[논문]남극 로스해 지역의 아델리펭귄과 황제펭귄 분변 유전자를 활용한 남극 펭귄 장내 미생물의 메타지놈 분석

최소윤; 이승재; 조민주; 최은경; 김진무; 김정훈; 김현우; 박현

doi:10.23005/ksmls.2023.8.1.43

남극 로스해 지역의 아델리펭귄과 황제펭귄 분변 유전자를 활용한 남극 펭귄 장내 미생물의 메타지놈 분석
Metagenomic Analysis of Antarctic Penguins Gut Microbial Dynamics by using Fecal DNA of Adélie (Pygoscelis adeliae) and Emperor (Aptenodytes forsteri) Penguins in Ross Sea, Antarctica 원문보기

한국해양생명과학회지 = Journal of marine life science, v.8 no.1, 2023년, pp.43 - 49

최소윤 (고려대학교 생명공학과) , 이승재 (고려대학교 생명공학과) , 조민주 (고려대학교 생명공학과) , 최은경 (고려대학교 생명공학과) , 김진무 (고려대학교 생명공학과) , 김정훈 (한국해양과학기술원 부설 극지연구소) , 김현우 (부경대학교 자원생물학과) , 박현 (고려대학교 생명공학과)

초록
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본 연구에서는 남극 로스해 연안에 서식하는 아델리펭귄(Pygoscelis adeliae)과 황제펭귄(Aptenodytes forsteri)의 분변 시료를 기반으로 펭귄 장내 미생물 메타지놈 연구를 수행하였다. Taxonomy 분석 결과, 아델리펭귄과 황제펭귄의 장내 미생물에는 주로 7개의 문(phylum), 18개의 과(family)가 존재하는 것으로 나타났다. 또한 미생물 다양성을 평가하기 위해 Alpha diversity 및 OTU abundance 분석을 수행한 결과, 전반적으로 아델리펭귄의 장내 미생물 다양성이 황제펭귄보다 높은 것을 확인하였고, PCoA를 기반으로 한 Beta diversity 분석을 통해 두 개체군 간 장내 미생물 군집에 차이가 존재함을 확인하였다. PICRUSt를 활용한 기능적인 차원의 KEGG pathway 분석을 통해서는 아델리펭귄과 황제펭귄 시료에서 nucleoside and nucleotide biosynthesis pathway가 가장 많이 존재하는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 남극 아델리펭귄과 황제펭귄의 장내미생물 구성과 다양성을 비교분석 할 수 있었다. 본 연구 결과는 향후 펭귄의 먹이 섭식 관련 연구에 활용될 수 있으며, 더 나아가 다양한 남극 생물의 장내미생물 메타지놈 분석에 대한 기초가 될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study applied a metagenomic analysis of the penguins' gut microbiome from fecal samples of Adélie Penguin (Pygoscelis adeliae) and Emperor Penguin (Aptenodytes forsteri) living along the Ross Sea, Antarctica. As a result of taxonomic analysis, 7 phyla and 18 families were mainly present in the gut microbiome of Adélie and Emperor penguins. To assess microbial diversity, we performed alpha diversity and OTU abundance analyses. It was confirmed that the Adélie Penguin's gut microbial species had a higher diversity than Emperor Penguin's. Based on the Beta diversity analysis using PCoA, differences were observed in the clustering between Adélie and Emperor penguins, respectively. Through the KEGG pathway analysis using PICRUSt, the nucleoside and nucleotide biosynthesis pathway was the most prevalent in Adélie and Emperor penguins. This study enabled a comparison and analysis of the composition and diversity of the gut microbiome in Adélie and Emperor Penguins. It could be utilized for future research related to penguin feeding habits and could serve as a foundation for analyzing the gut microbiomes of various other Antarctic organisms.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Sampling locations on Ross Sea region, Antarctica. Red circle means colony of Adelie Penguin. Blue circle means colony of Emperor Penguin.
그림 Fig. 2. Sample size-based rarefaction and extrapolation curves.
표 Table 1. Information of penguin's fecal samples and summary of metagenomic analysis results of each fecal sample. '#' means 'Number'
그림 Fig. 3. Antarctic penguin's gut mkrobiota composition at the (A) phylum and (B) family levels.
그림 Fig. 4. Comparison of the Number of OTUs, Shannon, Chaol, Simpson, faith_pd, observed_otus values between Adélie Penguin (AP) and Emperor Penguin (EP).
$Fig. 5. Weighted Unifrac distance based PCoA plot of the OTU-level bacterial community composition of penguin's fecal samples. Each icon size is proportional to the number of OTUs.$ 그림 Fig. 5. Weighted Unifrac distance based PCoA plot of the OTU-level bacterial community composition of penguin's fecal samples. Each icon size is proportional to the number of OTUs.
그림 Fig. 6. (A) Venn diagram representing numbers of OTUs between Adélie Penguin (AP) and Emperor Penguin (EP). (B) Venn diagram representing the numbers of OTUs within Adélie Penguin (AP). (C) Venn diagram representing the numbers of OTUs within Emperor Penguin (EP).
그림 Fig. 7. Functional categories obtained with PICRUSt for stability and exacerbation (KEGG database at level 2) between Adélie Penguin (AP) and Emperor Penguin (EP).

