Ⅰ. 서 론
전 세계 온실가스 배출량이 지속적으로 증가함에 따라 미래에는 기온 상승을 중심으로 한 기후변화가 예상된다. 국내 기온도 지난 30년간(1981~2010년) 1.2゚C 상승하였으며, 고온 다습한 기후 특 성으로 변화하고 있는 추세이다(Joo et al., 2009). 젖소의 생산성은 주변온도, 습도, 바람 및 일조량 등의 환경변화에 따라 민감하게 변 화하며, 국내 사육중인 젖소는 대부분 홀스타인 종으로 고온 스트 레스에 취약하다고 알려져 있다(Armstrong, 1994; Nguyen et al., 2016). 젖소가 고온 스트레스에 노출되면 사료섭취량, 산유량, 유질, 수태율 등 생산성 저하로 이어지므로(Hansen, 2007; Hammami et al., 2013; Nguyen et al., 2016), 앞으로 낙농산업에 기후변화로 인한 고온 스트레스가 미칠 부정적인 영향들에 대한 해결할 방안 을 모색해야 할 것으로 보인다. 반추위내 미생물은 반추동물이 필요로 하는 에너지 요구량의 70~80%를 공급한다(Nocek and Russell, 1988). 착유우의 경우, 반추위내 미생물은 영양대사 측 면에서 휘발성 지방산 생산, 비타민 B 및 미생물체단백질 합성에 중요한 역할을 담당하며, 이는 궁극적으로 젖소의 건강과 효율적 인 우유 생산에 결정적인 역할을 한다(Nocek and Russell, 1988). 반추위내 미생물 군집 구성은 출생 후 성장을 하면서 빠 르게 변화하며(McCann et al., 2014) 사료(Golder et al., 2014), 사육환경(Jami et al., 2013), 섭취행동(Prendiville et al,, 2010) 과 유전적 요인(Weimer et al., 2010)에 의해 변화됨이 알려져 있다. 또한, 여러 연구들을 통해 반추위내 미생물 군집 구성 차이 는 사료 효율(Hernandez-Sanabria et al., 2012), 유생산량 및 유 성분(Jami et al., 2014, Lima et al., 2015)과 상관 관계가 있는 것으로 보고되고 있다. 하지만 미생물 군집 변화에 대한 유전적 요인을 포함한 반추위내 미생물 군집 구성과 상대적 함량에 대한 자료는 제한적이다. 특히 고온 스트레스와 같은 환경적인 요인 변화로 인한 반추위 미생물 균총 변화에 대한 정보는 젖소의 고 온기 적응성과 밀접한 관련이 있을 것으로 생각됨에 따라 많은 연구들이 진행되고 있다.
따라서, 본 연구는 고온 환경에서의 홀스타인종의 젖소 반추 위내 미생물 군집 구성 변화를 분석하고, 반추위내 미생물과 고 온 스트레스의 연관성을 알아보고자 실시되었다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 공시동물, 사료 및 실험설계
본 실험에 이용된 동물은 동물보호법과 국립축산과학원 동물 실험윤리위원회에서 검토 승인한 동물실험 방법에 따라 진행되었 다. 홀스타인종 젖소 10두(60±17.7개월령, 체중717±64.4kg)를 선 발하여 시험에 이용하였다. 급여사료는 한국가축사양표준(2017) 의 영양소 요구량에 따라 국립축산과학원 낙농과에서 조사료와 농후사료를 40:60의 비율로 섬유질배합사료(TMR, Total mixed ration)를 제조하였으며, 공시동물이 자유채식 하도록 하였다. 반추 위 미생물 분석을 위한 반추위액 시료 채취는 오후 사료 급여 전에 채취하였으며, 온습도지수(THI, temperature Humidity Index)를 고려하여 적온기(대조구: 5월 초)와 고온기(처리구: 7월 말)의 두 시점에 진행하였다. 시료 샘플링 당시 온도와 상대습도는 적온기 는 19.6゚C와 47.8%rH (relative humidity) 였으며, 고온기는 35.4゚C와 58.8%rH였다.
