서 언
쐐기풀속(Uritca L.) 식물은 전 세계적으로 63분류군이 분포하며, 주로 남반구 및 북반구의 아열대지역에 생육하는 것으로 알려져 있다(Grosse-Veldmann, 2017; Grosse-Veldmann et al., 2016). 한반도에는 가는잎쐐기풀(U. angustifolia Fisch. ex Hornem.), 애기쐐기풀(U. laetevirens Maxim.), 쐐기풀(U. thunbergiana Siebold & Zucc.) 등 3분류군이 자생하고 있으며(Kim and Sun, 2018), 주로 숲 가장자리, 강변 및 습지대에서 자란다. 이러한 생육환경 특성으로 인해 한반도 관속식물의 습지 선호도 유형에서 습지와 육상에서 비슷한 빈도로 출현하는 양생식물(facultative plant)과 대부분 육상에서 출현하나 습지에서도 낮은 빈도로 출현하는 임의육상식물(facultative upland plant)로 구분한다(Choung et al., 2020).
쐐기풀속 식물들은 식물체에서 변형된 자모(stinging hair)라는 특수한 털(아세틸콜린, 히스타민, 세로토닌, 모로이딘 및 포름산 등의 물질이 가득 참)을 가지고 있어 동물들이 스쳐 지날 때, 자모의 끝부분이 떨어져 나가 마치 주삿바늘처럼 액체가 주입되어 찌르는 고통을 유발하고, 피부질환을 일으킨다(Bisht et al., 2012; Kim and Kim, 2016; Youn et al., 2003).
본 속의 식물들은 빠른 성장으로 인해 과거에는 작물의 생장을 저해하는 잡초로 여겨졌지만, 최근에는 셀룰로오스, 미네랄, 카르티노이드 그리고 비타민 등의 활성 화합물이 84% 이상 함유하는 것으로 알려지면서, 생잎 또는 건조된 잎을 활용한 차, 스프, 빵 등의 식품으로 이용되고 있다(Di Virgilio et al., 2015). 또한 서양쐐기풀(U. dioica L.)은 전통적으로 약용, 식용, 섬유 등의 자원식물 소재로써 널리 활용되고 있다(Dhouibi et al., 2020; Gülçin et al., 2004). 최근에는 이러한 자원식물을 이용해 천연물신약, 기능성식품 및 화장품의 천연원료로 광범위하게 활용할 뿐만 아니라 경제적 가치가 증대됨에 따라 바이오산업의 소재로써 재평가되고 있다(Son et al., 2021; Song et al., 2020).
본 연구에서는 한반도 미기록식물로 확인된 서양쐐기풀에 대한 외부형태학적 기재와 화상자료 제공, 국명 부여, 근연분류군과의 검색표 및 계통수를 작성하여 특성을 보고하고자 한다.
재료 및 방법
형태학적 분석
국내 서양쐐기풀의 표본 및 생체를 이용하여 형태형질을 관찰하였다. 외부 형태학적 형질은 전자식 버지니어캘리퍼스(CD-20AX, Kawasaki, Mitutoyo, Japan)와 실체현미경(Olympus SZX7, Tokyo, Japan)으로 측정, 관찰하였고, 사진은 디지털카메라(Body: Nikon D750, Japan; Lens: Nikon 60 ㎜ f/2.8D, Japan)을 사용하여 촬영하였다. 형태학적 분석 결과는 기재문에 상세히 기록하고, 근연분류군과의 비교를 통해 검색표를 작성하였다.