AI 본문요약
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제안 방법

각 OTU 별로 확인된 종을 통해 taxonomy 분석을 수행하여 시료 별 구성 미생물 종의 분포를 확인하였다(Fig. 3).

대상 데이터

펭귄의 분변 시료는 2017년도부터 2019년도까지 11월부터 2월 사이에 남극 빅토리아 랜드의 로스해 연안에서 채집하였다. 아델리펭귄 번식지인 Cape Adare (CA), Cape Hallet (CH), Inexpressible Island (II), Edmonson Point (EP), Mandible Cirque (MC), Adelie Cove (AC)를 포함한 총 6곳에서 9개의 분변 시료를 채집하였고, 황제펭귄 번식지인 Cape Washington (CW)과 Coulman Island (CI)가 포함된 2곳에서는 3개의 분변 시료를 채집하였다(Fig. 1, Table 1).
펭귄의 분변 시료는 2017년도부터 2019년도까지 11월부터 2월 사이에 남극 빅토리아 랜드의 로스해 연안에서 채집하였다. 아델리펭귄 번식지인 Cape Adare (CA), Cape Hallet (CH), Inexpressible Island (II), Edmonson Point (EP), Mandible Cirque (MC), Adelie Cove (AC)를 포함한 총 6곳에서 9개의 분변 시료를 채집하였고, 황제펭귄 번식지인 Cape Washington (CW)과 Coulman Island (CI)가 포함된 2곳에서는 3개의 분변 시료를 채집하였다(Fig.

데이터처리

4), 아델리펭귄 그룹이 황제펭귄 그룹에 비해 분변 내 미생물 종의 다양성이 높은 것을 확인하였다. Beta diversity 분석은 Weighted Unifrac distance에 기반하여 시료 간의 유사도를 확인하였고 이를 주좌표 분석(PCoA)을 통해 나타내었다. 아델리펭귄과 황제펭귄의 OTU들이 각 그룹 별로 clustering 되는 것으로 보아 그룹 간에 장내 미생물 군집에 차이가 있음을 확인하였다(Fig.
5). 아델리펭귄과 황제펭귄에서 관찰되는 OTU 수를 개체군 별, 시료 별로 비교 분석하기 위해 OTU abundance를 나타낸 벤 다이어그램을 활용하였다(Fig. 6).

이론/모형

아델리펭귄과 황제펭귄의 분변 시료로부터 얻은 유전자 산물을 기반으로 대사 활동 경로 분석을 하기 위해 PICRUSt를 활용하였다(Fig. 7).

