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Bioinformatic Study of Microbes in Aquatic Environment using DNA metabarcoding
DNA metabarcoding 을 이용한 수생환경에서의 생물정보학적 연구

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Authors
김희수
Advisor
김원
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
DNA metabarcodingbiodiversitycommunity structuremesozooplanktonbioindicatorcrabintestinal microbiomepostmortem submersion intervaldrowning생물다양성군집구조동물플랑크톤생물지표장내미생물사후시간익사
Description
학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 자연과학대학 생명과학부, 2020. 8. 김원.
Abstract
The development of next-generation sequencing technology has led to the advent of DNA metabarcoding that identify many organisms in the mixture or environmental samples at once. This approach enables the efficient acquisition of large amounts of biological data, and has the ability to evaluate the biodiversity and community structure of ecosystems. With the importance of DNA metabarcoding recognized, many research projects are already actively underway in other countries. However, compared with the research trends of DNA metabarcoding around the world, researches of DNA metabarcoding in Korea are more basic and limited in scope. This dissertation reports three case studies of the aquatic environments that were conducted using DNA metabarcoding to compensate for the drawbacks of domestic research trends in DNA metabarcoding. The final objective of this study is to apply DNA metabarcoding approach to various case studies in aquatic environments. Based on this, it is to understand and explain the biological phenomena of aquatic environments with metadata produced DNA metabarcoding. Each chapter of the dissertation was organized according to the case study.
In Chapter 1, DNA metabarcoding was newly applied along with the traditional morphological identification to establish a method for zooplankton community survey in the Marine and Coastal National Park areas of Korea. By comparing the results of these two identification methods, the strengths and limitations of DNA metabarcoding were verified with the zooplankton communities appearing in these areas. The sensitive detection capability of DNA metabarcoding enabled the identification of potential bioindicator taxa associated with external factors in these national parks. I propose the use of metabarcoding for efficient surveys of mesozooplankton communities in the Marine and Coastal National Parks to establish monitoring of bioindicator taxa. It is also necessary to continuously search for taxa with high research value in these national parks using metabarcoding. Establishing an ongoing monitoring system that employs this approach can provide an effective tool for managing marine ecosystems in the Marine and Coastal National Parks.
In Chapter 2, the association between family of crabs and feeding behavior on their intestinal microbiomes of Korean crabs was confirmed using DNA metabarcoding. With the metadata of the intestinal microbiome in the crabs, the controversial phylogenetic relationship between the superfamilies Ocypodoidea and Grapsoidea was newly interpreted. It was confirmed that the intestinal microbiome differed according to the family of crabs and specific microbial operational taxonomic units (OTUs) related to the evolution of Malacostraca were indentified. Intestinal microbial biodiversity and community were found to differ according to the feeding behavior. The function and role of intestinal microbiomes associated with the feeding behavior were predicted. These results were inferred to be related to the type of food available to hosts and its nutritional characteristics.
In Chapter 3, as a case study, microeukaryotic biodiversity and community structures of car bonnet and pig carcass were investigated to determine the applicability of DNA metabarcoding in drowning case. Pig carcass was used to simulate the decomposing process of drowning bodies. As a control, car bonnet was used to confirm the general process of succession occurring in aquatic environments. Using DNA metabarcoding, I confirmed that the microeukaryotic biodiversity in pig carcass was relevantly lower than that in car bonnet. Also, some taxa were related to the decomposition. The relative abundances of these taxa varied with the decomposition period. It is expected that the change pattern of these taxa may be used as a good indicator for estimating the postmortem submersion interval (PMSI) of drowning cases.
This dissertation includes manuscripts that were submitted to peer-reviewed journals during my Ph.D. course.
