재료및방법
시료 채집 및 전처리
2021년 7월 울릉도 연안 8개 지역에서 해수(U1-U8)를 각각 4 L씩 채집하였으며, 동시에 수질 측정기(YSI5908, YSI Inc., USA)를 이용하여 수온(Temp.), 염분도(Salinity), 그리고 용존산소(DO)를 측정하였다. 해수는 냉장(4℃) 상태에서 실험실로 운반하였다. 토양시료(U9-U13)는 해수를 채집한 인근의 2곳과 울릉도 중심부 3곳에서 표층 5-10 cm 아래의 토양을 채집한 후 냉동(-20℃) 보관하였다. 본 연구에서 채집한 시료 및 울릉도 지역의 정보는 Fig. 1과 Table 1에 제시하였다. 해수는 현장에서 50 mL를 덜어낸 뒤, 한국해양과학기술원 동해연구소의 영양염 자동분석기(QuAAtro, Seal Analytical, Germany)를 사용하여 규산염(SiO2), 인산염(PO4), (아)질산염(NO2+NO3) 및 암모니아(NH4)를 분석하였다. 이 외, eDNA 추출을 목적으로 0.2 μm의 pore size를 가진 여과지(GSW P04700, Merck Millipore Ltd.)를 사용하여 해수 2 L를 필터한 뒤, 여과지를 냉동(-20℃) 보관하였다.
미생물 분리 및 동정
해수 시료는 채집한 즉시 미생물 배양을 수행하였다. 8개의 해수 시료와 PBS 용액을 각각 1:9의 비율로 섞은 뒤, 연속 희석을 통해 까지 희석하여 희석액 100 μl를 Marine Broth(Kisan Bio Co., Ltd., Korea)의 고체배지에 접종한 뒤 25℃ 에서 24시간 배양하였다. 이후 각 시료의 배지에서 미생물 단일집락(single colony)의 색상과 크기를 육안으로 선별하여 시료당 12개씩 분리한 뒤, Marine Broth 고체배지에 다시 2차례 계대배양을 시도하여 단일집락을 확보하였다. 8개 해수 시료에서 Marine Broth의 고체배지로 배양한 96개의 단일집락 미생물들은 Mueller-Hinton(Kisan Bio Co., Ltd., Korea)의 고체배지에 다시 배양을 하여 집락을 형성한 43개의 균주들로 항생제 내성 실험을 수행하였다.
최초 Marine Broth의 고체배지에서 배양한 96개의 단일집락 미생물들은 Genomic DNA extraction kit(Bioneer Co., Korea)를 사용하여 gDNA를 추출하였고, 추출한 gDNA 를 주형으로 하여 bacterial 16s rRNA gene의 universal primer set(27F: AGAGTTTGATCMTGGCTCAG; 1492R: TACGGYTACCTTGTTACGACTT)을 사용하여 PCR을 진행하였다. PCR 반응은 Solg™ 2X Taq PCR Pre-Mix(SolGent Co., Ltd. Korea)를 사용하여 denaturation 95℃ 에서 20초, annealing 55℃에서 40초, extension 72℃에서 1분의 조건에서 30 cycle을 수행하였다. Bacterial 16s rRNA gene의 PCR 산물은 Genomic Gel purification kit(Bioneer Co. Korea)를 사용하여 정제 한 뒤, 1% agarose gel 전기영동으로 1.4kb를 확인하였다. 정제한 bacterial 16s rRNA gene들은 마크로젠(Korea)에 의뢰하여 염기서열 분석을 수행하였다. 염기서열 정보는 NCBI의 BLASTN(blast. ncbi.nlm.nih.gov) 분석을 통해, 97% 이상의 염기서열 유사성으로 미생물을 동정하였다.
