Trophic relations of terrestrial consumers in tundra and temperate ecosystems based on fecal DNA

Abstract

야생동물의 먹이원 분석은 종간의 영양 관계를 연결하고 먹이 그물을 이해하고, 더 나아가 생태계의 에너지 흐름을 설명하는데 중요하다. 또한 야생동물의 먹이원에 대한 정보는 그 종과 생태계의 보전 및 관리를 위한 기반이 된다. 최근에는 먹이원 파악을 위해 배설물 DNA를 기반으로 한 비침습적 접근법이 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 육상 생태계, 특히 툰드라와 온대 생태계의 영양 관계를 밝히기 위해 배설물 DNA를 기반으로 세가지의 관련된 연구를 수행하였다. 첫 번째 연구는 블로킹 프라이머(blocking primer)와 클로닝(cloning)이 먹이원 분석을 위한 유용한 도구임을 보여준다. 배설물 DNA를 기반으로 한 효율적인 먹이원 분석을 위해 북극여우와 담비에 대한 블로킹 프라이머를 제작하여 각 포식자 DNA가 증폭되는 것을 방지하였다. 3´-말단이 3-carbon spacer (C3-spacer)로 변형된 블로킹 프라이머는 reverse 프라이머가 DNA 주형에 결합하는 것을 방해한다. PCR 진행 시, 블로킹 프라이머의 최적 결합(annealing) 온도와 최적 농도를 찾아보았다. 북극여우의 블로킹 프라이머인 VulpesB와 담비의 블로킹 프라이머인 MartesB의 적정 결합(annealing) 온도는 각각 55℃와 60℃였다. 최적 농도는 범용 프라이머의 20배였다. 블로킹 프라이머를 먹이원 분석에 적용하였을 때, 목표한 포식자의 서열은 배설물 시료에서 전혀 검출되지 않았고, 먹이원의 검출 비율이 증가하였다. VulpesB을 사용하였을 때, 검출되지 않았던 3개의 먹이 분류군을 분석할 수 있었다. 또한 MartesB는 MartesB 없이 검출되지 않았던 새로운 5가지 먹이 분류군을 분석하였다. 또한, 클로닝 기반의 먹이원 분석의 효율성을 확인하기 위해, 담비와 삵의 하나의 배설물 시료에서 검출될 수 있는 먹이 분류군의 최대값을 추정하는데 희박곡선을 사용하였다. 먹이 분류군의 수는 선별된 클론의 수가 증가함에 따라 축적되었다. 담비와 삵의 한 배설물에서 검출될 수 있는 최대 먹이 분류군은 각각 3.28개와 3.38개로 추정되었고, 세번째 먹이 분류군은 각각 네번째와 다섯번째 클론에서 검출되었다. 따라서 다음의 먹이원 분석 연구에서 세개 이상의 클론이 기본적으로 선별되었으나, 몇 개의 클론은 염기서열 분석에 실패하였다. 이러한 결과로 클로닝 기반의 먹이원 분석 결과가 야생동물의 먹이원 구성을 설명할 수 있다고 결론지었다. 두 번째 연구에서는 배설물에서 추출한 DNA를 분석하여 노르웨이 스발바르 군도의 Kongsfjorden 인근 툰드라 생태계에서 주요종들의 먹이원을 규명하고 이들의 영양 관계를 파악하기 위한 먹이원 분석을 수행하였다. 초식동물의 배설물에서 식물 DNA를, 북극여우의 배설물에서 척추동물의 DNA를 증폭하고 클로닝 및 생어 염기서열 분석(Sanger sequencing)을 통해 먹이원을 분석하였다. 북극여우의 경우, 첫번째 연구에서 제작한 블로킹 프라이머를 사용하여 먹이원 DNA의 검출을 향상시켰다. 연구지역의 초식 동물인 흰뺨기러기, 스발바르순록, 바위뇌조는 특별한 선호도 없이 화본형, 광엽초본, 기는 줄기의 식물을 섭식하는 것으로 보인다. 이끼는 모든 초식 동물의 중요한 먹이원으로 나타났다. 또한 흰뺨기러기와 버드나무속(Salix) 사이의 먹이 관계가 새로 연결되었다. 포식자 수준에서 북극여우는 오리과(Anatidae)와 갈매기과(Laridae)와 같은 조류를 선호하였다. 세 번째 연구에서는 점봉산의 온대생태계에서 육상 포유류의 영양관계를 파악하기 위해 포유류의 배설물에서 먹이원을 분석하였다. 육식동물의 경우, 블로킹 프라이머를 사용하여 클로닝 및 생어 염기서열 분석 통해 먹이 DNA 염기서열을 검출하였다. 점봉산에서는 담비와 삵의 분변에서 참새목과 닭목 등의 다양한 조류와 설치류가 높은 빈도로 검출되었으며, 이들은 육식동물의 중요한 먹이로 판단된다. 담비와 삵은 연구 지역에서 최상위 포식자로 보인다. 여러 잡식동물의 배설물 시료에서 다양한 먹이 분류군이 검출되었으며, 족제비는 육식 성향이 컸고 오소리는 초식 성향에 더 가까웠다. 초식동물의 경우, 고라니는 벼과와 장미과의 식물을 선호하였고 멧토끼는 단향과와 참나무과를 선호하였다. 본 연구는 블로킹 프라이머와 배설물의 DNA를 이용한 클로닝 기반의 먹이원 분석법을 사용하여 툰드라 및 온대 육상 생태계의 주요종 간의 영양 관계를 파악하였다. 생태계의 먹이 그물을 추정하고 에너지 전달을 이해하려면 다양한 종의 다수의 배설물 시료에 대한 장기적인 연구가 필요 할 것으로 보인다. 이러한 연구로 각 종의 먹이 선호도의 계절적 변화와 지역적 차이 또한 확인할 수도 있다. 추후 연구에서 NGS (Next Generation Sequencing) 기법을 사용하여 보다 더 정량적인 먹이 선호도와 먹이 그물을 파악할 예정이다. 또한 연구된 동물들의 조직에 대한 질소 안정 동위원소 분석을 진행한다면 각 종의 영양 위치를 추정할 수 있다.