초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
1. 환경변화에 따른 킹조지섬 육상생물의 생리생태 반응 규명
가. 극지역 육상생태 관측 분야 선도기술 개발
남극 바톤반도를 대상으로 식생 분포에 영향을 미치는 다양한 환경요소를 평가하기 위해 시계열 위성 자료를 이용한 눈 분포 지도, 무인기 영상을 이용한 미세지형도 및 미세지형도 기반의 지표수계 공간분포 정밀지도를 제작하였다. 바톤반도에서 쉽게 발견할 수 있는 대표 식생 17종에 대한 분광라이브러리를 구축하여 향후 무인기 또는 위성 원격탐사자료에서의 활용 가능성을 가상의 시뮬레이션 이미지를 제작하여

Ⅳ. 연구개발결과
1. 환경변화에 따른 킹조지섬 육상생물의 생리생태 반응 규명
가. 극지역 육상생태 관측 분야 선도기술 개발
남극 바톤반도를 대상으로 식생 분포에 영향을 미치는 다양한 환경요소를 평가하기 위해 시계열 위성 자료를 이용한 눈 분포 지도, 무인기 영상을 이용한 미세지형도 및 미세지형도 기반의 지표수계 공간분포 정밀지도를 제작하였다. 바톤반도에서 쉽게 발견할 수 있는 대표 식생 17종에 대한 분광라이브러리를 구축하여 향후 무인기 또는 위성 원격탐사자료에서의 활용 가능성을 가상의 시뮬레이션 이미지를 제작하여 픽셀 분류, 분광혼합분석 측면에서 분석하였다. 바톤반도 서식 남극좀새풀의 생장량 변화를 장기 모니터링하기 위해, 비파괴적 방법으로 매년 동일 개체들의 생장량 측정이 필요하다. 이를 위해, 남극좀새풀을 사진으로 촬영하여, 식물체를 구성하는 픽셀수를 추출한 뒤 생체량으로 변환해 주는 소프트웨어 그린스케일을 개발하였다.
나. 킹조지섬 대표 식생의 생리생태 기작 규명
남극좀새풀의 대표적인 서식공간인 물가 옆 자갈밭과 낫깃털이끼 매트 위 개체를 대상으로 미기후 요소 (광량, 온도, 토양수분량)와 광합성 효율과의 상관관계를 관찰했다. 자갈밭에 비해 낫깃털이끼 매트 위는 미기후 요소의 변화가 적었으며, 남극 좀새풀의 평균 광합성 효율이 높았고 개체별 격차가 적었다. 이는 남극좀새풀의 광합성 반응이 미기후 요소 뿐 아니라 서식지 공간의 특성에도 영향을 받음을 시사한다.
낫깃털이끼는 0-8도 조건에서 최대광합성 효율을 보이고, –8도에서 약 32도의 조건에서 최대광합성 효율의 90%를 유지하였다. 급격한 건조 조건에서 광계II의 스트레스 반응지표 (1-qP값)는 처리 1시간 이후 증가하였으나 광합성 효율은 느린 건조 조건과 유사하였다. 낫깃털이끼는 광범위한 온도변화 및 급격한 건조에 대한 보호기작이 존재하는 것으로 판단된다. Usnea의 광합성 공생체는 가근 주변에서 확인되었고, Stereocaulon은 불특정하게 분포하였다. 수분 조절 컨테이너를 이용하여 건조-재수화 과정을 모니터링한 결과, Usnea는 외부 수분 조건 변화와 광합성 효율의 상관관계가 낮았으나 Stereocaulon은 밀접한 상관관계를 보여, 지의체 내 수분 전달 경로 및 수분흡수 효율은 종마다 차이가 있음을 확인했다.
환경변화에 따른 바이오크러스트내 세균 및 진균의 군집 변화를 확인하기 위해, 바톤반도 내 KGL01 영구 눈 피복 지역 근처의 천이 지역에 대해 식생 타입별 바이오크러스트 샘플을 취득하였다. 이들의 top/soil 부분별 미생물을 분리하고 이들의 군집 구조를 확인하고자 하였다. 그 결과, 총 77개의 배양체를 얻었으며, amplicon sequencing을 통해 남극좀새풀 및 남극낫깃털이끼 우점 바이오크러스트의 ITS, 16S amplicon sequencing을 통해 박테리아 및 군집구조를 확인했다.
서식지 위도차에 따른 남극 식물의 분자 수준 반응을 비교하기 위해 킹조지섬과 남극반도의 남극개미자리와 남극좀새풀 개체군의 유전자 발현을 비교한 결과, 남극반도의 남극좀새풀 개체군에서 발현이 증가한 유전자 2106개, 남극개미자리의 aquaporin 유전자 3종을 확인했다. 킹조지섬에 우점하는 지의류인 Usnea를 대상으로 남극반도와 남미에서 지역별 유전형 분포를 조사했다. 확인된 5가지 우스니아 유전형 중에서 리니지 4번은 남극 지역에서는 킹조지섬에서만 분포가 확인되었습니다. 이는 킹조지섬이 남극에서 가장 높은 생물학적 다양성을 보유하고 있다는 특성을 다시 한번 확인해 주는 결과이다.
다. 미생물의 생리생태 기작 규명
극지 지의류 내생 세균의 군집 및 생리특성을 이해하고자 16S rRNA 유전자 염기서열 기반으로 지의류 내생 세균 군집 구조를 파악하고, 이를 기반으로 선정한 시료로부터 배앵체를 확보하여 이들의 유전체 및 생리특성을 분석하였다. 아들리섬과 바톤반도 일대 육상 노출지를 대상으로 시간에 따른 토양 특성과 미생물 군집 변화를 살펴본 결과, 토양 이질성이 높은 경우 시간이 큰 요인으로 작용하지 못한 반면 토양 이질성이 낮은 지역에서는 토양 및 미생물 특성이 지면 노출 시기에 비례해서 변화함을 확인했다. 남극의 온난화를 가정한 환경모사실험에서 저온성 토양 미생물군집의 분해대사 활성이 증가하여 부식질을 분해(저분자화)하였는데, 토양 내 부식질 함량은 최고 50%로 감소하였다. 남극 툰드라 토양의 경우에는 미생물 중에서 세균(phylum Proteobacteria)이 부식질 분해 과정에서 주도적인 역할을 수행하는 것으로 판단하였다.
라. 남극 육상생태 종합관측 DB 구축과 운영
바톤반도 내 15개 지점에 대한 3년간의 관측자료를 성공적으로 확보해서 KPDC와 안토스 DB에 입력을 완료했다. 안토스 웹페이지의 계획했던 업데이트를 모두 완료했다. 특히 안토스 웹페이지는 아직 공식 오픈 전이지만, 이미 칠레, 포르투갈, 튀르키예 연구자들로부터 데이터 공유와 공동연구에 대한 요청을 계속 받고 있다. 따라서 안토스 데이터베이스 총괄의 역할은 향후 우리가 국제학술 네트워크에서 핵심 기관으로 자리매김할 수 있는 중요한 기반이 될 거라 기대된다.