성능/효과

아델리펭귄과 황제펭귄의 분변 시료 내 미생물 군집에서의 OTU 개수의 분포와 함께 종 다양성 정도를 나타내는 Alpha diversity index 중 Shannon, Chao1, Simpson, faith_pd, 그리고 observed otus를 비교한 결과(Fig. 4), 아델리펭귄 그룹이 황제펭귄 그룹에 비해 분변 내 미생물 종의 다양성이 높은 것을 확인하였다. Beta diversity 분석은 Weighted Unifrac distance에 기반하여 시료 간의 유사도를 확인하였고 이를 주좌표 분석(PCoA)을 통해 나타내었다.
P1)를 제외한 나머지 시료에서는 주로 Clostridiaceae와 Peptostreptococcaceae가 가장 높은 비율을 차지하는 것으로 관찰되었다. II.AP.P1에서는 Anaerotignaceae가 가장 높은 비율을 차지하는 것으로 확인되었다. 황제펭귄의 경우, Cape Washington과 Coulman Island에서 채집한 세 시료에서 모두 Fusobacteriaceae가 가장 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 나타났다.
7). KEGG pathway 분석을 통해 아델리펭귄과 황제펭귄 시료에서 모두 nucleoside and nucleotide biosynthesis pathway가 가장 많이 존재하는 것을 확인하였다. 두 번째로는 Cofactor, Prosthetic Group, Electron Carrier, and Vitamin Biosynthesis에 대한 pathway가 많이 존재하였으며, 세 번째로는 Amino Acid Biosynthesis pathway가 그 뒤를 이었다.
그 중 아델리펭귄의 경우 Actinobacteriota, 황제펭귄의 경우 Fusobacteriota가 가장 많은 비율을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 과(family) 수준의 분석 결과로는 아델리펭귄과 황제펭귄의 분변 시료에 18개의 주요 미생물 과가 분포되어 있음을 확인하였다. 아델리펭귄의 경우 채집 위치에 따라 다른 양상을 보였지만, Inexpressible Island에서 채집한 시료(II.
아델리펭귄과 황제펭귄의 분변 시료에서 문(Phylum) 수준의 분석 결과 7개의 주요 문이 분포하고 있음을 확인하였다. 그 중 아델리펭귄의 경우 Actinobacteriota, 황제펭귄의 경우 Fusobacteriota가 가장 많은 비율을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 과(family) 수준의 분석 결과로는 아델리펭귄과 황제펭귄의 분변 시료에 18개의 주요 미생물 과가 분포되어 있음을 확인하였다.
아델리펭귄과 황제펭귄의 분변 시료를 통해 얻은 미생물 종 분석 결과, 두 펭귄의 종간 장내 미생물 군집에 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 또한 아델리펭귄의 경우 과 수준의 장내 미생물 구성이 서식지에 따라 상이한 것을 확인하였고, 황제펭귄의 경우 장내 미생물구성이 서식지에 따라 큰 영향을 받지 않고 유사한 양상을 보이는 것으로 나타났다.
6A). 아델리펭귄과 황제펭귄 간의 비교 외에도 각각의 개체 내에서 채집 위치별로 OTU abundance를 비교한 결과, 모든 아델리펭귄에서 공통적으로 확인된 OTU 개수는 9개(Fig. 6B), 황제펭귄은 16개(Fig.
6). 아델리펭귄과 황제펭귄에서 공통적으로 나타나는 OTU 수는 37개로 확인되었으며, 아델리펭귄에서 특이적으로 확인된 OTU 개수는 206개, 황제펭귄에서 특이적인 확인된 OTU 개수는 118개로 나타났다(Fig. 6A).
Beta diversity 분석은 Weighted Unifrac distance에 기반하여 시료 간의 유사도를 확인하였고 이를 주좌표 분석(PCoA)을 통해 나타내었다. 아델리펭귄과 황제펭귄의 OTU들이 각 그룹 별로 clustering 되는 것으로 보아 그룹 간에 장내 미생물 군집에 차이가 있음을 확인하였다(Fig. 5).
아델리펭귄과 황제펭귄의 분변 시료 내 미생물 군집에서의 OTU 개수의 분포와 함께 종 다양성 정도를 나타내는 Alpha diversity index 중 Shannon, Chao1, Simpson, faith_pd, 그리고 observed otus를 비교한 결과(Fig. 4), 아델리펭귄 그룹이 황제펭귄 그룹에 비해 분변 내 미생물 종의 다양성이 높은 것을 확인하였다.
황제펭귄의 경우, Cape Washington과 Coulman Island에서 채집한 세 시료에서 모두 Fusobacteriaceae가 가장 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 아델리펭귄과 황제펭귄의 분변 시료를 통해 얻은 미생물 종 분석 결과, 두 펭귄의 종간 장내 미생물 군집에 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 또한 아델리펭귄의 경우 과 수준의 장내 미생물 구성이 서식지에 따라 상이한 것을 확인하였고, 황제펭귄의 경우 장내 미생물구성이 서식지에 따라 큰 영향을 받지 않고 유사한 양상을 보이는 것으로 나타났다.
6C)로 나타났다. 이를 통해 아델리펭귄의 장내 미생물이 황제펭귄보다 종 다양성이 높은 것을 확인할 수 있었다.
두 번째로는 Cofactor, Prosthetic Group, Electron Carrier, and Vitamin Biosynthesis에 대한 pathway가 많이 존재하였으며, 세 번째로는 Amino Acid Biosynthesis pathway가 그 뒤를 이었다. 채집된 지역에 따른 시료 별로 분석한 결과로는 CW.EP.P17와 MC.AP.P19가 각각의 개체군을 대표하여 각 pathway에 대해 가장 높은 relative abundance를 보이는 것으로 확인되었다.

