환경유전자(eDNA)는 다양한 환경(수중, 토양, 대기)에 존재하는 생물체로부터 유래된 유전물질을 의미한다. eDNA는 높은 민감도, 짧은 조사시간 등 많은 장점들이 존재하며 이로 인해 생물 모니터링 및 유해생물과 멸종위기 생물을 탐색하는 분야에 다양하게 활용되고 있다. 이러한 eDNA를 채집하기 위해서는 대상생물 및 대상유전자뿐만 아니라 현장 여과방법 및 eDNA 보존방법과 같이 매우 다양한 항목들을 고려해야 한다. 특히 환경에서 eDNA를 채집하는 방법은 eDNA 농도와 직결되는 항목으로서 적절한 채집방법을 사용하여 eDNA를 채집할 때 정확한 분석결과를 얻을 수 있다. 또한 현장에서 채집한 eDNA를 보존하고 추출하는 과정에서도 정확한 방법을 사용하였을 때 현장에 분포하는 eDNA의 농도를 정확하게 파악할 수 있다. 특히 eDNA 연구를 시작하는 연구자들에게 eDNA 분야는 초기 진입 장벽이 매우 높은 기술로서 이를 위한 기초 자료가 매우 절실하다. 본 연구에서는 본 연구는 eDNA가 수생태계를 연구하기 위한 도구로서 보다 널리 이용되며, eDNA를 이용하기 시작하는 연구자들에게 도움을 주고자 수생태계에서 eDNA를 채집하고 및 운반하는 방법과 실험실에서 eDNA를 추출하는 방법을 소개하고, 보다 간편하고 효율적인 eDNA 채집 도구와 방법을 제시하였다.
Scientific trust and quantification of traditional species investigation and results that have been used in ecology for decades has always been a problem and concern for ecologists. Global ecologists have proposed DNA-based species investigation studies to find answers to problems. In this study, we reviewed the global trend of research on environmental DNA(eDNA), which is a method for monitoring species by detecting DNA of organisms naturally mixed in environmental samples such as water, soil, and feces. The first eDNA research confirmed the possibility of species investigation at the molecular level, and commercialization of NGS(Next Generation Sequencing) and DNA metabarcoding elicits efficient and quantitative species investigation results, and eDNA research is increasing in the filed of ecology. In this study, mammals and birds were detected using MiMammal universal primers from 23 samples(3 natural reserves; 20 water bowls) out of 4 patches to verify eDNA for urban ecosystems in Suwon, and eDNA was verified by performing camera trapping and field survey. Most terrestrial species were detected through eDNA, and particularly, mice(Mus musculus), and Vinous-throated Parrotbill (Sinosuthora webbiana) were identified only with eDNA, It has been confirmed to be highly effective by investigating techniques for small and internal species. However, due to the lack of resolution of the primer, weasels(Mustela sibirica) and squirrels(Melanochromis auratus) were not detected, and it was confirmed that the traditional investigation method was effective only for a few species, such as Mogera robusta(Mogera robusta). Therefore, it is judged that the effects of species investigation can be maximized only when eDNA is combined with traditional field survey and Camera trapping to complement each other.
eDNA (environmental DNA)란 특정 환경에 서식하는 생물로부터 유래한 DNA를 의미한다. 환경 시료로부터 추출한 eDNA를 활용하면 해당 환경에 서식하는 생물들의 효율적이고 정확한 모니터링을 수행할 수 있다. 해수 시료로부터 얻은 eDNA를 기반으로 해양생물 다양성 연구를 수행할 수 있다. 해수 시료를 채집하고 이로부터 eDNA를 추출한 뒤, metagenome 분석을 통해 서식하는 해양생물의 종 동정과 다양성 분석이 가능하다. 본 리뷰에서는 이처럼 해수의 eDNA를 활용하여 해양 지역의 생물 다양성 연구를 수행하는 전체적인 과정을 제시하고 있다. 아직 국내에는 해양생물 다양성 연구를 위해 eDNA를 적용하는 방법이 보편화 되어있지 않으며, 본 리뷰를 기반으로 이와 같은 eDNA 연구 방법을 정립하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
Recently, environmental DNA (eDNA)-based metabarcoding approaches have been proposed to evaluate the status of freshwater ecosystems owing to various advantages, including fast and easy sampling and minimal habitat disruption from sampling. Therefore, as a case study, we applied eDNA metabarcoding techniques to evaluate the effects of an abandoned mine land located near a headwater stream of Nakdonggang River, South Korea, by examining benthic macroinvertebrate diversity and compared the results with those obtained using the traditional Surber-net sampling method. The number of genera was higher in Surber-net sampling (29) than in the eDNA analysis (20). The genus richness tended to decrease from headwater to downstream in eDNA analysis, whereas richness tended to decrease at sites with acid-sulfated sediment areas using Surber-net sampling. Through cluster analysis and non-metric multidimensional scaling, the sampling sites were differentiated into two parts: acid-sulfated and other sites using Surber-net sampling, whereas they were grouped into the two lowest downstream and other sites using eDNA sampling. To evaluate freshwater ecosystems using eDNA analysis in practical applications, it is necessary to constantly upgrade the methodologies and compare the data with field survey methods.