NGS 기술의 발달로, 혼합된 샘플이나 환경샘플에서 많은 생물을 한번에 식별할 수 있는 DNA metabarcoding 이 등장하였다. 이러한 방법은 대량의 생물학적 데이터를 효율적으로 획득할 수 있으며, 생태계의 생물다양성과 군집구조를 평가할 수 있다. DNA metabarcoding 의 중요성을 일찍이 인지하고 이미 국외의 경우, 많은 연구프로젝트가 이미 활발히 진행되고 있다. 그러나 국외의 연구동향과 비교하였을 때, 국내의 DNA meteabarcoding 연구는 기초적이고 연구범위가 제한적이다. 본 학위논문은 이러한 국내 연구동향의 단점들을 보완하기 위해 수생환경에서의 세가지 사례연구에 DNA metabarcoding 을 적용하였다. 이 학위논문의 최종목표는 DNA metabarcoding 을 이용하여 생산된 DNA 메타데이터로 수생환경에서의 생명현상을 설명하고 이해하는 것이다. 본 학위논문의 각 장은 사례연구 별로 구성하였다.
제 1 장에서는 한국의 해상∙해안국립공원 지역의 동물 플랑크톤군집의 조사 방법을 확립하기 위해 기존의 형태학적 식별과 함께 DNA metabarcoding 을 새롭게 적용하였다. 공원지역에서 출현하는 동물플랑크톤 군집을 대상으로 두 가지 식별방법의 결과들을 비교하여 DNA metabarcoding 의 장, 단점을 확인하였다. 또한, DNA metabarcoding 의 민감한 탐지능력은 국립공원에서의 수온, 염도, 지형, 엽록소 농도와 같은 외부요인과 연관된 잠재적인 생물지표 분류군을 식별할 수 있게 하였다. 이를 기반으로 한국의 해상∙해안국립공원 지역의 동물 플랑크톤군집을 효율적으로 조사하기 위해서는 DNA metabarcoding 을 사용한 잠재적인 생물지표 분류군을 모니터링을 할 것을 제안한다. 또한 DNA metabarcoding 은 이러한 국립 공원 지역에서 연구 가치가 높은 분류군을 지속적으로 탐색할 수 있는 도구로 이용 될 수 있다. DNA metabarcoding 을 이용한 이러한 접근 방법을 기반으로 한 지속적인 모니터링 시스템의 구축은 해상 ∙ 해안 국립 공원의 해양 생태계 관리를 위한 효과적인 도구를 제공 할 수 있다.
제 2 장에서는 DNA metabarcoding 을 이용하여 조간대에서 서식하는 게 장내미생물 군집과 게의 과, 먹이습성간의 관계를 규명하였다. 게 장내미생물의 메타데이터를 기반으로 기존의 논란이 있었던 바위게상과와 달랑게상과간의 계통학적 관계를 새롭게 해석하였다. 게의 과 수준 에 따라 게 장내미생물의 군집이 서로 다른 것을 확인하였으며, 그 중 일부 게의 과에서 연갑류의 진화와 연관된 장내미생물 OTUs 를 발견하였다. 먹이습성에 따른 게 장내미생물의 생물다양성과 군집이 서로 다름을 확인하였으며, 이와 관련된 장내미생물의 기능과 역할을 예측하였다. 이러한 결과는 게의 섭취할 수 있는 먹이의 유형과 영양적인 특징과 연관이 있음이 유추되었다.
제 3 장에서는 사례연구로써, 익사사건에서의 DNA metabarcoding 의 적용가능성을 확인하고자 DNA metabarcoding 을 이용하여 자동차 보닛과 익사한 돼지의 미소진핵생물의 생물다양성과 군집구조를 조사하였다. 돼지 사체는 익사체의 부패과정을 가정하기 위해 사용하였다. 대조군으로써, 자동차 보닛은 수생환경에서 발생하는 일반적인 천이과정을 확인하기 위해 사용하였다. DNA metabarcoding 을 사용함으로써 돼지사체의 미소진핵생물의 생물다양성은 자동차 보닛의 생물다양성보다 낮음을 확인하였다. 또한 부패와 연관이 있는 분류군들이 파악되었으며, 부패시기에 따라 상대적인 풍부도가 변화하는 것이 확인되었다. 이러한 변화패턴은 익사사건의 사후시간을 추정하기 위한 좋은 생물지표로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 학위논문 내용은 학위 과정 중 저널에 투고한 원고를 포함하였다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/170683

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000162697
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Appears in Collections:
College of Natural Sciences (자연과학대학)Dept. of Biological Sciences (생명과학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._생명과학부)
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