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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean J. Environ. Biol. Vol.38 No.2 pp.315-322
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2020.38.2.315

Effect of starvation on tissues in Far Eastern catfish (Silurus asotus)

In Bon Goo*, Young Soo Kim, In-Seok Park1,†
Seojoonbio Inc., Daejeon 34047, Republic of Korea
1Division of Marine Bioscience, Korea Maritime & Ocean University, Busan 49112, Republic of Korea

This author contributed equally to this work as a co-corresponding author.


*Corresponding author In Bon Goo Tel. 042-861-8039 E-mail. bourne@kmou.ac.kr
10/04/2020 22/05/2020 18/06/2020

Abstract


A 210-day experiment was conducted to examine the effects of starvation on survival, the gonadosomatic index (GSI), hepatosomatic index (HSI), and the intestinosomatic index (ISI), and histological changes in the renal tubule epithelium, midgut epithelium, and hepatocytes in Far Eastern catfish (Silurus asotus). The survival rate decreased to 92.2±0.47% in the fed group and 74.4±2.59% in the starved group during the 210-day experimental period. GSI, HSI, and ISI were lowest in the starved group (p<0.05). The hepatocyte nuclear area, hepatocyte cell area, the nuclear height of the midgut epithelium, and the nuclear height of the kidney were highest in the fed group (p<0.05). The hepatocyte nuclear area, nuclear height of the midgut epithelium, and nuclear height of the kidney were lowest in the starved group (p<0.05). The numbers of melano-macrophages (MMs) found in the kidney cells increased during starvation in this species. This suggests that thinner body cavity regions, the contraction of hepatocyte nuclear sites, and the spreading of kidney cell MMs in this species could be used as alternative indicators for identifying starvation conditions. Therefore, the results from our study provide accurate indications of the nutritional status of Far Eastern catfish.



메기 (Silurus asotus) 기아 시 조직학적 변화

구 인본*, 김 영수, 박 인석1,†
㈜서준바이오
1한국해양대학교 해 양생명과학부

초록


    서 론

    메기 (Far Eastern catfish, Silurus asotus)는 메기목 (Siluriformes) 메기과 (Siluridae)에 속하는 어종으로, 2019년 국내 연간 생산량이 4,700톤 (내수면 어업 생산량의 약 15%)에 이르는 내수면 주요 양식 종이다 (KOSIS 2019). 대부분의 어류는 계절 변화에 의한 월동, 생리적 변화에 의한 산란기 및 회유 등으로 인한 자연 기아 상태를 겪으며, 생화학적, 생리학적 및 행동학적 전략을 통해 이러한 기아를 극복한 다 (Hur et al. 2006). 어류는 기아 상태에서 생존하기 위하여 기초 대사를 통해 축적한 자신 조직의 에너지를 사용한다 (Weatherley et al. 1987;Lee et al. 1999;Park 2006). 이렇듯 어 류는 자연 기아 상태를 겪으며, 섭이 없이 생존할 수 있는 능력을 갖추고 있는 바 어떤 종은 최대 4년 동안 기아 상태 를 버티며 자어는 섭이 없이 약 1개월간 생존할 수도 있다 (Hardy 2012).

    어류의 기아 상태는 조직학적 기준에 준거하여 확인 할 수 있다 (Theilacker 1986;Park et al. 2001). 기아에 의한 영양 결핍이 간세포 핵의 높이 감소를 초래한 결과가 여 러 연구에서 보고 되었으며, 비가역적인 기아의 시작은 간 세포 핵 높이의 변화가 선행하여 나타난다는 것이 확인 되었다 (Alvarez and Cowden 1966;Storch and Juario 1983;Strüssmann and Takashima 1989;Park 2006). 이러한 이유 로, Stoch and Juario (1983)는 간세포 핵 높이가 어류의 영 양 상태 확인을 위한 유용한 지표라 제시한 바 있다. 한 편, 장 상피세포의 높이 및 결합조직의 감소가 기아한 잉 어 (Cyprinus carpio)와 Nothern pike (Esox lucius)의 자어에 서 관찰되는 등, 어류의 소화기관에서도 기아의 효과가 나 타나 장 상피세포의 높이도 어류에서 영양 상태 확인을 위 한 지표로 이용되고 있다 (Kostomarova 1962;Ehrlich et al. 1976).