자연생태계에서 환경유전자 (eDNA)는 세포의 내부(intracellular)와 외부(extracellular) 형태로 존재할 수 있다. 유해남조류를 대상으로 할 때, 세포 외부 eDNA는 남조류의 흔적, 세포 내부 eDNA는 남조류의 발생 잠재성을 의미한다. 하지만 기존의 퇴적물 eDNA 분석법인 silica bead를 이용한 파쇄법으로는 존재 형태를 구분할 수 없기 때문에 실질적인 유해남조류 발생 잠재성을 파악하기 어렵다. 본 연구는 기존의 파쇄법의 한계를 극복하고자 퇴적물 내 세포 내 eDNA를 선택적으로 분석할 수 있는 퇴적물 전처리 방법인 밀도구배 원심분리법(Ludox method)의 적용성을 분석하였다. 그 결과, 기존의 파쇄법은 퇴적물을 그대로 사용하여 eDNA를 추출하기 때문에 eDNA에서 증폭한 mic 유전자가 세포 내 존재하는지 혹은 세포 외 DNA로만 존재하는지 알 수 없었다. 하지만 Ludox method는 여과 및 밀도 구배를 통해 퇴적물의 세포 내 eDNA를 농축하므로 남조류 세포 내부에 존재하는 mic 유전자만을 증폭할 수 있었다. 결론적으로 Ludox method는 충분한 세포내부 유전자 농도를 확보하고 세포 내부와 외부의 eDNA를 명확히 구분함으로써 보다 정확하고 세밀한 잠재성 분석이 가능하였다. 이는 퇴적물 유해남조류의 유전자 활성을 확인할 수 있는 eRNA 분석과 차세대염기서열분석(next generation sequencing; NGS)을 이용한 meta-barcoding에 Ludox method를 활용함으로써 보다 현실적인 잠재성을 분석할 수 있을 것으로 판단된다.
Kang, Yu-An;Lee, Soo Rin;Kim, Eun-Bi;Park, Sang Un;Lim, Sang Min;Andriyono, Sapto;Kim, Hyun-Woo
Fisheries and Aquatic Sciences
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제25권5호
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pp.264-275
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2022
A non-destructive environmental DNA protocol for the genetic analysis of sea cucumber (Apostichopus japonicus) resources DNA was established. Among the several commercial DNA extraction kits, the DNeasy® Plant Mini Kit was selected as the best choice to obtain the high-quality genomic DNAs from the mucous sea cucumber. As the temperature and incubation time increased, the amount of extracted environmental DNA was also large, but it was judged that the increased amount did not affect as much as 2-3 times. Therefore, these conditions were not considered to be the main factors to consider in actual environmental DNA extraction. However, the amount of seawater relative to the size of the sample was judged as a major consideration, and a sufficient amount of environmental DNA for analysis was secured when stored within 1 min while stirring the volume of seawater corresponding to the total sea cucumber weight (g). In securing the environmental DNA of sea cucumbers, the mortality rate of sea cucumbers in all experiments was 0, and it was judged that the effects of sea cucumbers were not significant through this treatment. Through the results of this study, sea cucumber DNA research, which has been conducted in a destructive method, can be conducted non-destructively through environmental DNA analysis. Through this study, we have secured a standard protocol that can successfully extract the sea cucumber DNA through environmental DNA. It is not only excellent in terms of time and cost of traditional DNA analysis method currently used, but it is completely non-destructive in the ecosystem of the survey area. It is believed that the system can be transformed in a way that does not affect it. However, it is thought that various standard protocols should be established considering the characteristics of each type.