2. 남극 빙저호의 물질순환에 관여하는 미생물의 생태학적 기능 규명
가. 생지화학적 물질순환 관련 유전자 분석 및 진화 특성 규명
유전체 분석 수행을 위하여 메르세르 빙저호 시료 중 1,977점에 대하여 단일세포 유전체 염기서열 자료 확보하여 전처리 및 조립, 주석처리를 수행하였다. 빙저호 메르세르의 수층과 퇴적토를 대상으로 분석한 단일세포 유전체 분석 결과 타가영양 세균이 화학자가영양세균보다 우세하였다. 미생물은 암모니아보다는 환원된 황을 주요 무기전자공여체로 이용하여 성장함을 밝혀냈다. 서식하는 미생물은 잠재적으로 다양한 전자공여체와 수용체를 활용하여 생활하는 것으로 보아 변화하는 환경에 적응하기 위함으로 추정된다.
전체 서열 중 5% 미만이 종 수준에서의 서열 유사도를 보이므로 대다수 빙저호 단백질은 긴 시간동안 외부 환경과 단절되어 분화되어 온 것으로 추정된다. 60% 서열 유사도를 기준으로 5개의 빙저호 특이 적응 유전자 Choline oxidase, Chitinase A1, Urease accessory protein (UreH), Nitronate monooxygenase, and Ferrous iron efflux pump (FieF)를 선별하였다. 메르세르 빙저호 미생물은 Actinobacteria (46%), Proteobacteria (26%), Patescibacteria (15%), Chloroflexota (5%) 등의 순으로 우점하였다. 유전체 계통도 분석 결과, 빙저호 미생물은 외부 환경과 격리된 채 독립적으로 단계통을 유지하면서 진화하였다.
나. 단일세포 분석 기반 구축 Phase I
빙하나 빙저호는 생물량이 매우 적어 오염에 취약하므로 이를 방지하기 위하여 청정생물 연구시설을 구비하였으며, 생리생태학적 특성 연구를 위하여 초고속 자동 유세포 분리기와 자동액체처리 플랫폼을 구축을 완료하였다.