참고문헌 (24)

Ainley D, Russell J, Jenouvrier S, Woehler E, Lyver POB, Fraser WR, Kooyman GL. 2010. Antarctic penguin response to habitat change as Earth's troposphere reaches 2 C above pre-industrial levels. Ecological Monographs 80: 49-66.

상세보기
Ballard G, Jongsomjit D, Veloz SD, Ainley DG. 2012. Coexistence of mesopredators in an intact polar ocean ecosystem: The basis？for defining a Ross Sea marine protected area. Biological？Conservation 156: 72-82.

상세보기
Ballerini T, Tavecchia G, Pezzo F, Jenouvrier S, Olmastroni S. 2015.？Predicting responses of the Adelie penguin population of？Edmonson Point to future sea ice changes in the Ross Sea.？Frontiers in Ecology and Evolution 3: 1-11.
Bolyen E, Rideout JR, Dillon MR, Bokulich NA, Abnet CC, Al-Ghalith？GA, Alexander H, Alm EJ, Arumugam M, Asnicar F, et al. 2019.？Reproducible, interactive, scalable and extensible microbiome？data science using QIIME 2. Nature Biotechnology 37: 852-857.

상세보기
Burns JM, Kooyman GL. 2001. Habitat use by Weddell seals and？emperor penguins foraging in the Ross Sea, Antarctica.？American Zoologist 41: 90-98.

상세보기
Doney SC, Ruckelshaus M, Emmett Duffy J, Barry JP, Chan F, English？CA, Galindo HM, Grebmeier JM, Hollowed AB, Knowlton N,？et al. 2012. Climate change impacts on marine ecosystems.？Annual Review of Marine Science 4: 11-37.

상세보기
Fadeev E, Cardozo-Mino MG, Rapp JZ, Bienhold C, Salter I, Salman-Carvalho V, Molari M, Tegetmeyer HE, Buttigieg PL, Boetius？A. 2021. Comparison of two 16S rRNA primers (V3-V4 and？V4-V5) for studies of arctic microbial communities. Frontiers？in Microbiology 12: 637526.

상세보기
Fretwell PT, LaRue MA, Morin P, Kooyman GL, Wienecke B,？Ratcliffe N, Fox AJ, Fleming AH, Porter C, Trathan PN. 2012.？An emperor penguin population estimate: the first global,？synoptic survey of a species from space. PLoS One 7: e33751.

