였다. 즉, 환경 변화가 어떤 생물 들에게는 그렇게 치명적이지 않을 수도 있다는 것이다. Pepspeni의 연구팀은 앞으로 지구환경 변화를 재현하는 다른 환경 스트레스 요인과 다른 형질들을 더하여 연구할 예정이고 다른 유전적 배경을 갖는 다른 종의 copepod를 이용할 예정이다.

<이글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>

Jennifer Zeba, PhD, Combining climate stressors leads to unique changes in the genome. The Scientist, Mar 20, 2023.

<original reference papers>

C. Schlotterer et al., “Combining experimental evolution with next-generation sequencing: A powerful tool to study adaptation from standing genetic variation,” Heredity (Edinb), 114:431-40, 2015.

R.S. Brennan et al., “Experimental evolution reveals the synergistic genomic mechanisms of adaptation to ocean warming and acidification in a marine copepod,” PNAS, 119:e2201521119, 2022.

H.G. Dam et al., “Rapid, but limited, zooplankton adaptation to simultaneous warming and acidification,” Nature Climate Change, 11(9):780-86, 2021.