중국과학원 전략적 선도과학기술 전문프로젝트(B) “토양-미생물체계 기능 및 제어”와 국가자연과학기금 중점프로젝트(41430856)의 지원으로 중국과학원 남경(南京, Nanjing city)토양연구소 Bo Sun 과제팀은 중국과학원 응담(鷹潭, Yingtan), 봉구(封丘, Fengqiu), 해륜(海倫, Hailun), 봉구논밭생태계 국가야외 과학관측연구시설에서 건립한 중국 동북 온도경사도구역 토양치환시험(2005-)에 기초하여 처음으로 여러 기후대 사이 토양미생물군락 교체 및 기능성 게놈이 기후조건변화에 반응하는 메커니즘을 제시하고 기능성 유전자 및 토양 질소화 잠재력과 호흡강도의 정량관계를 구축하였다.

연구결과에 의하면, 기후온난화(토양 남쪽 이동)와 기후한랭화(climate cooling)(토양 북쪽 이동)는 습기찬 흙의 토양미생물군락구조를 확실히 변화시켰고 군락 유사성은 현저한 시간감쇄관계(time–decay relationship)를 나타낸다는 것을 설명한다. 습기찬 흙의 원위치 교체속도(w=0.046，P<0.001)에 비해 토양 남쪽 이동이 미생물군락 교체속도에 대한 촉진작용(w=0.094, P<0.001)에 대해서 토양 북쪽 이동(w=0.058, P<0.001)보다 높은데 이는 온도가 미생물의 교체와 경쟁(대사이론)을 촉진한다는 것을 설명한다. 다양한 미생물이 기후변화에 대한 민감성은 서로 다른데, 방선균류(actinobacteria)와 후벽균류(firmicutes)가 제일 민감하고 프로테오박테리아류(proteobacteria)의 내성이 제일 강하다.

기후온난화가 미생물 군락구조 교체에 미치는 영향이 더욱 현저한데 이는 온도 상승 후 미생물의 대사속도 및 개체군 사이 경쟁관계가 증가한 것과 연관이 있다(Liang Y, et al. The ISME Journal, 2015). 기후온난화(토양 남쪽 이동)는 기능성 유전자의 다양성을 현저히 증가시켰다. 질소순환 기능성유전자 풍도가 현저히 증가하고 질소순환 기능성 유전자와 토양 질소화가 현저히 정적상관(r>0.56, P<0.001)을 나타냈다. 질소순환 기능성 유전자(탄소고정, 탄소분해, 메탄순환 등) 풍도가 현저히 증가하고 토양 이산화탄소 호흡유량과 현저한 정적 상관(r=0.72, P<0.020)(Zhao et al. The ISME Journal, 2014)을 나타냈다.

기후가 추워지면(토양 북쪽 이동) 토양미생물 바이오매스, 군락구조가 현저하게 변화한다. 기후조건(연평균 온도, 상대 습도), 토양 물리화학적 성질(pH, 암모니아질소, 유효질소) 및 식생은 미생물군락구조에 영향을 미치는 주요한 요소이다.

암모니아 산화과정 기능성 유전자(amoA 및 amoB)의 평균 풍도는 모두 토양 질소화 잠재력과 현저한 정적 상관(Yang et al. Environmental Microbiology, 2014)을 나타낸다. 이와 동시에 맨땅에 비하여 농작물을 재배하면 핵심(Core) 질소전환유전자 풍도와 네트워크(fMENs) 상호작용이 증가되었는데 핵심 유전자가 고정질소 유전자에서 고정질소+질소제거+질소화유전자(Feng Wang, Chinese Science Bulletin, 2014)로 변했다. 위에서 서술한 결과는 여러 기후대 사이 토양미생물 기능 다양성이 기후변화에 대한 반응을 풍부화하는데 있어서 이론적 근거를 제공하였다.

그림: 기후대를 넘어선 미생물군락구조와 기능성 유전자 교체

원문연결:
(1) http://www.nature.com/ismej/journal/vaop/ncurrent/full/ismej201578a.html
(2) http://www.nature.com/ismej/journal/v8/n10/full/ismej201446a.html
(3) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.12398/full

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 6월 8일]