A Study on Prokaryotic Community Diversity and Metabolic Functions of Surface-sediments in the West Antarctica

Abstract

남극의 환경은 대기권, 수권, 암석권, 극저온권, 생물권과 밀접하게 연관되어 있다. 이러한 환경은 빙하가 녹는 것과 같은 극적인 변화가 발생하는 지역이기 때문에 지구의 물리적, 생물학적 시스템에서 매우 중요한 부분이다. 또한 남극의 저서 환경은 지역에 따라 높은 압력, 낮은 온도, 낮은 영양 가용성으로 인해 원핵생물에게 생존하기 어려운 조건이다. 원핵생물은 바이오매스 측면에서 우세하며 해양 생태계에서 유기물과 영양분의 생물지구화학적 흐름에서 중요한 역할을 한다. 원핵생물들은 혹독한 환경에서 성장하고 생존하기 위해 변화를 겪었고 따라서 연구를 위한 엄청난 유전적 다양성을 보여준다. 따라서 남극에서 이러한 미생물 군집 구조와 대사 기능을 이해하는 것은 빠르게 변화하는 남극 환경에 대한 미생물 군집의 변화에 대해 예상 할 수 있을 뿐만 아니라 생명공학 응용을 위한 우수한 유전학적 자원을 제공 할 수 있다. 그러나 서남극 지역에서는 원핵생물 군집의 다양성과 생태학적 기능에 대한 이해가 여전히 부족하다. 본 연구에서는 지역에 따라 원핵생물 군집이 어떻게 다른지, 표층 퇴적물의 물리적·화학적 특성이 서남극 지역의 원핵생물의 다양성 및 그 기능과 어떤 관련이 있는지를 연구하였다. 본 연구에서는 서남극 퇴적물의 생태계를 보다 잘 이해하기 위한 저서 원핵생물의 다양성과 그 대사기능을 연구하기 위해 16SrDNA 파이로 시퀀싱과 샷건시퀀싱을 적용하였다. 원핵생물의 16S rRNA 유전자의 V5-V8 영역의 파이로 시퀀싱을 통해 원핵생물 군집 분포가 지리적으로 뚜렷한 차이를 나타내었다. 아문젠 해역에서는 크렌아키오타가 더 우세한 것으로 밝혀진 반면, 알파와 감마프로테오박테리아 는 로스 해역에서 상대적으로 더 풍부했다. 게다가, 주로 암모니아 산화 고세균 니트로소스페리아형 크렌아키오타는 아문젠 해의 비 폴리냐 지역보다 폴리냐 지역에 덜 풍부했고, 온도와는 양의 상관관계를 전 유기탄소와는 음의 상관관계를 보였다. 반면, 프로테오박테리아는 온도와 음의 상관관계를 보였지만, 로스해의 전 질소 및 전 유기탄소와는 양의 상관관계를 보였다. 이 자료는 환경 조건이 원핵생물의 다양성과 군집 구조에 영향을 미친다는 것을 시사한다. 약간 높은 온도, 낮은 전 유기탄소와 및 낮은 δ13C는 아문젠 해에서 암모니아 산화 고세균 니트로소스페리아형 크렌아키오타가 번성할 수 있게 하고, 온도가 낮고 불안정한 질소와 탄소가 로스 해에서 프로테오박테리아가 우세할 수 있게 한다. 세 개의 원양 퇴적물의 샷건 시퀀싱 자료를 분석한 결과 세 개의 정점에는 유사한 분류군이 존재하였지만, 원핵생물 군집 구조는 정점마다 달랐다. 비록 세 정점 모두에서 프로테오박테리아가 가장 풍부한 문이었지만, 정점 R6에서는 감마프로테오박테리아가 가장 풍부한 문이었고, 정점 R7과 R8에서는 알파프로테오박테리아가 가장 풍부한 문이었다. 고세균은 모든 정점에서 덜 풍부했고, 현장에서 저서 원핵생물 군집에 대한 기여도가 상당히 적었다. 정점 R6에서는 정점 R7과 R8보다 타움고센균이 덜 풍부했다. 암모니아 산화물인 타움고센균은 과영양 해양 환경에서 살고 있기 때문에, 더 많은 내화질소와 탄소(예: 더 높은 δ15N, 더 낮은 δ13C) 조건이 이러한 유기체들이 정점 R7과 R8에 더 풍부하게 존재할 수 있도록 하는 것으로 나타났다. 따라서 대륙붕 내부와 대륙붕 외부 사이에는 미생물 군집 구조와 기능적 잠재력에 차이가 있으며, 이 차이는 뚜렷한 환경 조건에 의해 크게 영향을 받으며, 유기물 활용은 로스해의 원핵생물 군집을 형성하는 중요한 요소이다. 서남극 저서 퇴적물로 배양 가능한 박테리아의 발견과 특성화 연구를 수행하였다. 4개의 퇴적물 샘플에서 73개의 박테리아 균주를 분리하여 확인하였으며, 그 중 슈와넬라속의 2개의 균주 M2T와 R106의 생리학적, 화학적, 계통발생학적, 게놈적 특성을 분석하였다. 슈와넬라속에 속하는 2종의 새로운 종들은 선택적으로 혐기성이며, 성장을 위한 최적의 온도가 가장 낮았다. 또한, 새로운 종은 철 수송에 관여하는 두 세트의 feoA-feoB 오페론을 가지고 있었다. 따라서, 이러한 결과는 M2T가 그들의 가장 가까운 계통발생학적 슈와넬라 종들 사이에서 다른 전략을 사용하여 분리된 환경에 적응한다는 것을 나타낸다. 파이로 시퀀싱과 샷건 시퀀싱 분석을 통해 슈와넬라 종들이 연구 지역의 저서 퇴적물에서 우점하고 있다는 것도 확인되었다. 본 연구는 다단계적 접근법을 통해 얻은 자료를 바탕으로 연구 지역에서 슈와넬라 종이 철 순환에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈다. 전반적으로, 이 연구는 원핵생물이 서남극의 저서 환경에서 중요한 역할을 한다고 제안한다. 그리고 이러한 발견은 서남극에 있는 원핵생물의 생태학적 기능에 대한 우리의 지식을 증가시킬 뿐만 아니라, 환경 변화에 대한 그들의 적응 능력을 예측하는 데 도움이 될 것이다.