분자계통학적 분석
국내 서양쐐기풀의 염기서열 분석을 위해 서울시 마포구 상암동 한강공원과 강남구 대치동 양재천변에서 채집된 개체의 건조표본(KIMJH20137, KIMJH20146)에서 잎을 채취하였고, DNeasy Plant Mini Kit (QIAGEN, Seoul, Republic of Korea)를 이용하여 DNA를 추출하였다. 추출된 DNA의 상태는 QIAxcel Advanced Instrument (QIAGEN)를 이용하여 확인하였고, 농도는 Synergy LX microplate reader (BioTek Instruments, Inc. Winooski, US)을 사용하여 측정하였다. 염기서열 분석 구간은 쐐기풀속의 계통학적 연구를 참고하여(Grosse-Veldmann et al., 2016), 리보소말 DNA의 internal transcribed space (ITS)와 엽록체의 3구간(psbA-trnH, trnL-F, trnS-G)이 선택되었고, 이용된 primer는 다음과 같다: ITSA/ITSB (Blattner, 1999), psbAF/trnHR (Sang et al., 1997), trnL-FE/trnL-FR (Taberlet et al., 1991), trnS(GCU)/trnG(UCC) (Hamilton, 1999). PCR 반응용액은 DNA 10-20 ng (1 μL), AccuPower® Taq PCR PreMix (Bioneer Co., Daejeon, Republic of Korea) 10 μL, 0.3 μM의 forward, reverse primer를 각각 0.5 μL씩 넣은 후, 총 볼륨이 20 μL가 되도록 3차 증류수를 첨가하였다. PCR 조건은 95℃에서 2분간 pre-denaturation을 진행한 후, 95℃에서 30초 동안 denaturation, 55℃에서 30초 동안 annealing, 72℃에서 45초(ITS, psbA-trnH) 또는 1분(trnL-F, trnS-G) 동안 extension으로 구성된 반응을 총 35회 반복하였다. 이러한 반복이 끝난 후에는 final extension을 72℃에서 7분 동안 진행하였다. PCR반응 여부는 QIAxcel Advanced Instrument을 통해 판단하였고, 성공적으로 구간의 증폭이 된 샘플은 Macrogen Inc. (Seoul, Korea)에 양방향 염기서열 분석을 의뢰하였다. 분석 장비로는 ABI 3730XL sequencer (Applied Biosystems)가 사용되었다.
염기서열 해독이 완료된 샘플의 Chromatogram을 Geneious R 7.1.9 (Biomatters Ltd., Auckland, New Zealand)에서 제공하는 ‘de novo assemble’을 이용하여 육안으로 비교한 뒤 결정하였고, 최종 염기서열 정보는 GenBank에 등록하였다(accession no.: OK021570-OK021571, OK042274-OK042279).
한강 수계에서 발견된 서양쐐기풀과 근연분류군의 Neighbor-Joining (NJ) 계통수가 PAUP (Swofford, 2002)을 이용하여 작성되었다. 이를 위해 NCBI에 등록된 본 속의 근연분류군과 군외군인 Nanocnide lobata Wedd.의 염기서열 정보가 추가되었고(Appendix 1), MAFFT version 7 (Katoh and Standley, 2013)를 이용하여 이들을 정렬하였다. 계통수 작성에 사용된 염기서열 자료는 ITS와 엽록체 구간을 통합한 자료를 사용하였다. Grosse-Veldmann et al. (2016)에 따르면, 엽록체 계통수는 쐐기풀과 식물 대부분의 계통군을 잘 지지하는 결과를 보였으나, U. dioica s.l. 계통군에서 다소 낮은 지지를 보였고, ITS는 기저군의 관계를 나타내는 데 문제가 있었지만 U. dioica s.l. 계통군에서 높은 지지도를 보여 ITS와 엽록체 구간의 유합 자료를 사용하였다고 한다. 이러한 점을 반영하여 본 연구의 NJ 계통수는 4구간(ITS, psbA-trnH, trnL-F, trnS-G)을 이용하였다. NJ 계통수 작성에 이용된 개체간 유전적 거리(Genetic distance)는 Kimura’s two parameter (Kimura, 1980)에 따라 계산되었고, 각 node들에 대한 지지도(BV, Bootstrap Value)는 1,000번의 replication을 통해 측정되었다. 이외에 염기서열의 변이율과 계통학적으로 유용한 형질(parsimoniously informative sites)은 Maximum Parsimony 분석을 통해 확인하였다.
결과 및 고찰
분류군의 기재
Urtica dioica L., Sp. Pl. 2: 984 (1753)-Type: Linnaeus 1111.8 [Lectotype: LINN!, designated by Woodland, Syst. Bot. 7:283 (1982)].
