• ALGAE
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• 제34권1호
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• pp.57-70
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• 2019

DNA metabarcoding is currently used for large-scale taxonomic identification to understand the community composition in various marine ecosystems. However, before being widely used in this emerging field, this experimental and analytic approach still has several technical challenges to overcome, such as polymerase chain reaction (PCR) bias, and lack of well-established metabarcoding markers, a task which is difficult but not impossible to achieve. In this study, we present an adapted PCR-free small-organelles enriched metagenomics (SoEM) method for marine biodiversity assessment. To avoid PCR bias and random artefacts, we extracted target DNA sequences without PCR amplification from marine environmental samples enriched with small organelles including mitochondria and plastids because their genome sequences provide a valuable source of molecular markers for phylogenetic analysis. To experimentally enrich small organelles, we performed subcellular fractionation using modified differential centrifugation for marine environmental DNA samples. To validate our SoEM method, two marine environmental samples from the coastal waters were tested the taxonomic capturing capacity against that of traditional DNA metabarcoding method. Results showed that, regardless of taxonomic levels, at least 3-fold greater numbers of taxa were identified in our SoEM method, compared to those identified by the conventional multi-locus DNA metabarcoding method. The SoEM method is thus effective and accurate for identifying taxonomic diversity and presents a useful alternative approach for evaluating biodiversity in the marine environment.

• Ocean and Polar Research
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• 제43권1호
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• pp.45-51
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• 2021

Studies on marine zooplankton diversity and ecology are important for understanding marine ecosystem, as well as environmental conservation and fisheries management. DNA metabarcoding is known as a useful tool to reveal and understand diversity among animals, but a comparative evaluation with classical microscopy is still required in order to properly use it for marine zooplankton research. This study compared crustacean mesozooplankton taxa revealed by morphological analysis and metabarcoding of the cytochrome oxidase I (COI). A total of 17 crustacean species were identified by morphological analysis, and 18 species by metabarcoding. Copepods made up the highest proportion of taxa, accounting for more than 50% of the total number of species delineated by both methods. Cladocerans were not found by morphological analysis, whereas amphipods and mysids were not detected by metabarcoding. Unlike morphological analysis, metabarcoding was able to identify decapods down to the species level. There were some discrepancies in copepod species, which could be due to a lack of genetic database, or biases during DNA extraction, amplification, pooling and bioinformatics. Morphological analysis will be useful for ecological studies as it can classify and quantify the life history stages of marine zooplankton that metabarcoding cannot detect. Metabarcoding can be a powerful tool for determining marine zooplankton diversity, if its methods or database are further supplemented.

• 생태와환경
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• 제55권4호
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• pp.360-367
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• 2022

본 연구에서는 이매패류 3종인 대칭이, 펄조개, 말조개의 위 내용물을 DNA metabarcoding으로 분석한 결과, 공식 전 먹이원은 22문, 35강, 51목, 71과, 87속으로 나타났다. 3종의 공식 전 공통 동식물플랑크톤은 좁쌀공말목, 유글레나목, 유영목, 스파이로플레아목, 고리돌기돌말목으로 조사되었다. 공식 후에는 대부분의 동식물플랑크톤이 검출되지 않아 소화 및 흡수, 배출된 것으로 보여진다. 먹이원 폭 분석 결과, 펄조개의 Bi 지수가 0.3으로 대칭이(0.14)와 말조개(0.21)에 비해 높아 다양한 먹이원을 섭식하는 것으로 확인되었다. 대칭이의 생태지위중첩(niche overlap)은 펄조개(0.78)와 말조개(0.7)와 다른 이매패류에서 높은 값을 보였다. 먹이원 정보를 바탕으로 계산된 대칭이, 말조개, 펄조개의 영양 단계는 각각 2.0, 2.0, 2.5로 조사되었다. 이러한 결과는 안전동위원소 문헌조사 연구에서도 이매패류의 영양 단계가 1.8~2.4로 나타나 유사하였다. 본 연구결과는 동식물플랑크톤을 주로 섭식하는 이매패류의 먹이원 분석에 DNA metabarcoding이 적용이 효과적이며 섭식생태 분석에도 활용할 수 있음을 시사한다.

• Journal of Ecology and Environment
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• 제46권2호
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• pp.126-135
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• 2022

Background: Pollinators are important ecological elements due to their role in the maintenance of ecosystem health, wild plant reproduction, crop production and food security. The pollinator-plant interaction supports the preservation of plant and animal populations and it also improves the yield in pollination dependent crops. Having knowledge about the plant-pollinator interaction is necessary for development of pesticide risk assessment of pollinators and conservation of endangering species. Results: Traditional methods to discover the relatedness of insects and plants are based on tracing the visiting pollinators by field observations as well as palynology. These methods are time-consuming and needs expert taxonomists to identify different groups of pollinators such as insects or identify flowering plants through palynology. With pace of technology, using molecular methods become popular in identification and classification of organisms. DNA metabarcoding, which is the combination of DNA barcoding and high throughput sequencing, can be applied as an alternative method in identification of mixed origin environmental samples such as pollen loads attached to the body of insects and has been used in DNA-based discovery of plant-pollinator relationship. Conclusions: DNA metabarcoding is practical for plant-pollinator studies, however, lack of reference sequence in online databases, taxonomic resolution, universality of primers are the most crucial limitations. Using multiple molecular markers is preferable due to the limitations of developed universal primers, which improves taxa richness and taxonomic resolution of the studied community.