The Antarctic environments are closely linked to the atmosphere, hydrosphere, lithosphere, cryosphere and biosphere systems. These environments are extremely important parts of the global physical and biological system as the region is experiencing dramatic changes such as glacier melting. Also, Antarctic benthic environments are harsh conditions for survival to prokaryotes due to high pressures, low temperature and low nutrient availability depending on the areas. Prokaryotes predominate in terms of biomass and perform a significant role in the biogeochemical flux of organic matters and nutrients in the marine ecosystem. Prokaryotes have undergone changes for the growing and survival under harsh environments and thus show enormous genetic diversity for exploration. Thus, understanding the community structures and metabolic functions of these organisms in the Antarctica are may provide insights into expected response of the microbial communities to the Antarctic environment which are rapidly changing and distribute excellent source for biotechnological applications. However, the prokaryotic community diversity and their ecological functions are still poorly understood in the west Antarctica. This study investigated how do benthic prokaryotic communities differ by overlying seawater properties according to areas and how do physical and chemical characteristics of surface sediments relate with benthic prokaryotic diversity and their functions in the west Antarctica. In this study, to investigate the benthic prokaryotic diversity and their metabolic functions to better understand the ecosystem in the West Antarctica sediments, 16S rDNA pyrosequencing and shotgun sequencing were applied. Pyrosequencing of V5–V8 region of bacterial and archaeal 16S rRNA genes revealed that prokaryotic community distribution exhibited obvious geographical differences. While Phylum Crenarchaeota were found to be more dominant in the Amundsen Sea, Alpha- and Gammaproteobacteria were relatively more abundant in the Ross Sea. Moreover, mainly Ammonia-oxidizing archaea (AOA) Nitrososphaeria-type Crenarchaeota was less abundant in the polynya sites than non-polynya sites in the Amundsen Sea and have shown positive correlation with temperature and negatively correlated with TOC. On the other hand, Proteobacteria have shown negatively correlated with temperature, but positively correlated with TN and TOC in the Ross Sea. The data suggests that the environmental conditions influence to prokaryotic diversity and community structures. The slightly high temperature, low TOC and lower δ13C allow that AOA Nitrososphaeria-type Crenarchaeota flourish in the Amundsen Sea and lower temperature and more labile nitrogen and carbon allow predominance of Proteobacteria in the Ross Sea. The analyses of three shotgun sequencing data of pelagic sediment revealed that there were similar taxonomic groups in three stations but prokaryotic community structure have differed between the stations. Although Proteobacteria were the most abundant phylum in all three stations, it was identified that Gammaproteobacteria were the most abundant class in the station R6, while Alphaproteobacteria were the most abundant class in the station R7 and R8. Archaea were less abundant in all stations and contributed substantially less to the benthic prokaryotic communities, in situ. The phylum Thaumarchaeota was less abundant in the station R6 than in the station R7 and R8. An ammonia oxidizing Thaumarchaeota are lives in the oligotrophic marine environment, thus, more refractory nitrogen and carbon (e.g., higher δ15N and lower δ13C) conditions allow these organisms are more abundant in the station R7 and R8. Therefore, there are differences in community structure and functional potential of benthic prokaryotes between inner continental shelf and outer of continental shelf. The difference benthic prokaryotic distribution was strongly affected by distinct environmental conditions, and organic matter utilization is an important factor to shape benthic prokaryotic community in pelagic sediments of the Ross Sea. An identification and characterization of culturable bacteria were performed in surface deep-sea sediments in the west Antarctica. 73 bacteria strains were isolated and identified from 4 sediment samples, of which two strains M2T and R106 in the genus Shewanella were subjected to analyses of physiological, chemotaxonomical, phylogenetic and genomic characteristics. Two novel species in the genus Shewanella were facultatively anaerobic, and had the lowest optimal temperature for growth. Also, a new species had two sets of the feoA–feoB operon involved in ferrous iron transport. Hence, these results may indicate that the strain M2T adapt to the environment in which the strain was isolated using different strategies among their closest phylogenetic relatives Shewanella species. Pyrosequencing and metagenome analyses also confirmed that Shewanella species were dorminant in surface sediment of the study areas. Based on the data obtained by polyphasic approach, this study provide insight that Shewanella species plays a important roles in iron cycling in the study areas. Over all, this study suggested that prokaryote might play a important roles in benthic environment in the west Antarctica. And these finding will increase our knowledge about the ecological functions of the benthic prokaryotes in the west Antarctica as well as help preddict their ability for adaptation against environmrnts changing.