Objectives The present study was designed to systematically characterize the denaturation and the renaturation of double stranded DNA (dsDNA), which is suitable for DNA hybridization. Methods A series of physical and chemical denaturation methods were implemented on well-defined 86-bp dsDNA fragment. The degree of each denaturation was measured and the most suitable denaturation method was determined. DNA renaturation tendency was also investigated for the suggested denaturation method. Results Heating, beads mill, and sonication bath did not show any denaturation for 30 minutes. However probe sonication fully denatured DNA in 5 minutes. 1 mol/L sodium hydroxide (alkaline treatment) and 60% dimethyl sulfoxide (DMSO) treatment fully denatured DNA in 2-5 minutes. Conclusions Among all the physical methods applied, the direct probe sonication was the most effective way to denature the DNA fragments. Among chemical methods, 60% DMSO was the most adequate denaturation method since it does not cause full renaturation during DNA hybridization.
Fumonisin B1 is a secondary metabolite of Fusarium moniliforme, a contaminant of corn and corn product. Fumonisin B1 has been shown to be responsible for major toxicological effects of the fungus in rats, horses, and pigs. Fumonisin B1 induced λ DNA fragmentation, which was increased with incubation time, reducing agent NADPH and metal ion (Cu2+). The DNA damage was inhibited by dimethyl sulfoxide (DMSO) or mannitol as radical scavenger for free radicals. DNA fragmentation, induced by fumonisin B1 in the presence of 1 mM NADPH and 0.1 mM CuCl2, was inhibited by 100 mM DMSO. By the in vitro reaction of fumonisin B1 with supercoiled plasmid pBR322 DNA, plasmid DNA was relaxed, eventually linearized in the agarose gel electrphoresis. From rifampicin sensitive E. coli CSH138 in bacterial mutagenesis system, the rifampicin resistant E. coli mutants were obtained by fumonisin B1. These results suggest that fumonisin B1 may be a possible environmental mutagen in bacterial mutagen assay system.
This study aims to highlight the possibility in identifying species composition of fish communities using the environmental DNA (eDNA) metabarcoding technique, from both of the technical introduction and the pilot test at urban ecological streams. This new emerging survey technique using eDNA is getting popular in the world as a compensating way for the conventional field survey. However, the application to the domestic cases has yet to be studied. We attempted to use this technique for identifying fish species observed at four survey points in Hwangguji-chon, Suwon City. As a result, the detected number of species by eDNA sampled once in May was significantly matched with the total number of observed species in annual field surveys. Additionally eDNA results indicated the presence possibility of the unobserved species in field last year, even though the validation may be required. This survey technique seems to be more efficient and applicable to diverse situations of the fields and species, thereby needs to be studied further. We discussed the pros and cons of the application and summarized the research directions in future.
본 연구에서는 멸종위기종이 서식하는 4개 하천(금강, 지천, 황지천, 섬진강)에서 환경유전자(environmental DNA, eDNA)와 보편적 어구를 이용한 조사 방법을 적용하여 지점별 종 다양성을 확인하고, 이를 통해 eDNA의 활용을 고찰하였다. eDNA 조사를 통해서 확인된 종 수는 지점 평균(±표준편차) 19종(±4.4)이며, 이는 어구를 이용한 정량 조사의 10종(±4.8)과 비교하여 높게 나타났다. 대부분의 지점에서 eDNA 조사가 어구를 이용한 조사보다 효율이 높게 나타났다. 반면 eDNA 조사 결과 고유종 및 근연종에 대해서 동정의 오류가 확인되어, universal primer (MiFish primer set)에 대한 국내 적용의 한계를 확인하였다. 또한 멸종위기종의 서식 여부도 일부 종에 대해서 eDNA 조사 결과가 현장 조사 및 문헌과의 차이를 보였다. 현재 개발된 universal primer는 국내에서 서식하는 모든 담수종의 서식을 확인하는 데 있어서 결과의 신뢰성을 담보할 수 없기 때문에 universal primer의 보완 및 개발이 필요하며, 멸종위기종과 같은 특정종의 서식 확인을 위해서는 종특이적 마커 개발을 통한 적용이 고려되어야 한다. 마지막으로 eDNA의 현장 조사 방법에 대한 매뉴얼이 개발될 경우, 수생태계 조사에 대한 활용성이 증대될 수 있을 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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