저서규조류는 하구역먹이망을 이해하는 데 중요한 생물로서 그들의 광생리 특성에 따라 일차생산력이 크게 변화한다. 본 연구에서는 단기간 온도 변화가 저서규조류 4종(Navicula sp., Nitzschia sp., Cylindrotheca closterium, Pleurosigma elongatum)의 광합성 반응에 미치는 영향을 Diving PAM을 이용한 엽록소 형광 분석법으로 측정하여 광생리 특성을 분석하였다. 6개의 온도 조건(10, 15, 20, 25, 30, $35^{\circ}C$)에서 2시간 간격으로 24시간 동안 엽록소 형광을 측정하여 P-I 곡선을 도출하였다. 제2광계의 유효양자수율($\Phi_{PSII}$)은 대부분의 종에 있어서 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 상대 최대 전자전달율(rETRmax)은 최적 온도까지 증가한 후 급격하게 감소하였다. 최대 빛이용 효율($\alpha$)은 다른 광합성 매개변수에 비해 온도에 덜 민감하였으나, 높은 온도에서는 감소하였으며, 광포화 계수($E_K$)는 상대 최대 전자전달율의 반응과 매우 유사하였다. 종별 광생리 특성을 분석한 결과, Navicula sp.와 Cylindeotheca closterium가 광생리적 조절을 통하여 단시간의 온도 변화에 광순응하는 것을 확인할 수 있었다.
저서규조류는 하구역 먹이망을 이해하는 데 중요한 생물로서 그들의 광생리 특성에 따라 일차생산력이 크게 변화한다. 본 연구에서는 단기간 온도 변화가 저서규조류 4종(Navicula sp., Nitzschia sp., Cylindrotheca closterium, Pleurosigma elongatum)의 광합성 반응에 미치는 영향을 Diving PAM을 이용한 엽록소 형광 분석법으로 측정하여 광생리 특성을 분석하였다. 6개의 온도 조건(10, 15, 20, 25, 30, $35^{\circ}C$)에서 2시간 간격으로 24시간 동안 엽록소 형광을 측정하여 P-I 곡선을 도출하였다. 제2광계의 유효양자수율($\Phi_{PSII}$)은 대부분의 종에 있어서 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 상대 최대 전자전달율(rETRmax)은 최적 온도까지 증가한 후 급격하게 감소하였다. 최대 빛이용 효율($\alpha$)은 다른 광합성 매개변수에 비해 온도에 덜 민감하였으나, 높은 온도에서는 감소하였으며, 광포화 계수($E_K$)는 상대 최대 전자전달율의 반응과 매우 유사하였다. 종별 광생리 특성을 분석한 결과, Navicula sp.와 Cylindeotheca closterium가 광생리적 조절을 통하여 단시간의 온도 변화에 광순응하는 것을 확인할 수 있었다.
Benthic diatoms are very important primary producers in understanding estuary ecosystems and their productions are largely varied by their photo-physiological characteristics. The short-term effects of increased temperature on the photosynthetic and photo-physiological characteristics of cultured di...
Benthic diatoms are very important primary producers in understanding estuary ecosystems and their productions are largely varied by their photo-physiological characteristics. The short-term effects of increased temperature on the photosynthetic and photo-physiological characteristics of cultured different species of benthic diatoms (Navicula sp., Nitzschia sp., Cylindrotheca closterium, and Pleurosigma elongatum) were investigated by measuring their PSII-fluorescence kinetics using a Diving-PAM. Photosynthesis versus irradiance curves were measured every two hours at six different temperatures (10, 15, 20, 25, 30, and $35^{\circ}C$) for twenty-four hour. The effective quantum yield of PSII ($\Phi_{PSII}$) for most of the species showed a decreasing trend with increased temperature. The relative maximum electron transport rate (rETRmax) was significantly increased up to the optimum temperature level and then sharply decreased. Relative to the values of other parameters, the maximum light use coefficient ($\alpha$) was not substantially changed at lower temperature levels (<$30^{\circ}C$) but significantly decreased only at higher temperatures (30 and $35^{\circ}C$). The light saturation coefficient ($E_K$) mirrored the rETRmax temperature response. In regards to the temperature acclimation abilities of the four species with time, Navicula sp. and C. closterium acclimated to short-term changes in temperature through their photo-physiological adjustments.