    일반적으로 경골어류는 신장 멜라닌을 함유하고 있으 며, 더욱이, 신장의 멜라닌대식세포 (melano-macrophages; MMs)는 비타민 E의 결핍, 적절치 않은 사료의 섭이, 기 아 혹은 노화와 같은 다양한 병리학적 및 생리학적 조건 에 따라 수적으로 증가하는 것이 보고된 바 있다 (Hur et al. 2006).

    따라서, 본 연구는 메기에서 기아의 효과를 조사하기 위 하여 기아 상태를 극단적으로 적용하여 생존율, 암·수 생식 소 중량지수 (gonadosomatic index; GSI), 간 중량지수 (hepa- tosomatic index; HSI), 장 중량지수 (intestinosomatic index; ISI), 신장세포와 장 상피세포 핵의 높이 및 간세포의 크기 에 대하여 조사하였다.

    재료 및 방법

    1. 실험 생물 및 실험 디자인

    실험어로 사용한 메기 (Silurus asotus)는 2017년 4월에 한 국해양대학교 수산유전육종학실험실의 어류사육실에서 부화시켜 2019년 3월 체장 18 cm 전후로 성장한 1,000마리 로, 이 중 200마리씩을 무작위로 선별하여 초기군 (initial), 섭이군 (fed) 및 기아군 (starved)으로 설정하였다.

    실험은 2019년 4월에 시작하였으며, 2019년 3월 실험 전, 모든 실험군에 대하여 체중 1~3%에 해당하는 양의 시 판 중인 사료 (Table 1)를 2주간 급이하였다. 실험 시작 시 실험어를 마취수의 중화와 마취 효과를 증대시키기 위 해 NaHCO3 농도를 1,000 mg L-1으로 한 후 염산리도카 인 (Lidocaine-HCl, Yuhan Co., Korea) 200 mg L-1에서 약 1~2분간 마취하고, 전자저울 ( JW-1, Acom, Poshen, Korea) 과 digital vernier caliper (CD-20CP, Mitutoyo, Kawasaki, Japan)를 사용하여 체중과 체장을 0.01 g, 0.01 cm 단위로 각 각 측정하였다. 실험 시작 시 각 실험군의 평균 체중과 평 균 체장은, 초기군이 359.5±9.88 g, 18.5±3.61 cm, 섭이군 이 354.1±7.74 g, 18.2±2.79 cm, 기아군이 356.1±9.71 g, 18.1±2.31 cm였다. 2019년 4월 4일, 본 실험 시작에 앞서 24시간 절식하여, 사료로 인한 측정 시의 자료 교란을 배제 하면서 최초 샘플을 하였다 (Park et al. 2001).

    각 실험군은 1.1톤 원형 FRP 수조 (지름 118 cm, 깊이 100 cm)를 각각 2개 조씩 사용하여 순환 여과 시스템으로 사육하였으며, 실험어의 탈출을 방지하기 위하여 수조에 그물을 덮어 실험을 진행하였다. 수온은 25±0.5°C를 유지 하였고, 광주기는 40 W 형광등 (5,400 K)을 이용하여 타이 머를 통해 12L : 12D 주기를 유지하였으며, 암기에는 어떠 한 불빛도 조사하지 않았다. 실험은 섭이군에는 매일 2회 (10:00~11:00, 18:00~19:00) 사료를 충분히 공급하고, 기 아군은 사료 급이를 하지 않으면서 기아군의 활력이 급격 히 저하하는 시기까지 진행하였다.

    2. 데이터 분석 및 통계 분석

    생존율은 매일 폐사한 메기의 수를 계수하여 소급 계산 하였다. 실험 종료 후, 사료로 장이 팽창된 샘플로 인한 자 료의 교란을 방지하기 위해, 섭이군을 샘플 전 24시간 절식 하였으며 (Park et al. 2001), 섭이군과 기아군 각각에서 60마 리씩을 채집하여 Lidocaine-HCl/NaHCO3을 이용하여 상 기 방법으로 마취 후 외형 사진 촬영과 체중 및 체장을 측 정하고, 10% 중성포르말린 수용액에 고정하였다.