• 생태와환경
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• 제55권4호
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• pp.368-375
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• 2022

보구치는 어류와 요각류가 공통 먹이원으로 분석되었다. 광양만에서 채집한 보구치가 가장 많이 먹은 먹이원은 단각류로 ASV 빈도가 62.5%로 나타났으며 여수 어시장에서 구입한 보구치는 어류의 ASV 빈도가 16.6%로 가장 많았다. 광양만에서 채집한 참조기의 우점 먹이원은 십각류로 ASV 빈도가가 99.9%로 나타났으며 어시장의 참조기는 어류의 ASV 빈도가 51.2%로 조사되었다. 광양만과 어시장의 자주새우 우점 먹이원은 각각 요각류로 92.6%와 100%로 조사되었다. 광양만에서 채집한 꼴뚜기는 요각류(91.4%)를 가장 많이 먹었으나 어시장에서 구입한 갑오징어는 어류(96.6%)를 가장 많이 섭식하였다. 계층적 군집 분석 결과, 꼴뚜기 및 채집한 자주새우와 구입한 자주새우는 먹이원이 유사하였으며 보구치와 참조기, 갑오징어와는 차이가 있는 것으로 조사되었다. 네트워크 분석 결과, 요각류는 참조기를 제외한 모든 수서 생물과 연결되어 있어 가장 중요한 먹이원인 것으로 조사되었다. 먹이원 폭 분석 결과 광양만에서 채집한 참조기의 먹이원 폭 값은 0.001로 낮았으나 어시장에서 구입한 참조기의 먹이원 폭 값은 0.886으로 먹이원 다양성이 가장 높았다. 영양단계 분석 결과, 어류를 주로 섭식했던 갑오징어가 3.98로 가장 높았으며, 광양만에서 채집한 보구치가 2.0으로 영양단계가 가장 낮은 것으로 조사되었다. 이를 통해 위 내용물의 DNA 메타바코딩을 활용한 먹이원 분석 연구는 육안을 통한 먹이원 분석 사이에서 상호보완하여 섭식생태 연구에 활용할 수 있을 것이다.

• Journal of Ecology and Environment
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• 제48권1호
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• pp.32-48
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• 2024

Background: Longitudinal connectivity in river systems strongly affects biological components related to ecosystem functioning, thereby playing an important role in shaping local biodiversity and ecosystem health. Environmental DNA (eDNA)-based metabarcoding has an advantage of enabling to sensitively diagnose the presence/absence of species, becoming an efficient/effective approach for studying the community structure of ecosystems. However, little attention has been paid to eDNA-based biomonitoring for river systems, particularly for assessing the river longitudinal connectivity. In this study, by using eDNA we analyzed and compared species diversity and composition among artificial barriers to assess the longitudinal connectivity of the fish community along down-, mid- and upstream in the Hotancheon from the Geum River basin. Moreover, we investigated temporal variation in eDNA fish community structure and species diversity according to season. Results: The results of species detected between eDNA and conventional surveys revealed higher sensitivity for eDNA and 61% of species (23/38) detected in both methods. The results showed that eDNA-based fish community structure differs from down-, mid- and upstream, and species diversity decreased from down to upstream regardless of season. We found that there was generally higher species diversity at the study sites in spring (a total number of species across the sites [n] = 29) than in autumn (n = 27). Nonmetric multidimensional scaling and heatmap analyses further suggest that there was a tendency for community clusters to form in the down-, mid- and upstream, and seasonal variation in the community structure also existed for the sites. Dominant species in the Hotancheon was Rhynchocypris oxycephalus (26.07%) regardless of season, and subdominant species was Nipponocypris koreanus (16.50%) in spring and Odontobutis platycephala (15.73%) in autumn. Artificial barriers appeared to negatively affect the connectivity of some fish species of high mobility. Conclusions: This study attempts to establish a biological monitoring system by highlighting the versatility and power of eDNA metabarcoding in monitoring native fish community and further evaluating the longitudinal connectivity of river ecosystems. The results of this study suggest that eDNA can be applied to identify fish community structure and species diversity in river systems, although some shortcomings remain still need to be resolved.

• 한국환경복원기술학회지
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• 제24권6호
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• pp.133-144
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• 2021

This study aims to estimate location of land mammals habitat by analyzing spatial data and investigate how to apply environmental DNA monitoring methodology to lotic system in Yangpyeong-gun, Gyeonggi-do. Environmental DNA sampling points are selected through spatial analysis with QGIS open source program by overlaying Kernel density of wild boar(Sus scrofa), elevation, slope and land-cover map, and 81 samples are collected. After 240 mL of water was filtered in each sample, metabarcoding technique using MiMammal universal primer was applied in order to get a whole list of mammal species whose DNA particles contained in filtered water. 8 and 22 samples showed DNA of wild boar and water deer, respectively. DNA of raccoon dog, Eurasian otter, and Siberian weasel are also detected through metabarcoding analysis. This study is valuable that conducted in outdoor lotic system. The study suggests a new wildlife monitoring methodology integrating overlayed geographic data and environmental DNA.