2. 고온 스트레스 영향 수준 측정
고온 스트레스 영향 수준 측정을 위해 젖소 사육환경 온도 및 상대습도 그리고 젖소의 직장온도 및 호흡수를 수집하였다. THI 측정을 위해 우사에 설치한 온습도계(testo 174H, Testo Korea Ltd., Republic of Korea)를 이용하였으며, 젖소의 직장온도 및 호흡수는 13시-14시에 측정하였다. 젖소가 열 스트레스 영향을 받는 수준은 다음과 같은 THI 산출식(Bohmanova et al., 2007;NRC, 1971)을 이용하였다.
THI=(1.8×온도+32)-[(0.55-0.0055×상대습도)×(1.8×온도-26)]
직장온도는 표준 디지털 온도계(KD-133, Polygreen Co., Ltd., Germany)를 사용하여 측정하였으며, 호흡수는 10초동안 뒷 갈비와 요각 사이의 움직임을 측정하고, 6을 곱하여 분당 호 흡수를 측정하였다.
3. 반추위내 미생물 균총 분석
고온 스트레스에 따른 반추위내 미생물 군집 구성 분석을 위 해 반추위액을 수집하였다. 반추위액은 젖소의 경구에 stomach tube를 주입하여 채취하였으며, 반추위액 내 미생물 균총 분석을 위해 분석 시까지 -80℃ 초저온냉장고에 보관하였다. 반추위 미생 물 균총 분석을 위한 DNA 추출은 PowerSoil® DNA Isolation Kit (Cat. No. 12888, MO BIO)를 이용하였으며, 추출된 DNA 는 TruSeq nano DNA library prep guide (Illumina)에 따라 정 량화 후 LE220 Focused-ultrasonicator (Covaris, Inc.)를 사용하 여 DNA 라이브러리를 구축하였다. 그 후, DNA 라이브러리를 농 축 및 정제시키고 HiSeq™ 4000 platform (Illumina, San Diego, USA)을 이용해 염기서열을 분석 하였다(Macrogen Inc., Seoul, Korea).
4. 반추위 미생물의 분류학적 구성 및 LEfSe 분석
염기서열 분석이 완료된 후 품질 평가를 위해 FastQC (FastQC; ver. 0.11.8)를 통해 Q score가 20이상인 부분을 사용하였으며, 분석 의 정확성 향상을 위하여 KneadData (KneadData; The Huttenhower Lab)를 이용하여 host 서열 및 adapter 서열을 제거한 후 데이터 분석을 수행하였다. 이렇게 얻어진 DNA 판독 값을 Centrifuge 방 법(Kim et al., 2016)과 NCBI 데이터 베이스를 이용하여 각 샘플 의 DNA 판독 값들을 분류하였다. Phylum level에서부터 genus level까지 고온 스트레스 영향에 따른 미생물 균총 변화를 탐색 하기 위해 Kruskal-Wallis (KW) sum-rank test에 기초하여, 선형 판별 분석 효과 크기(Linear discriminant analysis Effect Size, LEfSe) 방법(Segata et al., 2011)을 사용하여 차별적으로 특정 시점에 증감한 미생물 군의 특성을 분석하였다. 이 분석을 위해 KW 테스트의 중요도 임계 값은 0.05로 설정되었고 대수 선형 판별 분석 점수(LDA, Linear discriminant analysis) 2.0이상으로 설정되었다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 고온 스트레스에 따른 직장온도와 호흡수 변화
젖소의 직장온도 및 호흡수 비교를 위한 측정한 당일의 THI는 Table 1과 같다. 고온스트레스 영향을 나타내는 THI는 기온이 상 승하는 고온기인 7월이 적온기인 5월 보다 높게 나타났다(87.2 vs. 64.6). 일반적으로 THI가 72미만이면 고온 스트레스 영향이 없는 쾌적한 상태라고 하고 72이상이면 소들이 고온 스트레스를 느끼기 시작한다. THI가 72-77 구간은 스트레스가 약한 정도이 고, 78-88은 강한 정도, 89-96은 심각한 경우이며, 97이상은 폐사 를 일으킬 수 있다(Akyuz et al., 2010). 시료 채취 당일로부터 앞 뒤로 10일간의 THI 지수는 적온기에는 64-69의 범위에 있었으 며, 고온기에는 75-88 범위 내에 있었으므로(data not shown) 7월 중 시료 채취 시기에는 젖소들이 고온 스트레스 환경에 노출되었 다. 홀스타인종의 직장온도 정상 범위는 38.6 ± 0.5゚C (Radostits et al., 2006) 또는 38.7 ± 0.8゚C (Wenz et al., 2011)로 알려져 있다. THI 증가는 젖소의 직장온도 상승으로 이어지는데 THI가 60-76 사이일 때, 직장온도가 38.6-38.8゚C 도 수준이며, 열 스트 레스 상황인 THI가 71.8-89.4 사이일 때는 39.0-39.1゚C의 수준을 나타낸다(Igono et al., 1985; Kabuga, 1992). 이전 연구결과와 마 찬가지로, 본 연구결과도 고온기 THI 상승으로 인해 호흡수(44.4 vs. 98.4 회/분, p<0.05)와 직장온도(38.3 vs. 39.8゚C, p<0.05)가 유의적으로 상승하였다(Table 1). 호흡수는 열 스트레스에 대한 생리적 반응의 가장 좋은 지표로 알려져 있으며(Habeeb et al., 2018) 지속적으로 증가된 호흡수는 신체 근육활동으로 인한 신 체 열 생성을 증가시킬 수 있다(McDowell, 1972).