    생식소 중량지수 (gonadosomatic index; GSI), 간 중량지 수 (hepatosomatic index; HSI) 및 장 중량지수 (intestinosomatic index; ISI)는 고정된 샘플을 이용해 조사하였다. 생 식소, 간 및 장을 10% 중성포르말린 수용액에 고정된 샘플 로부터 각각 적출하여, 생식소, 간 및 장의 무게를 측정한 후, GSI, HIS 및 ISI를 다음 식에 따라 각각 계산하였다:

    • GSI (%)=(생식소 무게/체중)×100

    • HSI (%)=(간 무게/체중)×100

    • ISI (%)=(장 무게/체중)×100

    기아의 효과를 조직학적 방법으로 조사하기 위하여 신 장세포, 장 상피세포 및 간세포를 이용하였다. 각 실험군 에서 적출한 신장, 장 및 간을 10% 중성 포르말린 수용액 에 최초 고정 후 Bouin’s solution에 24시간 동안 재고정 하였으며, 에탄올 (Sigma, USA) 시리즈를 통해 탈수 후 Xylene (Sigma, USA)으로 치환, 그리고 파라핀을 침투시 켜 측면 및 전면으로 포매하였다. 이후, 6 μm 두께로 연 속 절편하고, hematoxylin과 eosin-phloxine B로 염색하 여, slide 표본을 완성하였다. 완성한 slide 표본은 광학 현 미경 (Axioskop, Zeiss, Germany)을 통해 신장은 세뇨관 상 피, 장은 중장의 장 상피세포 그리고 간은 멜라닌대식세포 (melano-macrophages; MMs)와 간세포를 중심으로 관찰 하였다. 신장세포 및 장 상피세포 핵의 높이와 간세포 크기 는 eyepiece micrometer를 이용하여 광학 현미경 (Axioskop, Zeiss, Germany) 1,000배 배율 하에서 각 표본당 3개씩 측 정하였으며, 간세포 핵의 면적 (S)은 Seol et al. (2008)의 방 법에 따라 S=πab/4 (a=장축, b=단축)로 산출하였다. 일 원 분산분석 (one-way ANOVA)을 사용하여 그룹 간 유 의성을 비교하였으며 (p<0.05, n=60; SPSS 9.0, SPSS Inc., USA), 평균값은 Duncan’s multiple range test를 통해 p<0.05 수준에서 유의한 차이를 판별하였고, 모든 실험은 3 반복으로 수행하였다.

    결과 및 고찰

    메기 (Silurus asotus)의 기아 실험 시작 후 210일인 2019 년 11월에 기아군은 급격히 활력을 잃었으며, 이에 따라 실 험을 종료하였다. 실험 동안의 생존율은 Fig. 1에 나타난 바 와 같이 섭이군에서 92.2±0.47%, 기아군에서 74.4±2.59% 였다 (p<0.05).

    기아실험에 따른 메기의 외형은 Fig. 2와 같으며, 기아군 은 섭이군 및 초기군 대비 수척한 복부 외형을 보였다. 기 아 동안의 생존은 체내에 비축된 에너지 (내인성 에너지) 사용이 필수적이며, 이로 인해 신체 조직의 점진적 고갈 및 성장 감퇴를 초래한다 (Weatherley et al. 1987). 본 연구에 서도 210일간의 기아 결과 메기의 체장이 초기군에 비해 기아군에서 감소하였으며 섭이군에서는 증가하는 결과를 보였다 (Fig. 2). 이와 유사하게 넙치 (Paralichthys olivaceus) 에서 12주간의 기아 동안 체장이 초기군 대비 섭이군은 136.2%로 증가, 기아군은 92.1%로 감소한 결과를 보인 바 있다 (Park 2006).