항생제 감수성 평가
Mueller-Hinton 고체배지에 분리한 43개의 균주들은 Clinical and Laboratory Standards Institute(CLSI, M100)의 프로토콜에 근거하여 디스크 확산법을 이용한 항생제 감수성 평가를 수행하였다. 먼저, 멸균된 면봉을 이용하여 균주를 Mueller-Hinton 고체 배지에 도말 한 뒤, 배양액이 흡수되도록 5분간 대기하였다. 이후 수산양식에서 빈번하게 사용하는 6종의 항생제 디스크(Chloramphenicol(CHL): 30 μg; Trimethoprim-sulfamethoxazole(TRI/SUL): 25 μg; Amoxicillin(AMX): 10 μg; Streptomycin(STR):25 μg; Tetracycline(TET): 30 μg; Erythromycin(ERY): 15 μg)를 사전에 균주를 도말한 배지 위에 부착하여 35℃에서 18시간 동안 배양시킨 뒤, 항생제 디스크 주변 환의 크기를 AntibiogramJ (v1.0)([15]) 프로그램을 이용하여 측정하였다. 항생제 감수성 시험의 유효성을 확인하기 위해 표준 균주로 Enterococcus faecalis(KCTC3206)와 Escherichia coli(KCTC2441)를 이용하여 각각 그람양성균과 그람음성균에 대한 항생제 내성평가를 수행하였고, 6개 항생제 중 3개 이상의 항생제에 동시에 내성을 나타낸 경우 다제내성을 가지는 균주로 분류하였다.
eDNA의 메타바코딩 분석
해수를 필터한 여과지(U1-U8)와 토양 시료(U9-U13)에서 eDNA를 추출하기 위해 DNeasy PowerWater Kit(QIAGEN)와 DNeasy PowerSoil Pro Kit(QIAGEN)를 각각 사용하였다. 추출한 eDNA는 메타바코딩 기반의 미생물 군집분석을 목적으로, Illumina 16S Metagenomic Sequencing Library Preparation protocol에 따라 Library를 제작하였다. 먼저, Bakt 341F/Bakt 805R primer set[16]을 사용하여 eDNA 내 16S rRNA gene의 V3-V4 영역을 증폭하는 Amplicon PCR을 수행하였다. Amplicon PCR의 구성은 2X KAPA HiFi Hotstart ready mix(Roche, Switzerland)를 12.5 μL, Bakt 341F와 Bakt 805R primer를 각 2.5 μL, D.W를 5 μL, 그리고 eDNA를 2.5 μL를 첨가하여 진행하였다. Amplicon PCR의 반응 조건은 denaturation(95℃에서 30초), annealing(55℃에서 30초), extension(72℃에서 30초) 과정을 25 cycle로 수행하였다. 이후 Amplicon PCR의 산물을 주형(template)으로 하여, Illumina Nextera XT Index Kit를 사용해 Index PCR을 실시하였다. Index PCR은 Illumina Nextera XT Index Kit를 사용하여 진행하였다. 구성은 2X KAPA HiFi Hotstart read mixIndex 25 μl, Nextera XT Index primer set을 각 5 μL, Amplicon PCR 산물 10 μL 를 첨가하여 진행하였다. Index PCR의 산물은HIACCUBEAD (AccuGene, Korea)를 이용하여 정제한 뒤, 1% agarose gel 전기영동으로 확인하였다. 이후 총 13개의 시료에 대한 Index PCR의 농도를 Qubit(Invitrogen Qubit 4, Thermo Fisher Scientifric, USA)으로 측정하여, 각각의 Index PCR 산물이 서로 동일한 농도가 되도록 분배하여 Miseq platform(Illumina, USA) library를 준비한 뒤 마크로젠에 NGS(Next Generation Sequencing) 분석을 의뢰하였다.
NGS 자료분석 및 통계분석
NGS data는 Mothur software(version 1.44.3, https://mothur.org/)의 MiSeq SOP[17]를 참고하여 분석하였다. NGS 데이터 분석은 1) Sequencing error/Chimera/Low quality sequence 제거, 2) Singleton 제거, 3) ASVs(Amplicon Sequence Variants) Clustering, 4) Alpha/Beta diversity 계산, 그리고 5) Silva.seed_v132 데이터 베이스를 이용한 taxonomic classification의 순서로 진행하였다. 미생물 군집의 alpha diversity는 ASV를 기준으로 Chao1과 ACE 수치를 계산하였으며, Beta diversity는 NMDS(Nonmetric Multidimensional Scaling)를 이용하여 Bray-Curtis distance를 계산하였다. 통계 분석은 R software(v.3.5.3; https://www.R-project.org)를 사용하였고, R stats package에서 ‘prcomp’ 함수를 이용하여, Principal Component Analysis(PCA)를 수행하였다.
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