• 생태와환경
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• 제54권3호
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• pp.221-228
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• 2021

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.

• 생태와환경
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• 제54권3호
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• pp.199-208
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• 2021

메타바코딩을 이용한 환경 DNA 분석은 검출 감도가 높아 어류의 생물다양성 평가 및 멸종위기종의 검출에 유용한 기술이다. 이번 연구는 메타바코딩을 이용해 우리나라 담수어류를 대상으로 높은 검출 효율을 보일 수 있는 적합한 분석방법을 확인하기 위해 4가지 분석조건별, 즉 필터(cellulose nitrate filter, glass fiber filter), 추출 키트(DNeasy^® Blood & Tissue Kit, DNeasy^® PowerWater Kit), 프라이머 조합(12S rDNA, 16S rDNA) 그리고 PCR 방법(conventional PCR, touchdown PCR)로 나타나는 Operational Taxonomic Units(OTUs) 수와 종 조성을 비교하였다. Glass fiber filter와 DNeasy^® Tissue & Blood Kit를 이용해 추출한 시료는 12S rDNA와 16S rDNA 프라이머 조합에서 담수어류 OTUs가 가장 많이 검출되었다. 모든 분석조건 중 프라이머 조합에서만 조기어강(Class Actinopterygii) 평균 OTUs 수에서 통계적으로 유의한 차이를 보였고(Non-parametric Wilcoxon Signed Ranks Test, p=0.005), 담수어류 평균 OTUs 수는 유의하지 않았다. 종 조성 비교 결과 역시 프라이머 조합에서 유의한 차이를 보였고(PERMANOVA, Pseudo-F=6.9489, p=0.006), 나머지 분석조건에서는 유의한 차이를 보이지 않았다. NMDS 분석 결과 종 조성은 유사도 65% 기준에서 프라이머 조합에 따라 묶였고, 16S rDNA 프라이머 세트는 주로 멸종위기종인 모래주사(Microphysogobio koreensis), 꼬치동자개(Pseudogobio brevicorpus)가 기여하였고, 12S rDNA 프라이머 세트는 주로 일반종인 피라미(Zacco platypus), 꺽지(Coreoperca herzi) 등이 기여한 것으로 나타났다. 본 연구는 국내 하천에서 채취한 시료에 대한 메타바코딩을 이용한 종 다양성 분석의 기초정보를 제공한다.

• 환경영향평가
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• 제32권2호
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• pp.94-111
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• 2023

효과적인 외래생물 관리 전략 수립을 위해서는 도입 및 확산 여부 평가를 위한 정기 모니터링이 요구된다. 환경 DNA (eDNA, environmental DNA) 메타바코딩은 높은 검출 민감도를 가지고 다수의 종을 동시에 검출할 수 있어 외래생물의 출현 여부와 그 영향을 평가하는데 활발히 활용되고 있다. 국내에서는 어류를 중심으로 메타바코딩의 적용 가능성 평가가 이루어지고 있으며 타 분류군에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 환경 DNA 메타바코딩을 활용한 국내 외래생물 탐지 가능성을 확인하고자 했다. 분류군별 검출 가능성을 확인하기 위해 어류, 포유류, 조류, 양서류를 목표로 디자인 된 4가지 범용 프라이머(MiFish, MiMammal, Mibird, Amp16S)를 활용하여 대상종 검출 여부를 평가하였다. 그 결과, 총 55개 지점 중 17개 지점(Trachemys scripta, 3개 지점; Cervus nippon, 3개 지점; Micropterus salmoides, 7개 지점; Rana catesbeiana, 4개 지점)에서 대상종의 서식이 확인되었다. 대상지 내 조밀한 지점 선정에도 생태적 특성을 반영한 검출 지점에 차이가 나타났다. 큰입배스와 붉은귀거북을 중심으로 외래생물이 출현이 생물 군집구조(종 풍부도, 풍부도, 다양도)에 미치는 영향을 비교한 결과, 외래생물이 서식하는 지점에서의 다양도가 더 높게 나타났다. 또한 외래생물 출현 지점에서 출현 종 수가 1~4종 추가 검출되었으며 풍부도 또한 1.7배 높게 나타났다. 메타바코딩을 통한 외래생물 검출 결과 및 군집구조 비교는 eDNA를 통한 다량의 모니터링 데이터 구축이 다차원적 생태계 평가에 효율적으로 활용될 수 있음을 나타냈다. 또한 환경의 인위적, 자연적 변화에 따른 생물상 변화를 관찰하고 자연생태 분야의 환경영향평가 등 현황 평가 및 예측을 위한 주요한 기초자료로 활용 가능성을 제시하였다.