2. 염기서열 분석 결과 및 환경온도에 따른 미생물 균총의 변화
반추위 미생물은 반추 동물의 대사에서 중요한 역할을 한다 (Guarner, 2006). 따라서 반추위 미생물의 균총 조성과 함량은 반추위 발효대사와 숙주의 건강상태를 예측하고 이해하는데 필 수적이다(Guarner, 2006;Malmuthuge and Guan, 2017). 본 연 구를 통해 다른 사육환경에서 반추위 미생물의 차이를 비교 분석 하고자 하였다. 시험에 이용된 샷건 시퀀싱은 2세대 차세대염기 서열분석 방법 중 하나로 긴 DNA를 제한 효소 처리하여 임의로 짧은 절편으로 잘라서 개별적으로 시퀀싱을 하는 방법이다. 방대 한 양의 DNA 절편을 읽어낼 수 있으며, 동일한 염기서열이 길게 반복되는 동일 단위체가 생성될 경우에도 서열의 판독하는 정확 성이 높다는 장점이 있다(Kou et al., 2016). 총 10마리의 홀스타 인종 젖소 반추위액 샘플을 시퀀싱 한 결과, 평균 샘플 당 84.7 백만의 DNA가 판독되었으며, 분석의 편향을 줄이기 위해 순차 정렬 후 데이터 처리 기준에 따라 67.3 백만의 판독된 DNA 정 보가 분석에 이용되었다. 적온과 고온의 사육환경에서 수집된 홀스 타인종 젖소 반추위액의 모든 샘플에서 환경 변화에 관계없이 총 50 가지 미생물이 phylum level에서 확인되었다(Fig. 1). Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria, Euryarchaeota, Cyanobacteria, Spirochaetes, Tenericutes, Fusobacteria 및 Fibrobacteres로 구 성되어 있었으며(Fig. 2), 상대적 함량을 가장 높게 차지하는 미생물은 Firmicutes (적온환경평균=29.6±3.12%; 고온환경평균 =28.4± 3.98%), Bacteroidetes (적온환경평균=26.7±6.61%; 고온환경평균=34.5± 6.54%) 및 Proteobacteria (적온환경평균=24.2± 2.83%; 고온환경평균=20.6± 1.83%)의 순으로써 나타났다. 다른 연구결과에서도 phylum level 미 생물의 군집 구성은 본 연구결과와 유사하게 Bacteroidetes, Firmicutes 및 Proteobacteria 순으로 상대적 함량을 높게 차지하였다(Tajima et al., 2007; Nesengani et al., 2017). 많은 선행연구결과를 통해 반추 위내 존재하는 대표적인 미생물들인 Bacteroidetes (51-66.9%), Firmicutes(25.7-41.6%), Proteobacteria (0.68-17.9%)의 상대적 함량을 차지하는 비율에는 차이가 있었으며(de Menezes et al., 2011;Jami and Mizrahi, 2012; Petri et al., 2013; Zhang et al., 2014), 이는 급여 사료의 조성에 따라 크게 영향을 받는다고 알려 져 있다(Fernando et al., 2010; Thomas et al., 2017). 특히, de Menezes et al. (2011)의 연구에서는 TMR사료 급여 시, 반추위액 내에서는 Firmicutes의 상대적 함량이 증가하였고, 사료부착부분 에서는 감소했다고 보고하였다. 또한 급여사료의 농후사료 비율 이 증가하거나 과산증 증상이 있을 때에는 반추위내 미생물 조성 에서 Firmicutes의 비율이 증가한다고 보고하였다(Mao et al., 2013). 이는 사료의 조성(농후사료 vs. 조사료)에 따른 반추위 발 효 환경이 영향을 받을 수 있을 것이라 판단된다. 