Benthic diatoms are very important primary producers in understanding estuary ecosystems and their productions are largely varied by their photo-physiological characteristics. The short-term effects of increased temperature on the photosynthetic and photo-physiological characteristics of cultured different species of benthic diatoms (Navicula sp., Nitzschia sp., Cylindrotheca closterium, and Pleurosigma elongatum) were investigated by measuring their PSII-fluorescence kinetics using a Diving-PAM. Photosynthesis versus irradiance curves were measured every two hours at six different temperatures (10, 15, 20, 25, 30, and $35^{\circ}C$) for twenty-four hour. The effective quantum yield of PSII ($\Phi_{PSII}$) for most of the species showed a decreasing trend with increased temperature. The relative maximum electron transport rate (rETRmax) was significantly increased up to the optimum temperature level and then sharply decreased. Relative to the values of other parameters, the maximum light use coefficient ($\alpha$) was not substantially changed at lower temperature levels (<$30^{\circ}C$) but significantly decreased only at higher temperatures (30 and $35^{\circ}C$). The light saturation coefficient ($E_K$) mirrored the rETRmax temperature response. In regards to the temperature acclimation abilities of the four species with time, Navicula sp. and C. closterium acclimated to short-term changes in temperature through their photo-physiological adjustments.
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문제 정의
본 연구에서는 하구역의 주요 일차 생산자인 저서미세조류의 주요 구성원인 저서규조류의 온도 변화에 따른 광합성 반응의 변화가 형광 측정법에 의해 조사되었고, 시간에 따른 광합성 매개변수 변화를 통하여 단시간의 온도 변화에 따른 각 종의 순응 정도를 평가하였다.
제안 방법
각 빛 조건에서 제2광계의 유효양자수율(effective quantum yield of the PS: ΦPSII)을 구하였다.
광합성 활성은 0에서 988 μmol photons·m-2·s-1까지 8단계의 광도 변화에 따른 빛-반응 곡선(rapid light-response curves: RLCs)으로 평가하였고, 각 광도 구간에서 10초간 노출하여 측정하였다.
세포 크기를 측정하기 위하여 시료들은 세포 내 유기물을 제거한 뒤(Hasle and Fryxell 1970), aluminum stub에 고정하고 건조시켜 금막 코팅(Eiko, IB-3)한 후 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope: SEM, TOPCON ABT-32) 으로 관찰하였다.
온도구배판의 광도는 시료의 배양 조건과 동일하 게 유지하였으며, 각 온도별로 6개의 반복구를 측정하였다.
준비된 시료들을 한천배지로 채운 조직배양판 위에 놓고, 배양액을 스프레이 한 후, 6개 온도 조건(10, 15, 20, 25, 30, 35 oC)을 갖춘 온도구배판 위에 두 었다.
지수 성장기에 도달한 저서규조류 배양액에서 900 mL의 부시료를 취하여 f/2배지 조성의 배양액에 4배로 희석시켜 100 mL 명-암병에 시료를 각각 채운 후, 온도 10, 15, 20, 25, 30, 35oC와 광도 100 μmol photons·m-2·s-1의 배양 조건에서 3시간 동안 배양한 후 측정하였다.
Fiber-optic probe 를 고정하고 암적응을 위한 셔터를 삽입하기 위하여 뚜껑을 제작하였으며, probe를 뚜껑에 삽입한 후, 5분간의 암적응 뒤 셔터를 열고 probe를 시료 위 2 mm 상단에 위치시킨 후 형광을 측정하였다.
본 연구에서는 저서규조류 4종(Navicula sp., Nitzschia sp., Cylindrotheca closterium, Pleurosigma elongatum)을 사용하여, 단 기간 온도 변화가 이들의 광합성 반응에 미치는 영향을 엽록소 형광 분석법으로 측정하였고, 온도변화에 대한 광순응 특성을 분석하여 광생리 특성을 평가하였다.
엽록소 형광 측정은 Diving-PAM(Walz, Effecltrich, Germany)을 이용하여 24시간 동안 2시간 간격으로 측정하였다.
종별 광생리적 특성은 각 종이 최대전자전달 능력을 나타낸 온도에서 시간의 경과에 따른 광합성 매개변수의 변이성을 통계분석하여 평가하였다(Table 2).
종별 광생리적 특성은 EK 변동성으로 해석하여, 단시간의 온도 변화에 따른 각 종의 순응(acclimation)정도를 평가하였다.
대상 데이터
(B-131), Cylindrotheca closterium (B-62), Pleurosigma elongatum (EB-44)으로 한국해양미세조류은행(KMMCC) 으로부터 분양 받아, f/2배지에서 회분 배양하였다(Guillard and Ryther, 1962).
