eDNA metabarcoding analysis of fish assemblages and benthic microbiomes in the furrowed seabed area

Abstract

인위적 활동에 의한 해저의 물리적 변형은 해양생태계에 광범위한 영향을 주는 것으로 알려져 있으나 한국 해역에서의 영향에 대한 과학적이고 객관적인 분석 자료가 부족한 실정이다. 본 논문은 남해의 해저에서 이루어 지고 있는 물리적 활동이 해양 생태계에 미치는 영향을 평가하기 위해 전통적인 생태학적 접근법의 대안으로 떠오르고 있는 환경 DNA 메타바코딩 (eDNA metabarcoding) 방법을 이용하여 어류와 저층 미생물의 군집 구조를 비교분석하였다. 2019년 9월과 11월에 해저가 물리적 변형된 해역 (3H, 3I)와 인근 해역 (4D, 4G, 5H), 그리고 약 20km 떨어진 해역 (N, E, E1, W, S) 에서 채집한 환경 시료에 대해 어류는 MiFish primer, 저서 미생물은 16S rDNA primer를 이용하여 Illumina MiSeq system을 통해 분석하였다. MiFish pipeline분석을 통해 20개의 정점에서 전체 어류 86종이 확인되었고 군집다양성의 유사분석도을 통해 해저가 물리적 변형된 해역, 9월 그리고 11월 해역의 3개의 group을 확인하였다. Heatmap 분석을 통해 참돔이 해저가 물리적 변형된 해역과 다른 group을 구분하는 대표종으로 확인되었다. 이러한 어류 군집의 특이성은 인위적인 물리적 활동에 의한 해저의 지형과 수리수문학적 특성의 변화가 이들에게 유리한 환경을 제공하였기 때문이라고 생각된다. 또한 생물다양성 통계분석을 통하여 해저가 물리적으로 변형된 해역에서 다른 해역에 비해 매우 유의하게 낮은 생물다양성이 확인되었다. 따라서 해저에서의 물리적 변형은 서식지의 인위적인 파괴로 인하여 종 다양성에 악영향을 끼치는 것으로 파악된다. 저서 미생물 군집 구조 분석을 통해 보았을 때 해저의 물리적 변화에 의한 유의한 차이가 확인되지 않았으며 계절에 따른 구분이 확인되었다. 이는 해저의 물리적 변형의 영향이 저서 미생물 군집 구조의 변화에는 크게 작용하지 않은 것으로 파악된다. 다만 해저가 물리적으로 변형된 해역과 먼 곳에 위치한 E1 지역에서 특이적으로 높은 미생물량을 확인하였다. 이와 같은 결과가 해저에서의 물리적 활동으로 발생한 부유사가 해류에 의해 이동한 결과인지 아니면 지역적 특성 요인에 의한 것인지에 대한 추가적이 연구가 필요하다. 본 연구를 통하여 한국 해역의 생태계에 대한 해저의 인공적인 물리적 변형의 영향을 확인하였으며 환경 DNA를 이용한 분석법이 환경 교란에 따른 생태계의 변화를 분석하는데 뛰어나다는 것을 확인하였다. 하지만 본 연구는 단 기간의 연구이며 해양 생태계는 지역적 환경에 크게 좌우된다. 그러므로 지역적 환경을 고려한 장기간의 추가 연구가 필요하다.

Although physical changes in the seabed caused by artificial activity are known to have broad impacts on the marine ecosystem, its scientific understanding for the reliable assessment of their effect still lacks in Korean waters. However, traditional survey methods require a high degree of cost and labors to obtain factual data. Alternatively, we here adopted the environmental DNA metabarcoding (eDNA metabarcoding) technique to analyze the fish and benthic microbial assemblages. Fish and microorganism were analyzed by Illumina MiSeq system using Mifish primer and 16S rDNA primer, respectively, for environmental samples collected in the furrowed area (3H and 3I), nearby area (4D, 4G, and 5H) and distance located area (N, E, E1, W, and S) in September and November 2019. A total of 86 fish species were identified from 20 sites from the MiFish pipeline. Based on the similarity analysis, three fish assemblage clades were identified; those in furrowed, in September, and in November. Heat map analysis revealed that the Pagrus major is the species statistically abundant in the furrowed area compared with the other two clades. The difference of fish assemblage in the furrowed area from the other two clades appeared to be to the environmental changes by artificial physical activity, such as changes in seabed topography and hydrodynamic characteristics, providing a favorable environment for them. Besides, the furrowed clade showed significantly low biodiversity compared with those of the others. Different from the fish assemblage, there was no detectable difference in microbiomes of the seabed between furrowed area and unaffected ones suggesting its fast recovery in the surface of the seabed. Instead, higher microbial biomass was identified in site E1, where the remote area of the furrowed one.Further study is needed to determine whether this result is due to the impact of suspended sediment caused by artificial physical activity in the seabed transported by ocean currents or due to regional characteristics. From this study, we have identified that the changes of fish assemblage induced by the physical change in the seabed by the artificial impacts in Korean waters using eDNA metabarcoding analysis, which suggested that this technique is useful for the estimating the changes in the marine ecosystem with low cost and labors. However, it is too early to conclude by a single short-term study and further study should be conducted to obtain better results.