DNA Metabarcoding Analysis for Fish Stomach Contents and Zooplankton Diversity

Abstract

동물플랑크톤은 해양 먹이사슬에서 일차생산자와 상위 소비자를 연결하는 데 중요한 역할을 한다. 해양생태계의 먹이망 구조를 파악하기 위해서는 동물플랑크톤 군집을 이해하는 것이 중요하다. 동물플랑크톤을 연구하는 전통적인 방법은 주로 형태 분석에 의존하며, 전문가적 분석에 있어 많은 시간과 비용이 필요하다. 메타바코딩 분석은 현재 다양한 수중 생태계의 생물다양성 분석에 널리 사용되고 있으며, 이는 NGS(차세대 시퀀싱) 기술이라는 대규모 시퀀싱 플랫폼과 바코드 시퀀스의 증가로 인해 가능해졌다. 미토콘드리라 Cytochrome c oxidase 영역과 rDNA 영역을 포함한 다양한 DNA 마커가 연구 목적에 따라 메타바코딩 분석에 사용되어 왔으며, Primer 설계 및 선택은 메타바코딩 방법으로 생물다영성을 분석하는 첫 번째 단계이다. 본 연구에서는 동물플랑크톤 분석을 위해 후생동물 미토콘드리아 Cytochrome b Oxidase I(COI) 영역을 대상으로 하는 범용 프라이머 세트를 설계하였다. in silico 분석 결과 범용 프라이머 세트는 PCR 성능을 위해 대부분의 후생동물 분류군(25 문)을 커버하고 MiSeq 플랫폼에 적합한 크기(500 ~ 509 bp)였다. 범용 프라이머 세트의 검증은 남극 이빨 어류 위 내용물과 극지 동물 플랑크톤 샘플에서 확인되었다. 남극 58.4 및 88.3 해역에서 채집된 남극이빨고기(Dissostichus mawsoni)의 위 내용물을 메타바코딩 분석을 사용하였다. 남극 58.4 및 88.3 해역에서 163개체에서 총 130 및 164 OTUs를 확보하였다. 본 연구에서는 D. mawsoni의 위 내용물에서 총 19종, 14종의 어류와 5종의 연체동물이 확인되었다. 확보된 OTUs 90% 이상이 어류에 속해 D. mawsoni의 주요 먹이가 어류라는 가정을 뒷받침한다. Macrourus whitsoni와 Chionobathyscus dewitti 두 어종이 가장 중요한 먹이 생물로 이전 연구와 유사한 결과를 확인하였다. 또한 NGS 분석을 통해 먹이 생물의 유전자형을 얻었고, 추가로 17개의 표준 유전자형(representative genotype)을 식별하였다. 형태분석 연구와 NGS 기반 분자 학적 연구결과 비교는, 이전에는 불가능했던 D. mawsoni의 먹이생물에 대한 지식을 확장하였다. 또한, 2017년 북극해에서 채취한 12개의 동물플랑크톤 시료를 메타바코딩법으로 분석하였다. 7문(Annelida, Arthropoda, Chaetognatha, Chordata, Cnidaria, Echinodermata, Mollusca)을 포함하여 총 329개의 후생동물 표준 유전자형이 동정되었다. 요각류의 평균 비율은 64.5%로, 이번 연구에서 우점종은 Calanus glacialis, C. hyperboreus, Pseudocalanus minutus 순이었다. 이 연구 결과는 여러 북극 동물 플랑크톤 연구 결과와도 유사하였다. 메타바코딩 분석법을 이용하여 동물플랑크톤의 생물다양성과 분포 양상을 분석하기 위하여 2016년 2월, 4월, 8월, 9월 한국 연안 12개 지점에서 동물플랑크톤을 채집하였다. 13문 44강을 포함하여 대부분의 후생동물군을 포함하는 총 951개의 표준 유전자형이 동정되었다. Copepods는 지구 생태계와 탄소 순환에 중요하며 해양에서 가장 우점한 분류군 중 하나이다. 크기가 작고 상대적으로 더 빨리 성장하며 전 세계 해양에 고르게 분포되어 있기 때문에 요각류는 크릴새우보다 전 세계 해양의 2차 생산성과 전 세계 해양 탄소 흡수원에 훨씬 더 많이 기여하는 것으로 알려져있다. 951개의 표준 유전자형 중 337개의 요각류 표준 유전자형이 계통발생학적 분석에 의해 70개의 clade로 분류되어 샘플링 기간 동안 한국 동물플랑크톤 다양성에 기여하였다. 화살벌레로 알려진 Chaetognatha는 플랑크톤의 주요 구성 요소인 포식성 해양 동물 문이다. 계통학적 분석으로 21종으로 나눈 160종의 chatognatha 표준 유전자형을 동정하였다. 흥미롭게도 14형은 한류의 지표종으로 알려진 Sagitta elegance 로 분석되었다. 본 연구에서 clade 14의 분포는 기존 연구의 결과와 유사하였다. 새로 설계된 범용 COI 프라이머 세트 및 메타바코딩 방법은 동물플랑크톤 분석에서 신뢰할 수 있으며, 전통적인 동물플랑크톤 분석 방법의 대안적인 방법중 하나로 사용할 수 있다. 이러한 결과는 바코드 데이터베이스의 품질이나 이를 형태학적 가치와 연결하는 정밀한 분자 정량 기술의 개발 등 현재의 여러 기술적 한계를 극복한다면 NGS 기반의 동물 플랑크톤 생물다영성 연구에 다양한 기여가 가능함을 시사한다.