Urtica sicula Gasp. ex Guss., Fl. Sicul. Syn. 2:580 (1844); U. dioica L. var. sicula (Gasp. ex Guss.) Wedd., Arch. Mus. Hist. Nat. 9(1-2):78 (1856)-Type: Italy, Gasparrini s.n. [Lectotype: PAV!, designated by Corsi et al., Webbia 53: 193-239 (1999)].
Urtica haussknechtii Boiss., Fl. Orient 4:1146 (1879)-Type: Turkey, Haussknecht s.n. (JE!).
국명: 서양쐐기풀(Seo-yang-sswae-gi-pul, 신칭)
다년생 초본으로 높이는 60-150(-200) ㎝이다. 지하경은 목질화되며, 길게 뻗는다. 줄기는 직립하고 깊게 골지며, 표면에 짧은 자모와 강모로 밀생하지만 조락한다. 잎은 대생하고, 단엽이며, 장타원상 피침형, 장타원형 또는 선형으로 길이는 5-16 ㎝이다. 엽선은 점첨두, 짧은 강모가 밀생하며, 엽저는 절저, 평저 또는 원저이고, 가장자리는 예거치 또는 치아상 거치이다. 엽맥은 기부에서 3개의 맥이 발달하거나 우상맥이다. 향축면에는 짧은 강모가 산재하며, 상단부에 타원형 또는 긴 타원형의 종유체가 있고, 배축면에는 긴 장모가 맥을 따라 밀생한다. 엽병은 1.5-4 ㎝, 깊게 골지며, 자모가 산재하고 짧은 강모가 있다. 탁엽은 대생하는 잎의 엽병 측면에 나며, 이생한다. 자웅이주이다. 화서는 1쌍씩 액생하며, 원추상으로 배열되고, 3-5(-6) ㎝이다. 표면에는 굽고 짧은 강모가 밀생하고, 자모와 선모가 드문드문 분포한다. 수꽃의 화피편은 4개이고 복와상이며, 타원상 난형 또는 광타원형으로 길이는 0.5-1 ㎜이다. 암꽃의 화피편은 4개이고 기부에서 또는 중앙부까지 유합되며, 결실기에 2개는 커진다. 열매는 수과로 난형 또는 좁은 난형이며, 길이는 0.5-1(-1.5) ㎜이다(Figs. 1 and 2).
개화기: 5-7월
결실기: 7-9월
분포 및 생육지: 유라시아 원산으로, 남아메리카, 아시아, 오세아니아 등지에서 외래식물로 보고되었다(Esler, 1988; Mito and Uesugi, 2004; Shimizu, 2003; Weigend and Luebert, 2009). 한반도에는 강원도, 경기도 및 충청북도의 한강 수계와 연결된 수변부를 따라 수백 개체가 군락을 이루며, 넓은 면적에 걸쳐 분포한다. 서양쐐기풀의 자생지 환경은 뽕나무(Morus alba L.), 버드나무(Salix pierotii Miq.), 아까시나무(Robinia pseudoacacia L.) 등이 우점하고 왕버들(Salix chaenomeloides Kimura), 키버들(Salix koriyanagi Kimura ex Goerz) 등이 상층을 형성한다. 하층에는 애기똥풀[Chelidonium majus var. asiaticum (H. Hara) Ohwi], 환삼덩굴(Humulus japonicus Siebold & Zucc.), 털쇠무릎[Achyranthes bidentata var. tomentosa (Honda) H. Hara], 며느리배꼽[Persicaria perfoliata (L.) H. Gross], 참소리쟁이(Rumex japonicus Houtt.), 좀소리쟁이(Rumex nipponicus Franch. & Sav.), 가시박(Sicyos angulatus L.), 구슬갓냉이[Rorippa globosa (Turcz. ex Fisch. & C. A. Mey.) Hayek], 자주개자리(Medicago sativa L.), 각시갈퀴나물(Vicia dasycarpa Ten.), 벌사상자[Cnidium monnieri (L.) Cusson], 개곽향(Teucrium japonicum Houtt.), 돼지풀(Ambrosia artemisiifolia L.), 단풍잎돼지풀(Ambrosia trifida L.), 개똥쑥(Artemisia annua L.), 쑥(Artemisia indica Willd.), 물쑥(Artemisia selengensis Turcz. ex Besser), 미국가막사리(Bidens frondosa L.), 망초[Conyza canadensis (L.) Cronquist], 개망초[Erigeron annuus (L.) Pers.], 지칭개(Hemistepta lyrata Bunge), 산조풀[Calamagrostis epigeios (L.) Roth], 큰김의털(Festuca arundinacea Schreb.), 갈풀(Phalaris arundinacea L.), 가을강아지풀(Setaria faberi R. A. W. Herrm.) 등과 함께 자란다.