상세보기
Goetz KT, McDonald BI, Kooyman GL. 2018. Habitat preference？and dive behavior of non？breeding emperor penguins in the？eastern Ross Sea, Antarctica. Marine Ecology Progress Series？593: 155-171.

상세보기
Hong S-Y, Gal J-K, Lee B-Y, Son W-J, Jung J-W, La H-S, Shin K-H,？Kim J-H, Ha S-Y. 2021. Regional Differences in the Diets of？Adelie and Emperor Penguins in the Ross Sea, Antarctica.？Animals 11: 2681.

상세보기
Hopkins TL. 1987. Midwater food web in McMurdo Sound, Ross？Sea, Antarctica. Marine Biology 96: 93-106.

상세보기
Huson DH, Weber N. 2013. Microbial community analysis using？MEGAN. Methods in Enzymology 531: 465-485.

상세보기
Kooyman GL, Ponganis PJ. 2017. Rise and fall of Ross Sea emperor？penguin colony populations: 2000 to 2012. Antarctic Science？29: 201-208.
Lee J-Y, Mannaa M, Kim Y, Kim J, Kim G-T, Seo Y-S. 2019. Comparative Analysis of Fecal Microbiota Composition Between Rheumatoid Arthritis and Osteoarthritis Patients. Genes 10: 748.

상세보기
Lee Y, Ahn J-H, Choi Y-M, Weon H-Y, Yoon J-H, Song J. 2015. Bacterial core community in soybean rhizosphere. Korean Journal of Microbiology 51: 347-354.
Michel LN, Danis B, Dubois P, Eleaume M, Fournier J, Gallut C, Jane P, Lepoint G. 2019. Increased sea ice cover alters food web structure in East Antarctica. Scientific Reports 9: 1-11.
Millares L, Perez-Brocal V, Ferrari R, Gallego M, Pomares X, Garcia-Nunez M, Monton C, Capilla S, Monso E, Moya A. 2015. Functional Metagenomics of the Bronchial Microbiome in COPD. PLoS One 10: e0144448.

상세보기
Mohd Shaufi MA, Sieo CC, Chong CW, Gan HM, Ho YW. 2015. Deciphering chicken gut microbial dynamics based on high-throughput 16S rRNA metagenomics analyses. Gut Pathogens 7: 1-12.
Moon J-G, Jung M-Y, Kim J-G, Park S-J, Kim D-S, Kim J-S, Rhee S-K. 2013. A Unique Prokaryotic Assemblage of Wall Biofilm of a Volcanic Cave (Daesubee) in Jeju. Korean Journal of Microbiology 49: 184-190.
Quan J, Cai G, Yang M, Zeng Z, Ding R, Wang X, Zhuang Z, Zhou S, Li S, Yang H, et al. 2019. Exploring the Fecal Microbial Composition and Metagenomic Functional Capacities Associated With Feed Efficiency in Commercial DLY Pigs. Frontiers in Microbiology 10: 1-12.
Smith Jr WO, Ainley DG, Arrigo KR, Dinniman MS. 2014. The oceanography and ecology of the Ross Sea. Annual Review of Marine Science 6: 469-487.

상세보기
Tabassum N, Lee J-H, Lee S-R, Kim J-U, Park H, Kim H-W, Kim J-H. 2022. Molecular Diet Analysis of Adelie Penguins (Pygoscelis adeliae) in the Ross Sea Using Fecal DNA. Biology 11: 182.

상세보기
Vallet C, Beans C, Koubbi P, Courcot L, Hecq J-H, Goffart A. 2011. Food preferences of larvae of Antarctic silverfish Pleuragramma antarcticum Boulenger, 1902 from Terre Adelie coastal waters during summer 2004. Polar Science 5: 239-251.

상세보기
Zheng Z, Nie Y, Chen X, Jin J, Chen Q, Liu X. 2022. Historical population dynamics of the Adelie penguin in response to atmospheric-ocean circulation patterns at Beaufort Island, Ross Sea, Antarctica. Global and Planetary Change 216: 103892.

상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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