이론/모형
측정된 세포 크기는 Hillebrand 등(1999)의 형태 및 관련 수식을 이용하여 SA/V를 도출하였다.
용존산소 측정은 윙클러법(Carpenter, 1965)을 이용하였다.
성능/효과
Pleurosigma elongatum는 아직까지 보고된 바가 없으나, 본 연구에서 형광과 산소 발생의 불일치가 상당히 크게 나타남을 알 수 있었다.
Pleurosigma elongatum도 rETRmax는 온도 상승과 함께 계속 증가하였으나, 총 광합성률은 30 oC에서 최대값을 보인 후, 35 oC에서는 감소하였다(Fig. 3d).
본 연구 결과, 각 종들이 15도에서는 시간의 경과에 따른 광합성 매개변수의 변화가 없는 것과 달리, 최대전자전달 능력을 보인 온도에서 이처럼 종에 따른 순응을 보이는 것으로 판단해 볼 때, 단시간의 온도 변화가 각 종의 광합성에 최적의 온도에서는 광생리 특성에 변화를 끼친 다는 것을 알 수 있었다.
closterium은 30 oC 이상의 높은 온도에서 다소 감소하는 경향을 나타내었다.
closterium은 rETRmax나 α의 변화로 인하여 EK의 변화가 나타났으며(Table 2), 이를 통하여 두 종 모두 단시 간의 온도 변화에도 광순응이 일어난, “EK 종속적 변동성”을 보여 주었다.
elongatum은 다른 종들과 달리 높은 온도에서 높은 광합성 능력을 보여주었으며, 세포 형태 특성인 SA/V가 매우 작은 것을 알 수 있었다.
본 연구는 단시간 온도 상승의 영향만 고려하였지만, 온도 상승이 저서규 조류 광합성 반응에 미치는 영향은 매우 크게 나타났다.
전반적인 광합성 능력(photosynthetic capacity)을 나타내는 최대 전자전달율(rETRmax)은 성장 온도(15 oC)보다 높은 온도에서 최대값을 보였으며, rETRmax에 대한 온도의 영향은 최적의 온도에 도달할 때까지 온도가 상승함에 따라 점진적으로 증가하였고, 그 이후 빠르게 감소하였다(Fig. 2a-d).
후속연구
현재 지구 온난화로 인한 수온 상승과 이로 인한 일차 생산자들의 생산성과 지리적 분포는 지속적으로 변화할 것으로 생각되며, 일반적으로 예측할 수 없는 결과로 진행될 수도 있다. 따라서 환경 요인 변화에 따른 연안역의 주요 일차 생산자들의 특성 및 생리적 적응에 대한 지속적인 연구를 바탕으로 기후 변화에 대한 연안역의 적응 방안을 마련하여야할 것으로 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
저서미세조류란?
저서미세조류(microphytobenthos: MPB)는 저서성 조류 뿐만 아니라 광합성 박테리아까지 다양한 분류군들을 포함하고 있으며, 그 중 저서규조류(benthic diatoms)는 생물량의 측면에서 가장 우점하고 있다(MacIntyre et al., 1996).
해양의 탄소 고정 역할에 대한 관심이 높아지는 이유는?
그러나 MPB 연구의 대다수는 북미와 유럽에서만 수행되었고, 우리나라에서는 연구가 매우 드문 현실이다. 게다가 최근 들어 인간의 활동에 의한 CO2 증가 및 이로 인한 지구온난화에 대한 인식이 확산되면서, 대기 중 CO2의 생물학적 제거과정인 해양의 탄소 고정 역할에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 상황에서 하구역과 연안역의 주요 일차 생산자인 저서 독립영양생물에 대한 연구는 그 중요성이 매우 강조되고 있다.
온도 변화에 따른 제2광계 유효양자수율의 변화는 어떻게 구분되는가?
온도 변화에 따른 제2광계 유효양자수율의 변화: 온도 변화에 따른 ΦPSII의 변화는 세 유형으로 구분할 수 있었다. 첫째, 온도가 오르면서 증가하다가 35 oC에서 급격히 감소하는 Navicula sp., 둘째, 30 oC에서 급격히 감소하는 Nitzschia sp.와 C. closterium, 셋째, 온도 상승 단계에 따라 저온에서 20~25 oC까지 상승은 같은 경향이나, 30, 35 oC에서도 크게 감소하지 않는 P. elongatum로 구분되었다(Fig. 1).
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