    Table 2에 초기군 (initial), 섭이군 (fed) 및 기아군 (starved) 의 생식소 중량지수 (GSI), 간 중량지수 (HSI) 및 장 중 량지수 (ISI)를 나타내었다. 섭이군의 암컷 GSI는 초기군 과 유의한 차이를 보이지 않았으나 (p>0.05), 기아군 암 컷의 GSI는 초기군 및 섭이군에 비해 유의하게 낮은 값 을 보였다 (p<0.05). 섭이군 수컷의 GSI는 세 그룹 중 가 장 높은 값을 보였으며 (p<0.05), 초기군과 기아군 사 이에서는 유의한 차이를 보이지 않았다 (p>0.05). HSI 는 초기군과 섭이군 사이에서는 유의한 차이가 없었으나 (p>0.05), 두 군이 기아군보다 유의하게 높은 값을 나타내 었다 (p<0.05). ISI는 초기군과 섭이군 사이에서 유의한 차 이를 보이지 않았고 (p>0.05), 실험군 중 기아군에서 유의 하게 가장 낮은 값을 보였다 (p<0.05). 일반적으로, 기아는 여러 조직의 중량에 영향을 미치며, 경골어류에서 HSI는 생식소 발달과 연관이 있는 것으로 알려져 있다 (Lee et al. 2000). Lee et al. (2000)는 고등어 (Scomber japonicus), 쥐노 래미 (Hexagrammos otakii) 및 홍연어 (Oncorhynchus nerka) 의 HSI는 생식소 발달과 직접적으로 비례하는 반면, 은어 (Plecoglossus altivelis)와 뱀장어 (Anguillia japonica)는 반비 례한다고 보고하였다. 이번 연구 결과, 메기 암컷의 GSI는 초기군과 섭이군에서 높게 기아군에서 가장 낮았으며, HSI 도 이와 유사하게 초기군과 섭이군에서는 높고 기아군에 서는 가장 낮은 값을 나타내고 있어 메기는 생식소 발달과 HSI가 비례하는 어종으로 확인되었다. 한편, 수컷의 GSI는 섭이군에서 최고치를 보이며, 암컷의 GSI는 모든 실험군에 서 수컷의 GSI에 비해 높아, 난소가 정소보다 더 큰 것으로 확인하였다. 아울러, GSI와 HSI가 초기군과 섭이군 간에서 는 유의한 차이를 보이지 않은 바, 기아는 섭이보다 간 및 생식소에 더 큰 영향을 미치는 것으로 사료된다.

    210일간의 기아에 따른 신장세포 및 장 상피세포 핵의 높이와 간세포 크기 조사 결과는 Table 3과 같다. 신장세 포 핵의 높이는 섭이군, 초기군 그리고 기아군 순으로 유의 하게 높은 값을 나타내었다 (p<0.05). 신장세포 핵의 크기 는 섭이군이 다른 두 군보다 컸으며, 기아군 신장세포의 핵 은 작고 수축하여 있었다 (Fig. 3a, b). 신장의 멜라닌대식세 포 (MMs)의 크기는 기아군이 섭이군보다 컸으며, 그 수 또 한 기아군이 섭이군보다 많았다 (Fig. 3a, b). 어류에서 멜라 닌대식세포는 일반적으로 비장과 신장 내 조혈조직의 기 질에 존재하며, 광학 현미경 하에서 멜라닌대식세포는 다 양한 크기의 원형 혹은 타원형 구조로 주변 림프조직과 쉽 게 구별되는 반면, 전자 현미경하에서는 대식세포 그룹으 로 나타난다 (Seol et al. 2009). 더욱이 이러한 대식세포는 양서류, 파충류 및 일부 어류의 간에서도 발견된 바 있으 며, 어류 대식세포는 인간의 대식세포와 유사하게 독성물 질을 대사하고 신장에서 다양한 면역 기능을 수행하는 것 으로 알려져 있다 (Roberts 1975;Agius and Roberts 1981;Agius and Roberts 2003). 멜라닌대식세포는 보통 다양한 색소 (멜라닌, 리포푸신, 헤모시데린)를 함유하고 있으며, 노화 또는 질병이 있는 상태에서 그 범위와 부피가 증가하 고, 스트레스에 노출 혹은 질병 같은 비정상적인 생리 상태 에서 더 많이 나타남이 보고된 바 있다 (Agius and Roberts 2003). 이는 메기를 대상으로 한 본 연구에서도 기아군의 멜라닌대식세포 수량과 크기가 증가한 결과를 통해 확인 되었으며, 이러한 결과는 넙치, 돌돔 (Oplegnathus fasciatus) 및 틸라피아 (Tilapia mossambica)에서도 보고된 바 있다 (Agius and Roberts 1981;Hur et al. 2006;Seol et al. 2009). 한편, 메기에서 멜라닌대식세포의 수량과 크기는 섭이군과 초기군 사이에는 유의한 차이를 보이지 않은 바, 이는 Hur et al. (2006)이 보고한 넙치에서 12주간의 기아 동안 멜라 닌대식세포 침착 범위가 대조군에서 0.21~0.29%, 섭이군 에서 0.25~0.28%의 범위를 보인 결과와 그 경향이 유사하 였다. 이러한 결과는 섭이가 멜라닌대식세포의 수량과 크 기 변화에 영향을 미치지 않음을 시사하는 것으로 사료 된다.