사육환경온도에 따른 phylum level 미생물 군집 조성 결과에서 Bacteroidetes (적 온환경 평균=26.7± 6.61% vs. 고온환경 평균=34.5±6.54%)와 Proteobacteria (적온환경 평균=24.2±2.83% vs. 고온환경 평균=20.6± 1.83%)가 고온 스트레스 상황에서 각각 수치적으로 증가와 감소 를 하였다. 이는 Tajima et al. (2007) 연구에서 온도와 상대습도 에 따라서 반추위 내 미생물 군집 구성이 변화한다는 보고와 일 치한다. Tajima et al. (2007)은 real-time PCR을 사용하여, 상대 습도 수준 80%와 환경 온도 조건 변화(20, 28 또는 33゚C)에 따 라 반추위 박테리아의 상대 정량을 비교 분석하였으며, 환경 온 도가 증가함에 따라(20 vs. 28 또는 33゚C) 반추위내 미생물 조성 이 유의적으로 변화하며, Bacteroidetes과 Firmicutes의 상대적 함량이 각각 수치적으로 증가하고 감소한다고 보고했다. 또한 미생 물 군집의 다양성 지수를 나타내는 Shannon index가 안정적으로 나타남에 따라서 환경변화가 특정 미생물 군집 조성에는 영향을 주지 않지만, 변화한 환경으로 인해 상대적 함량 비율에는 영향 을 미친다고 주장하였다. Firmicutes의 함량 변화에 있어서는 본 연구결과와는 상이하나, 이는 급여 사료의 구성 및 조사료와 농후 사료 비율(50:50 vs. 60:40)의 차이가 영향일 것으로 사료된다. Genus level 미생물에서도 앞서 주장한 내용과 일치함을 확인하 였다. 총 3,500가지의 다양한 미생물 군집 조성이 확인되었으며 (Fig. 3), 미생물 군집 조성에는 변화가 없었으나, 각 미생물의 상대 적 함량 비율에는 차이를 나타내었다. 또한 genus level 미생물의 상 대적 함량을 높게 차지하는 미생물은(상대적 함량 2% 이상) phylum level 미생물에서도 상대적으로 높은 함량을 가진 Bacteroidetes (Prevotella와 Bacteroides), Fimicutes (Ruminococcus, Clostridium 및 Bacillus) Proteobacteria (Pseudomonas)의 하위에 미생물들에 속해 있었다(Actinobacteria의 Streptomyces 제외). Phylum level 미생 물에서부터 species level 미생물까지 고온 스트레스 영향을 받을 시 상대적함량이 차이 나는 미생물들을 분석하기 위해 LEfSe 방 법을 이용하였다. 두 개 이상의 생물학적 조건 사이의 차이를 특 징 짓는 유전자, 경로 또는 분류와 같은 게놈 특징을 확인하기 위 해 통계적 유의성, 생물학적 관련성 및 효과 크기를 결합하여 분 석하였다(Segate et al., 2011). 적온과 고온 환경 사이의 반추위 내 차이를 나타내는 미생물로 27가지가 발견되었다(Fig. 5). 반추 위 미생물 중 phylum level에서는 Fibrobacteres만 고온 스트레 스 환경에서 유의적으로 증가하였으며(p<0.05), species level에 서는 고온 환경에서 Choristoneura murinananucleopolyhedrovirus, parasitica, Nostoc sp. KVJ20, Anabaena sp. ATCC33047, Fibrobacter sp. UWB13 and sp. UWB5, Lachnospiraceae bacteriumG41, and arboricola 가 유의적으로 증가하였다(p<0.05). 