Effect of disturbance on structure and function of soil microorganisms: A metagenomic approach

Abstract

지금까지 토양 생물군의 교란에 대한 반응은 정밀하게 통제된 실험과 DNA에 기초한 방법으로는 많이 연구되지 않았다. 본 연구에서는 토양 microcosm에 인위적인 교란을 준 후 분류학상의 구성, 유전자의 기능과 발현의 상관 관계를 조사하였다. 이를 위해 총 24주 동안 시간 흐름에 따른 교란 이후의 반응과 교란의 빈도에 따른 토양 군집의 회복과 영향을 알아보는 실험이 진행되었다. 먼저 토양 microcosm시스템에 90 %의 멸균 토양을 섞는 초기 교란을 준 후 시간차를 두고 6번의 샘플 채취를 통해 일련의 시간 흐름에 따른 토양 군집의 회복을 알아보는 실험이 진행되었다. 토양 DNA는 24주 동안 일정한 시간 간격을 두고 추출되었으며 각 샘플의 전체 메타지놈 데이터는 NextSeq을 통해 시퀀싱되었다. 초기 조건과 비교해보았을 때, 토양 미생물 군집의 구조와 기능에서 시간 경과에 따라 일정하고 순차적인 변화가 관찰되었고 이는 시간에 따른 생태 자리(niche)의 변화를 보여주었다. 예상했던 것처럼 초기 천이 과정에 있는 샘플들은 운동성과 관련된 기능을 가진 유전자들이 상대적으로 많이 발견되었고 DNA/RNA/단백질 대사, 세포 분열과 세포 주기와 관련된 유전자들은 적게 발견되었다. 그러나 세포 신호 전달, 독성과 그 방어에 관련된 유전자들은 시간의 흐름에 유의미한 변화를 보이지 않았고, 환경 스트레스와 관련된 유전자들도 천이 과정 말기로 갈수록 상대적으로 줄어들었다. 초기 천이 과정에서는 낮은 분류학적 다양성을 가지고 있었지만 유전자 기능의 다양성은 높게 관찰되었다. 시간이 지남에 따라 관찰된 특징들은 말기에 그 변화 폭이 줄어들기는 하지만 교란을 주기 전인 초기 조건으로 돌아가는 방향성을 보였다. 두 번째로, 토양에 24주 동안 서로 다른 빈도로 교란을 주는 실험을 진행하였다. 토양 DNA는 5단계의 교란 빈도 차이를 가진 샘플들에서 추출되었고 전체 메타지놈 데이터는 Nextseq을 통해 시퀀싱되었다. 토양 미생물 군집의 다양성은 교란 빈도가 증가함에 따라 감소하였지만 기능 유전자들의 다양성은 교란 빈도에 따라 증가하였다. 관찰된 특징들은 교란 빈도에 영향을 받아 변화를 나타냈으며 변화 폭은 점차 줄어들었지만 낮은 빈도의 교란을 준 샘플일수록 초기 조건과 유사한 구성을 가졌다. 예상한 것처럼 교란 빈도에 따라 차이가 발생했으며 높은 교란을 경험한 군집은 DNA/RNA 대사, 운동성, 세포 분열과 세포 주기와 관련된 유전자가 상대적으로 높게 관찰되었다. 그러나, 예상과는 다르게 단백질 대사와 스트레스에 관련된 유전자의 경우에는 낮은 교란 빈도를 준 군집에서 더 많이 발견되었다. 이 결과는 토양 생태계 교란 이후 시간에 따른 변화와 교란 빈도에 따라 유전자 기능과 생물 분류군의 예상 가능한 변화를 나타내고 있으며, 큰 생물체에서 적용되었던 생태학적 천이의 양식과 비교되었다.

There has been little study of effects of disturbance on soil biota combining closely controlled experimental conditions and DNA-based methods. A soil microcosm system was studied subject to disturbance by investigating the taxonomic composition, gene function and gene expression patterns using metagenomics. In this paper, effect of time successional and disturbance frequency on soil communities was studied during 24 weeks. First, a soil microcosm system was set up where pots of soil were sampled at varying times following an initial simulated mass mortality event. Soil DNA was extracted at intervals up to 24 weeks after the event for studying time successional recovery, and the shotgun metagenomes were sequenced using NextSeq. Compared to the initial conditions, results showed: consistent, sequential changes in functional metagenome and community structure over time, indicating successional niche differentiation. As predicted, the early successional systems had greater abundance of genes associated with motility, but fewer genes relating to DNA/RNA/protein metabolism, cell division and cell cycle. However, contrary to predictions, there were no significant differences in cell signaling and virulence & defense, and less abundant stress related genes in late succession. The early successional system had lower taxonomic diversity but higher functional gene diversity. Over time, all these characteristics changed in the direction of a return towards the initial conditions before disturbance, although recovery stalled at later stages. Secondly, an experiment was set up where pots of soil were incubated over 24 weeks, undergoing disturbance events at different frequencies. Soil DNA was extracted from the five different levels of disturbance frequencies, and the shotgun metagenomes were sequenced using NextSeq. Diversity of soil microbe had consistently decline by increasing disturbance but functional gene diversity increased. All these characteristics changed by disturbance frequency, less disturbed samples tended to be similar to initial conditions although distinction became less among disturbed samples. As predicted, there were general differences through frequent disturbance and the communities with high disturbance had greater abundance of genes associated with DNA/RNA metabolism, motility, cell division and cell cycle. However, contrary to predictions, protein metabolism, stress response related genes were more abundant in lower disturbed communities. Results indicated that there is a predictable sequence of gene functions and taxa that accompany succession after soil disturbance and disturbance frequency within the communities, paralleling general patterns of ecosystem succession for large organisms.