    장 상피세포 핵의 높이는 섭이군, 초기군 그리고 기아 군 순서로 유의하게 높은 값을 보였으며 (p<0.05), 장 상 피세포 핵의 형태는 섭이군에서는 크고 균일하지만, 기아 군에서는 길쭉하고 불규칙한 모양이었다 (Fig. 3c, d). Jack mackerel (Trachurus symmetricus)에서 장 상피세포를 포함 한 소화기관이 기아 시 영향을 받는 것으로 보고된 바 있으 며 (Theilacker 1978), 이와 유사한 결과를 본 연구의 기아한 메기의 장 상피세포에서도 확인할 수 있었다. Park (2006) 또한 12주간의 넙치 기아실험에서 장 상피세포 핵의 높이 평균값이 기아군에서는 감소하고 섭이군에서는 증가하는 것을 보고한 바 있다. 이와 유사하게 기아 동안 감소한 운 동력에 수반되는 조직의 쇠퇴 결과들이 여러 연구자에 의 해 보고되고 있다 (Park 2006).

    간세포 핵의 면적은 섭이군이 초기군 및 기아군보다 유 의하게 넓었으며, 기아군의 면적이 유의하게 가장 작았다 (p<0.05). 간세포의 면적은 섭이군이 다른 군들에 비해 유 의하게 가장 큰 값을 보였으며, 초기군과 기아군 사이에서 는 유의한 차이가 나타나지 않았다 (p>0.05). 간세포의 모 양은 장 상피세포와 유사하게 섭이군에서는 크고 균일하 였지만, 기아군에서는 작고 비 균일한 형태를 보였다 (Fig. 3e, f). 대부분의 어류는 적절한 영양이 공급되면 간세포 핵 의 크기와 모양이 일정하지만, 그렇지 못할 경우 간세포 핵 의 내용물이 비염색체 단백질로 전환되고, 이에 따라 핵의 크기와 모양이 변화된다 (Alvarez and Cowden 1966;Storch and Juario 1983). 이러한 퇴행성 결과는 본 연구에서도 간 세포 핵의 면적, 모양 및 수의 차이가 관찰되어 확인할 수 있었으며, 수온 13°C에서 3개월간의 기아 상태를 거친 미 성숙한 무지개송어 (Salmo gairdneri)의 간 조직에서도 관찰 된 바 있다 (Robertson et al. 1963). 또한, 간세포 핵의 크기 관찰은 영양 상태를 확인하는 데 유용하기 때문에 Pejerry (Odontesthes bonariensis), 붉바리 (Epinephelus akaara) 자 어, 조피볼락 (Sebastes schegeli) 자어 및 연어 (O. keta) 치어 등 여러 어종을 대상으로 한 기아 연구에서 다루어졌다 (Strüssmann and Takashina 1989;Lee et al. 1998;Park et al. 1998).

