Diacronema lutheri (Pavlovales, Haptophyceae)의 삼중수소 노출 초기 전사체 반응 = Diacronema lutheri (Pavlovales, Haptophyceae): Early Transcriptomic Responses to Tritiated Water Exposure

국문 초록 (Abstract)

Diacronema lutheri는 착편모조류에 속하는 해양 미세조류로, 고농도의 다중불포화지방산을 함유하여 양식 산업에서 중요한 먹이 생물로 활용된다. 본 연구는 삼중수소를 노출한 D. lutheri의 초기 분자적 스트레스 반응을 규명하고자 전사체 기반 유전자 발현 분석을 수행하였다. 실험은 5.67×10⁶ Bq/L 농도의 삼중수소를 처리한 실험구와 삼중수소를 포함하지 않은 대조구로 구성하였다. 단기 노출(24시간 간격, 96시간까지)과 장기 노출(3주 간격) 시료 총 21개 시료를 대상으로 Illumina 플랫폼에서 paired-end 151 bp 조건으로 시퀀싱 하였다. 전처리한 리드는 핵, 색소체, 미토콘드리아 유전체로 구성된 참조 유전체에 매핑하여 유전자 발현량을 정량화하였다. 대조구와 삼중수소 처리 후 1일 차(24시간) 실험구 간 비교 분석 결과, 총 947개의 차등 발현 유전자를 확인하였으며, 이 중 442개는 발현량이 증가했고. 505개는 발현이 감소했다. 기능 풍부도 분석 결과, 삼중수소 노출 초기 24시간 이내에 광합성 기능을 담당하는 유전자들의 발현이 2배 이상 감소하여 광계 구성 요소와 색소체 전자의 전사체 억제가 나타났다. 또한 미토콘드리아 산화적 인산화 경로에서도 전자전달계 주요 복합체를 구성하는 유전자들의 발현이 감소하여, 에너지 생산 능력이 2배 이상 감소하였다. D. lutheri의 주요 생리적 특성 중 하나인 지방산 대사 관련 유전자 역시 초기 단계부터 발현이 감소하여, 세포막 구성, 에너지 저장 및 신호 전달과 관련된 대사 기능 전반이 억제되는 경향을 보였다. 이러한 전사체 변화는 삼중수소 노출이 D. lutheri의 에너지 소모가 큰 성장 및 생합성 관련 기능을 억제하고 세포 항상성 유지와 생존을 우선하는 방어적 대사 조절 전략이 신속히 유도되었음을 시사한다. 본 연구는 삼중수소 노출 초기 해양 미세조류에서 나타나는 스트레스 인지 및 생존 중심의 대사 전환에 대한 분자적 근거를 제시하며, 방사선 환경 스트레스가 해양 일차 생산자의 생리 기능 및 생태계 안정성에 미칠 잠재적 영향을 평가하는 데 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Diacronema lutheri is a marine microalga belonging to the phylum Haptophyta and is widely used as an important feed organism in the aquaculture industry due to its high content of polyunsaturated fatty acids. In this study, a transcriptome-based gene expression analysis was performed to investigate the early molecular stress responses of D. lutheri exposed to tritiated water. The experiment consisted of a treatment group exposed to tritiated water at a concentration of 5.67 × 10⁶ Bq/L and a control group without tritium. Samples were obtained under short-term exposure at 24-hour intervals up to 96 hours, as well as under long-term exposure at 3-week intervals. A total of 21 samples were sequenced using the Illumina platform with paired-end 151 base pair reads. After preprocessing, the reads were mapped to a reference genome composed of nuclear, plastid, and mitochondrial genomes to quantify gene expression levels. Comparative analysis between the control group and the treatment group at day 1 (24 hours) after tritiated water exposure identified a total of 947 differentially expressed genes. Among these genes, 442 were up-regulated and 505 were down-regulated. Functional enrichment analysis showed that the expression of genes related to photosystem components and plastid electron transport processes was significantly suppressed transcriptionally. Furthermore, the genes involved in the mitochondrial oxidative phosphorylation pathway were down-regulated, suggesting an overall decrease in respiration-based energy production. Genes related to fatty acid metabolism, which is one of the key physiological characteristics of D. lutheri, also showed clear suppression at the early exposure stage. These transcriptomic changes indicate that tritiated water exposure is recognized by D. lutheri as an external stress factor. The observed gene expression patterns suggest that energy-consuming growth and biosynthetic processes were suppressed, while metabolic regulation was shifted toward maintaining cellular homeostasis and survival. This study provides molecular-level evidence of stress responses and survival-oriented metabolic regulation in marine microalgae during the early stage of tritium exposure and contributes to understanding the potential effects of radioactive environmental stress on marine primary producers.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. 재료 및 방법 5
• 2.1 배양주 확보 및 배양 5
• 2.2 삼중수소 노출 실험 5
• 2.3 RNA 추출 및 시퀀싱 9
• 2.3.1 Total RNA 추출 9
• 2.3.2 RNA 품질 분석 9
• 2.3.3 라이브러리 제작 및 시퀀싱 10
• 2.4 RNA-seq 데이터 분석 11
• 2.4.1 원시 데이터 전처리 11
• 2.4.2 참조 유전체에 대한 리드 매핑 14
• 2.4.3 유전자 발현 정량 및 배치 효과 보정 14
• 2.4.4 차등 발현 유전자 분석 14
• 2.4.5 CDS 기능 주석 및 풍부도 분석 15
• 2.4.6 대사 경로 분석 16
• 3. 결과 및 고찰 17
• 3.1 Total RNA 및 RNA-seq 라이브러리 품질 17
• 3.2 RNA-seq 데이터 품질 21
• 3.3 참조유전체에 대한 리드 매핑 21
• 3.4 세포소기관 유전체 리드 커버리지 23
• 3.5 유전자 발현량 비교 29
• 3.6 차등 발현 유전자 32
• 3.7 차등 발현 유전자 기능 주석 및 기능 분류 36
• 3.7.1 Diacronema lutheri CDS 기능 주석 36
• 3.7.2 차등 발현 증가 유전자 기능 및 풍부도 분석 36
• 3.7.3 차등 발현 감소 유전자 기능 및 풍부도 분석 38
• 3.8 주요 대사 경로 및 핵심 기능 차등 발현 유전자 44
• 3.8.1 KEGG 기반 대사 경로 분석 44
• 3.8.2 광합성 경로 관련 차등 발현 유전자 49
• 3.8.3 세포 소기관 차등 발현 유전자 50
• 3.8.4 산화적 인산화 경로 관련 차등 발현 유전자 54
• 3.8.5 지방산 대사 경로 관련 차등 발현 유전자 57
• 3.8.6 스트레스 반응 관련 차등 발현 유전자 58
• 4. 결론 63
• 참고문헌 65
• 부록 75