(출처 : 요약문 5p)

Abstract ▼

IV. R&D Results
1. Ecophysiology of KGI terrestrial organisms to reveal mechanisms of adaptation to changing environment
A. Development of advanced technology for comprehensive observation of Antarctic ecosystem
In order to evaluate various environmental factors affecting the distribution o

IV. R&D Results
1. Ecophysiology of KGI terrestrial organisms to reveal mechanisms of adaptation to changing environment
A. Development of advanced technology for comprehensive observation of Antarctic ecosystem
In order to evaluate various environmental factors affecting the distribution of vegetation in the Barton Peninsula, Antarctica, a snow distribution map using time-series satellite data, a micro topography map using unmanned aerial vehicle (UAV) images, and a fine-resolution surface water distribution map based on micro topographic data were produced. A spectral library was developed for 17 common vegetation species in Barton peninsula. The library was tested using simulated images to evaluate the performance of the classification and spectral unmixing for future research based on satellite or UAV images. The long-term growth monitoring of Deschampsia antarctica inhabiting Barton Peninsula can be made by weighing individuals every year in a non-destructive way. A software GreenScale we developed here allows pixels constituting a plant body in a photo to be converted into a body weight.
B. Investigation of the effects of terrestrial ecological factors on biological responses and distribution of plants
Correlation between microclimate factors (light, temperature, soil moisture) and photosynthetic efficiency was observed for individuals on gravel fields next to water side and on the Sanionia uncinata moss mats, which are representative habitats of D. antarctica. Compared to the gravel field, the microclimatic factors on the moss mats were more stable, with higher average photosynthetic efficiency and less variation among D. antarctica individuals. This suggests that the photosynthetic responses of D. antarctica is influenced not only by microclimatic factors but also by the characteristics of the habitat. S. uncinata showed the maximum photosynthetic efficiency at 0-8°C and maintained 90% of those ranging from -8°C to about 32°C. In addition, under the rapid drying condition, the stress response index of PSII (1-qP value) increased after 1 hour of treatment, but the photosynthetic efficiency was similar to that under the slow drying condition. It is suggested that there is a protective mechanism against a wide range of temperature changes and rapid drying in S. uncinata. Photosynthetic symbionts of Usnea were identified around rhizomes, and Stereocaulon were randomly distributed. As a result of monitoring the drying-rehydration process using a moisture control container, Usnea showed a low correlation between changes in external moisture conditions and photosynthetic efficiency, but Stereocaulon displayed a close correlation. The water transfer route and water absorption efficiency in the lichen are different for each species.
To find the structural change in the community of bacteria and fungi in the biocrusts with environmental changes, type-specific biocrust samples were obtained near the permanent snow cover area of KGL01 in Barton Peninsula. We tried to isolate the microbes by their top/soil parts and confirm their community structure. As a result, a total of 77 cultures were obtained, and bacterial and community structures were confirmed through ITS and 16S amplicon sequencing for vascular plant dominant samples represented by D. antarctica and bryophyte dominant samples represented by S. uncinata.
To compare the molecular response of Antarctic plants according to habitat locations, transcriptomes of D. antarctica and Colobanthus quitensis populations from King George Island and the Antarctic Peninsula were compared. As a result, 2106 genes and 3 aquaporin genes were revealed to be up-regulated in D. antarctica and C. quitensis populations from the Antarctic Peninsula. We investigated the biogeographical distribution of Usnea genotypes by region in the Antarctic Peninsula and South America. Usnea is a dominant lichen species in King George Island. Among the five Usnea genotypes, the distribution of Lineage No. 4 was identified only on King George Island in the Antarctic region. This result confirms that King George Island has the highest biological diversity in Antarctica.
C. Investigation of the effects of terrestrial ecological factors on biological responses and distribution of microorganisms
To understand the bacterial composition and their functions in the polar lichens, bacterial community were analyzed based on the 16S rRNA gene sequences and bacterial strains were cultivated from lichen specimen selected based on the bacterial community composition and genomes sequencing and physiological characteristics determination were performed. The temporal changes of soil properties and microbial community structure were examined in ice-free areas of Ardley Island and Barton Peninsula. Soil exposure time was a primary predictor of soil and microbial characteristics changes in sites with a relatively low soil heterogeneity level, but the effect of time was weaker in highly heterogeneous soils. During microcosmal experiments with the tundra soils under a scenario of Antarctic warming, the decomposition activities of cold-adapted soil microbes increased and HS was depolymerized and consumed, resulting in HS loss by a maximum of 50%. For Antarctic tundra soils, bacterial communities (phylum Proteobacteria) seemed to play a main function in HS decomposition.
D. Long-term monitoring of the terrestrial ecosystem of Barton Peninsula and operation of the ANTOS web-based database
Observation data for 3 years at 15 points in Barton Peninsula were successfully obtained and deposited into KPDC and ANTOS databases. All planned updates to the ANTOS webpage have been completed. Although the ANTOS webpage has yet to be officially opened, it is already receiving requests for data-sharing and joint research from researchers in Chile, Portugal, and Turkey.
Therefore, it is expected that the role as the ANTOS database manager will be an important foundation for us to establish ourselves as a key player in the international academic network in the future.