    본 연구는 메기에서의 기아 효과를 생존율, 각 내장 조직 의 중량지수 및 일부 조직의 변화 관찰을 통해 조사하였다. 본 연구에서 도출된 GSI, HSI 및 ISI와 신장, 장 상피 및 간 의 조직학적 변화 결과들은 국내 주요 양식대상 종인 메기 에 대한 기초 자료로서 의미가 있으며, 기아에 의한 일부 조직의 변화에 대한 정보는 어류의 영양 상태를 확인할 수 있는 지표로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

    적 요

    메기 (Silurus asotus)의 기아 시 생존율, 생식소 중량지수 (gonadosomatic index; GSI), 간 중량지수 (hepatosomatic index; HSI) 및 장 중량지수 (intestinosomatic index; ISI)와 신장세포, 장 상피세포 및 간세포의 조직학적 변화를 조사 하였다. 생존율은 섭이군이 92.2±0.47%, 기아군이 74.4± 2.59%를 보였으며, GSI, HSI 및 ISI는 기아군에서 가장 낮 은 값을 나타내었다 (p<0.05). 신장세포 핵의 높이, 장 상 피세포 핵의 높이, 간세포 핵의 크기 및 간세포의 크기는 섭이군에서 가장 높은 값을 보였으며 (p<0.05), 신장세포 핵의 높이, 장 상피세포 핵의 높이 및 간세포 핵의 크기는 기아군에서 가장 낮은 값을 보였다 (p>0.05). 멜라닌대식 세포 (melano-macrophages; MMs)는 기아 동안 신장에서 증가함을 관찰하였다. 신장의 MMs 증가 및 간세포의 수축 현상은 메기의 기아 상태를 식별하는 지표로 이용할 수 있 으며, 본 연구의 결과는 메기의 영양 상태 확인을 위한 기 초 자료로서 의미가 있을 것으로 사료된다.

    사 사

    건설적이고 유용한 권고와 수정 지시로 본 논문의 수준 과 완성도를 높여 주신 익명의 심사자들께 감사드립니다. 본 연구는 교육부의 연구윤리확보를 위한 지침 (교육부 훈 령 제 153호)과 식품의약품안전처 (임상제도과)의 실험동 물에 관한 법률 (법률 제 15944호) 기준을 준수하였으며, 아울러 한국해양대학교 연구윤리를 준수하였습니다.

    Figure

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    Survival rates of fed and starved Far Eastern catfish, Silurus asotus, during the 210-day experimental period. The aggregate survival rates of the fed and starved groups during the experimental period were determined by each of the triplicate groups.

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    Typical external morphology of Far Eastern catfish, Silurus asotus, at the conclusion of the starvation experiment. Initial (a), and groups fed (b), and starved (c) for 210 days. Note that the lateral ventral region in the starved group is thin (arrows in c).

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    Histological appearance of the kidney, midgut epithelium, and liver under starvation conditions after 210 days in Far Eastern catfish, Silurus asotus. Histological observations of melano-macrophages (MMs: white arrow) in the kidneys of the fed (a) and starved (b) groups. The white arrows in (b) indicate the exact increase in the degree of MM deposition in the starved group. Midgut epithelium of the fed (c) and starved (d) groups. Note the reduction in the nuclear height of the midgut epithelium in the starved group. Livers of the fed (e) and starved (f) groups. Note the reduction in the size of the hepatocyte nuclei in the starved group. Hematoxylin and eosin staining. Bars indicate 10 μm.

    Table

    Composition of the experimental diets used in this starvation experiment*1

    Changes in the gonadosomatic index (GSI), hepatosomatic index (HSI), and intestinosomatic index (ISI) in the initial, fed, and starved groups in the 210-day starvation experiment in Far Eastern catfish, Silurus asotus*1

    Changes in the nuclear height of the kidney, nuclear height of the midgut epithelium, hepatocyte nuclear areas, and hepatocyte areas in the initial, fed, and starved groups in the 210- day starvation experiment in Far Eastern catfish, Silurus asotus*

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