관찰표본: Chungcheongbuk-do: Chungju-si, Dongnyang-myeon, Yonggyo-ri, Namhangang, 08 Jul 2020, W. Lee Leew20001 (♀, 2 sheets [KB]). Gangwon-do: Chuncheon-si, Namsan-myeon, Gangchon-ri, Bukhangang, 11 Jul 2017, G.-H. Nam & H.-J. Park L171192 (♂, KB), KIMJH17129 (♂, KB), KIMJH17130 (♂, KB), KIMJH17131 (♂, KB). Gyeonggi-do: Gimpo-si Unyang-dong, Hangang, 18 Oct 2004, S.-G. Kwon & J.-Y. Lee 041477 (KB); Goyang-si, Ilsanseo-gu, Beopgot-dong, Hangang, 02 Sep 2004, S.-G. Kwon & J.-Y. Lee 041754 (♂, KB), 041755 (♂, KB); Paju-si, Munsan-eup, Majeong-ri, Imjingang, 09 Jul 2008, Lee et al. 2008450709 (♂, KB); Seoul-si, Gangnam-gu, Daechi-dong, Yangjaecheon, 17 Sep 2020, J.-H. Kim KIMJH20146 (♂, 3 sheets [KB]), KIMJH20147 (♂, 2 sheets [KB]), KIMJH20148 (♂, 2 sheets [KB]); Seoul-si, Gangseo-gu, Banghwa-dong, Hangang, 26 Jul 2020, J.-S. Kim kjs20033 (♀, 2 sheets [KB]), kjs20034 (♀, 2 sheets [KB]), kjs20035 (♀, KB), kjs20036 (♀, KB); Seoul-si, Mapo-gu, Sangam-dong, Hangang, 30 Jul 2020, J.-H. Kim KIMJH20137 (♀, KB), KIMJH20138 (♀, KB), KIMJH20139 (♀, KB), KIMJH20140 (♀, KB), KIMJH20141 (♀, KB), KIMJH20142 (♀, KB), KIMJH20143 (♀, 2 sheets [KB]), KIMJH20144 (♀, 2 sheets [KB]), KIMJH20145 (♀, 2 sheets [KB]), 18 Sep 2020, J.-H. Kim KIMJH20149 (♀, 3 sheets [KB]), KIMJH20150 (♀, 2 sheets [KB]), KIMJH20151 (♀, 2 sheets [KB]), 10 Jun 2021, J.-H. Kim KIMJH21044 (♀, 2 sheets [KB]), KIMJH21045 (♂, 2 sheets [KB]), KIMJH21046 (♂, 2 sheets [KB]); Yeoncheon-gun, Gunnam-myeon, Samgeo-ri, Imjingang, 10 Jun 2021, J.-H. Kim KIMJH21047 (♂, KB), KIMJH21048 (♀, KB), KIMJH21049 (♀, 2 sheets [KB]).
근연분류군과의 검색표
1. 탁엽은 합생한다 …U. thunbergiana (쐐기풀)
1. 탁엽은 이생한다.
2. 잎은 난형 또는 넓은 난형이다 …U. laetevirens (애기쐐기풀)
2. 잎은 좁은 피침형, 장타원상 피침형, 장타원형 또는 선형이다.