이와 반대로 고온 스트레스 환경 에서 Ruminococcaceae bacteriumP7 and YAD3003, Butyrivibrio sp. AE2032, Erysipelotrichaceae bacterium NK3D112, Bifidobacterium pseudolongum, Lachnospiraceae bacteriumFE2018, XBB2008, and AC2029, Eubacterium celulosolvens, Clostridium hathewayi, andButyrivibriohungatei가 유의적으로 감소하였다(p<0.05). LefSe 분석의 결과를 phylum level로 정리하면, 적온기에는 Firmicutes와 Actinobacteria와 같은 문 단계의 미생물이 상대적으로 많이 존재하 였으며 고온 스트레스 환경하에서는 Fibrobacteres, Proteobacteria, Cyanobacteria, 및 Caudovirales와 같은 반추위 미생물들이 증가 하는 것으로 나타났다. 일반적으로 Firmicutes와 Actinobacteria는 주로 그람 양성균으로 비구조탄수화물인 곡류사료를 대사적으로 처 리할 때 증가하며, Fibrobacteres, Proteobacteria, Cyanobacteria 및 Caudovirales는 주로 그람 음성균으로 발효성 구조탄수화물을 대사적으로 처리할 수 있는 박테리아 숫자의 증가시킨다(Bryant, 1959; Stewart et al., 1997). 특히, 고온에서는 발효성 구조탄수 화물의 대사가 유리할 것으로 판단된다. 반추동물에서 탄수화물 대사는 반추위내 미생물을 통해 휘발성 지방산으로 전환되어, 미 생물의 유지와 성장 및 반추동물이 필요로 하는 대사 에너지를 공급하여 숙주에게 영향을 미치지만(맹, 1998), 어떠한 대사과정 또는 대사물질을 통해 환경변화에 따른 반추위내 미생물의 차이가 나타나는지는 추가적인 분석이 필요하다. 본 연구에서 결과에서 보여준 고온 스트레스에 반응한 반추위내 미생물 균총 변화는 젖 소의 고온 스트레스 반응성과 밀접한 연관성이 있을 것으로 판단 된다. 이러한 특정 반추위 미생물의 균총과 고온 스트레스간은 연 관성 규명을 위해서는 고온 스트레스에 대응하여 변화된 특정 미 생물들이 담당하는 대사작용과 관련된 미생물 기능성 기반의 연구 가 필요할 것으로 사료된다. Fig. 4
Ⅳ. 요 약
본 연구는 고온기 여름철 사육환경에서의 홀스타인종 젖소의 반추위내 미생물 균총 변화를 분석하고, 반추위내 미생물과 고온 스트레스간의 연관성을 규명하고자 수행하였다. 국립축산과학원 낙농과에서 사육 중인 홀스타인 젖소 10두의 반추위액을 채취하 였으며, 채취한 시료 샘플은 PowerSoil® DNA Isolation Kit (Cat. No. 12888, MO BIO)를 이용하여 DNA를 추출한 후 Illumina HiSeq ™ platform (Illumina, CA, USA)을 이용하여 미생물 균총 분석 을 실시하였다. 반추위액 내 미생물 균총을 분석한 결과, 사육환 경 온습도에 따른 미생물 군집 구성에는 큰 차이는 없었으나, 미 생물의 상대적 함량에는 차이가 있었다. LEfSe 분석을 통해 적 온과 고온 환경에서 특정 미생물들의 상대적 조성이 유의적으로 증가함을 확인하였다. 이들 결과를 볼 때, 반추위내 미생물 균총 은 고온과 같은 외부 환경변화에 영향을 받는 것으로 판단되어 젖소의 고온스트레스 반응에 있어 반추위 미생물 변화가 중요한 역할을 담당할 것으로 사료된다. 추후 연구는 이러한 차이를 나 타내는 미생물들의 대사 경로나 대사 물질에 분석을 통해 환경변 화와 미생물간의 연관성 및 이러한 미생물 균총 조절을 통한 고 온기 젖소의 적응성 향상을 위한 미생물학적 전략 연구가가 필요 할 것으로 생각된다.