| 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 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) |