2. Subglacial lake
A. Investigation of microbial functional genes involved in the biogeochemical cycles sustaining subglacial lake ecosystems
For single-cell genome analysis, sequence data were obtained for 1,977 cells in water column and sediments from Subglacial Lake Mercer and preprocessing, assembly and genome annotation were performed. Based on single cell genomes from both the water columns and sediments of Subglacial Lake Mercer, heterotrophy was found to predominate over chemosynthesis. Instead of ammonia, reduced sulfur are thought to be a major inorganic electron donor form microbial growth. The prevalence of individual genomes that are potentially able to utilize electron donors and acceptors support the possibility that subglacial microbes have adapted to changing environments. Since less than 5% of the total sequences show sequence homology at the species level, it is assumed that most subglacial lake proteins have been separated and speciated from the external environment for a long time. Choline oxidase, chitinase A1, urease accessory protein (UreH), nitronate monooxygenase and ferrous iron ellux pump (FieF) were selected as specifically adapted genes in Subglacial Lake ecosystems. Subglacial Lake Mercer were dominated with Actinobacteria (46%), Proteobacteria (26%), Patescibacteria (15%) and Chloroflexota (5%). Comparative genomic analysis reveals that microorganisms from Antarctic Subglacial Lake Mercer evolved separately from the external environments with the results of phylogenomic analysis.
B. Establishment of infrastructure for single cell analysis; Phase I Since samples from glaciers and subglacial lakes are vulnerable to contamination due to their very low biomass, clean laboratory facilities were equipped to prevent this, and an automated high-speed flow cytometry sorter and a liquid handling platform were completed to study physiological and ecological characteristics.

(source : SUMMARY 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 초록 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 13
• 제 1 장 서 론 ... 14
• 제 1 절 연구개발의 목적 ... 15
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 15
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 19
• 제 1 절 국외 기술개발 현황 ... 20
• 제 2 절 국내 기술개발 현황 ... 24
• 제 3 장연구개발 결과 - 환경변화에 따른 킹조지섬 육상생물의 생리생태 반응 규명 ... 27
• 제 1 절 바톤반도 환경요소 공간분포 지도 작성 ... 28
• 제 2 절 바톤반도 식생 특이적 분광정보와 맵핑용 초분광 영상 분석 ... 30
• 제 3 절 이미지 기반 남극좀새풀 생장량 계산 프로그램 개발 ... 36
• 제 4 절 남극좀새풀의 광합성 반응 현장관측 ... 37
• 제 5 절 선태류 낫깃털이끼의 온도와 수분 조절에 따른 광합성 반응분석 ... 38
• 제 6 절 지의류 Usnea와 Stereocaulon 2종의 인위적 수분 조절에 의한 광합성 반응 분석 ... 39
• 제 7 절 환경변화에 따른 바이오크러스트 내 세균과 균류 군집 변화 ... 41
• 제 8 절 바톤반도와 남극반도 위도차에 따른 현화식물 개체군의 유전자 발현분석 ... 44
• 제 9 절 Usnea 속 지의류의 유전형별 지리적 분포특성 분석 ... 46
• 제 10 절 지의류 공생 미생물 ... 47
• 제 11 절 지면 노출 시기에 따른 토양 및 미생물 특성 변화 분석 ... 56
• 제 12 절 토양 미생물의 부식질 분해 ... 57
• 제 13 절 바톤 반도 육상생태계 장기모니터링과 ANTOS 웹 기반 데이터베이스 운영 ... 60
• 제 4 장 - 연구개발 결과남극 빙저호의 물질순환에 관여하는 미생물의 생태학적 기능 규명 ... 65
• 제 1 절 빙저호 미생물 단일세포 유전체 분석 ... 66
• 제 2 절 빙저호 미생물의 생지화확 순환 관련 유전자 분석 ... 70
• 제 3 절 메르세르 빙저호 미생물의 특이 적응 유전자 발굴 ... 81
• 제 4 절 빙저호 미생물의 진화특성 분석 ... 83
• 제 5 절 단일세포 분석 기반 구축 Phase I ... 84
• 제 5 장 연구개발 목표 달성도 ... 87
• 제 1 절 정량적 연구성과 ... 88
• 3. 기타 성과 ... 114
• 제 6 장 연구개발결과의 활용계획 ... 115
• 제 1 절 자체 종합평가 의견 ... 116
• 제 2 절 1차년 성과 및 의의 ... 117
• 제 3 절 2차년 성과 및 의의 ... 117
• 제 4 절 3차년 성과 및 의의 ... 118
• 제 7 장 연구실적 ... 119
• 제 8 장 참고문헌 ... 496
• 끝페이지 ... 498