3. 자웅동주; 식물체에 자모와 강모가 산재한다 …U. angustifolia (가는잎쐐기풀)
3. 자웅이주; 식물체에 자모와 강모가 밀생하지만 조락한다 … U. dioica (서양쐐기풀)
본 분류군은 형태학적으로 잎, 자모와 강모 등과 같은 형질을 가지고 있어 가는잎쐐기풀(U. angustifolia)과 유사하지만, 단성화이고 자웅이주로 구분된다. 또한 5월에 개화하기 시작하여 결실이 이루어지므로 속내 근연분류군에 비해 개화기와 결실기가 빠른 편이다. 이들은 가는잎쐐기풀과 잎의 형태, 자모, 강모 등의 공통형질을 가지는 특징에 주목하여 국립생물자원관 표본관(KB)에 소장된 쐐기풀속 식물들도 재검토하였다. 그 결과, 다수의 서양쐐기풀이 가는잎쐐기풀로 오동정된 채 소장되어 있었다. 한강 하구역에서 2004년도 채집표본이 있는 것으로 보아 그 이전부터 국내에 정착한 것으로 판단된다.
한강과 양재천에서 채집된 두 개체의 염기서열은 ITS(580 bp), psbA-trnH(224 bp), trnL-F(356 bp)에서 일치하였으나, trnS-G (659 bp)에서 1 bp 치환이 있는 것으로 확인되었다. 4구간의 염기서열을 군외군을 제외한 근연분류군과 비교하였을 때 총 1,939 bp로 정렬되었고, 이 가운데 1,672 bp가 보존적이었고, 변이가 있는 site중 208 bp가 parsimony informative site로 나타났다.
NJ 계통수를 작성하기 전, ITS와 엽록체 3구간에 근거한 각각의 계통수를 비교하였고, 그 결과 각 계통수는 대체로 비슷하였다. 하지만 ITS 계통수에서 U. gracilis Aiton 그룹은 단계통으로 지지되었으나, U. dioica s.s. 그룹과 가는잎쐐기풀(U. angustifolia)은 단계통으로 지지되지 않았다. 반면, 엽록체 계통수는 U. dioica s.s. 그룹과 가는잎쐐기풀을 단계통으로 나타났으나, U. gracilis 그룹은 단계통으로 묶이지 않았다. 한편 ITS와 엽록체 구간의 유합 자료에서는 전체적으로 나은 해상력을 보였다. 결과적으로 유합 자료의 NJ 계통수 결과는 Grosse-Veldmann et al. (2016)의 결과와 유사하였고, 쐐기풀속의 모든 node는 높은 bootstrap value (> 50%)로 지지되었다(Fig. 3). Urtica cannabina L. (cannabina clade)와 애기쐐기풀(U. laetevirens) (laetevirens clade)는 각각 단계통을 형성하였으며, U. dioica s.l. 그룹과는 다른 계통군으로 묶였다. 한편 U. dioica s.l. 계통군 내에서는 U. dioica의 종하분류군과 U. gracilis의 종하분류군이 각자 단계통으로 지지되었으나, 가는잎쐐기풀의 경우에는 단계통으로 지지되지 않았다. 국내의 서양쐐기풀 2개체는 모두 U. dioica s.s.에 속하면서 서로 가장 가깝게 유집되었으나, 유럽산의 서양쐐기풀과(individual number: 2232)는 가깝게 유집되지 않았다. 이러한 U. dioica complex에서 관찰되는 형태와 유전 형질간의 차이는 각 개체의 지역별 적응, 최근의 종분화, 또는 잡종화 등의 가능성이 제시된 바 있다(Rejlová et al., 2021). 앞서 언급한 ITS와 엽록체 계통수간의 차이는 Rejlová et al. (2021)이 언급한 요인들에 대한 간접적 증거가 될 수 있으나, 추가적인 연구가 필요하다.
적 요
한반도 미기록 외래식물인 서양쐐기풀(쐐기풀과)를 한강 수계에서 발견하였다. 서양쐐기풀은 유럽, 온대 아시아, 서북아프리카 원산으로 알려져 있으며, 세계의 여러 지역에 도입되어 있는데 특히, 동아시아(일본), 오세아니아, 남아메리카에서 외래종으로 보고되었다. 본 분류군은 단성화이며, 자웅이주를 가지는 특징에 의해 근연분류군과 구분된다. Neighbor-Joining 계통수에서 국내 난지한강공원과 양재천에서 채집된 서양쐐기풀은 U. dioica s.s.군으로 유집되었다. 주요 형질에 대한 기재문과 화상자료 및 검색표를 제시하였다.
