Bacterial Communities in Yongin City Soil and Polyphasic Taxonomic Studies of Novel Bacteria

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Soil bacteria are abundance and diverse because they affect the structure and fertility of different soils. Many studies were performed to find novel bacterial species in Republic of Korea, and consequently there are big current well-identified bacterial taxanomic data. It is necessary to characterize the relationship between novel bacteria and its communities for effective management of soil bacterial benefits. The purpose of this study was to characterize the bacterial communities in Yongin city soil and to identify novel bacterial strains by polyphasic taxonomic approach.
To characterize the soil bacterial community, it was applied culture-dependent approach and 16S rRNA gene sequence analysis and statistical analysis methods. Soil samples were collected in thirty-six batches and four hundred eighty-four isolates were obtained. Results showed that the composition of bacterial communities were belonging to four phyla: Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes and Firmicutes. Based on the distribution of bacteria phyla, the high organic carbon concentration might presented in Yongin soil. The analysis revealed that Pseudomonas, Arthrobacter and Bacillus were the ubiquitous bacteria. Bacteria diversity was related to soil types and community composition was dependent of geographic distance. The field soil was more phylogenetically diverse than non-field soil.
Soil bacteria, which were isolated from Yongin city, might have had a common ancestor.
To identify the novel bacteria, six of two hundred fifty-six novel strains were chosen because of their potential manufacturing applications. The exact taxonomic position was investigated using polyphasic approach. The series of methods were used such as genotypic, phenotypic and chemotaxonomic analyses. The results were compared with similar set of data from its closely related species to identify the similar, different and typical characteristics of novel species. Based on the presented findings, six novel species, Arthrobacter bambusae sp. nov., Chryseobacterium camelliae sp. nov., Flavobacterium daemonensis sp. nov., Luteimonas radiciterrae sp. nov., Lysobacter terrae sp. nov. and Pedobacter seoulensis sp. nov. were proposed, with THG-GM18T, THG C4-1T, THG-DJ7T, THG-MD21T, THG-A13T and THG-G12T , respectively, as the type strains.
In conclusion, the bacterial communities in Yongin city soil were characterized and six novel species were identified. In the future, it is necessary to perform the large-scale investigation of the genotypic features of strains from different environmental sites in order to show the relationship to the geochemistry of the habitats.

국문 초록 (Abstract)

토양 박테리아는 그 수가 매우 풍부하며 다양하게 존재한다. 미생물 분류학은 새로운 박테리아 종의 발견에 초점을 맞춰왔으며, 현재 방대한 양의 미생물 정보를 구축하는 토대가 되고 있다. 이와 더불어, 많은 토양 박테리아의 이점을 이해하고 관리 하는 데 도움이 되기 위해서는 각각의 토착 상태에서의 새로운 박테리아와 박테리아 군의 특성을 밝히는 것이 필요하다.
본 연구의 목적은 용인시 토양에 존재하는 박테리아 군을 분류, 동정하고 다상분류법을 이용해 새로운 박테리아 종의 특징을 규명하는 데 있다.
용인시 토양 내 박테리아 군의 명확한 분류를 위해 배양조건에 따라 균을 분리한뒤, 16S rRNA 유전자 염기서열 결정법, 통계적 분석 방법을 사용하었다. 36곳의 토양에서 484개의 토양 표본을 분석했으며, 그 결과 용인시의
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토양에서는 Proteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes의 네 가지 종류의 박테리아 문이 발견되었다. 특히, 이러한 구성의 박테리아 문이 많이 발견 된 것은 용인시의 토양이 높은 농도의 유기 탄소를 함유하고 있기 때문이라 할 수 있다. 이들 중에서Pseudomonas, Arthrobacter, Bacillus 속의 박테리아가 많이 발견되었다. 박테리아의 다양성은 토양의 종류와 박테리아 군의 구성을 통해 확인할 수 있는데, 이는 토양 내 경작식물의 뿌리와 박테리아 서식지 사이의 지리적 거리를 직접적으로 반영하게 된다. 따라서 경작토양은 비경작 토양에 비해 좀 더 계통 발생학적 특징을 보이는데, 용인시의 토양에서 분리된 박테리아의 구성을 통해 이들이 같은 근연관계에서 유래되었음을 예측할 수 있었다. 용인시 토양 내에 존재하는 박테리아 중 새로운 균주의 특징을 규명하기 위해, 256개의 새로운 균주를 분리하였으며 이 중 산업화에 응용이 가능할 것으로 추정되는 6개의 균주에 대해 연구를 수행하였다. 정확한 분류상의 위치 확인을 위해 다상 접근법이 사용되었으며, 유전학적, 형태학적, 생화학적 분류방법이 사용되었다. 또한 개통 발생학적으로 가장 가까운 이웃 균주와 비교를 통해 기존 균주들과 새로운 균주들 사이의 유사점, 차이점 그리고 일반적인 특징 등을 관찰되었다. 모든 결과를 토대로 발견 된 여섯 개의 새로운 균주는Arthrobacter bambusae sp. nov. THG-GM18T (= KACC 17531T = JCM 19335T), Chryseobacterium camelliae sp. nov. THG C4-1T (= KACC 16985T = JCM 18745T), Flavobacterium daemonensis sp. nov. THG-DJ7T (=KACC 17651T = JCM 19455T), Luteimonas radiciterrae sp. nov. THG-MD21T (= KACC 17660T = JCM 19461T), Lysobacter terrae sp. nov. THG-A13T (= KACC 17646T = JCM 19613T), Pedobacter seoulensis sp. nov. THG-G12T (= KACC 17529T = JCM 19363T) 으로 명명되었다. 결론적으로 용인시 토양에 존재하는 박테리아 군의 다양성을 확인하였으며, 그 중 256개의 새로운 균주를 찾을 수 있었다. 이러한 결과는 각각의 미생물의 이점을 이해하고 관리하는 데 사용될 수 있을 뿐 아니라 미생물 생태계의 이해와 토양의 잠재성 및 적합성을 확인하는 데에도 도움이 될 수 있을 것이다. 또한 미생물의 다양한 서식지에 따라 변할 수 있는 유전학적 특징을 규명하기 위해 좀 더 광범위한 범위의 연구의 수행이 필요할 것으로 생각된다.

목차 (Table of Contents)

• PART A. BACTERIAL COMMUNITIES IN YONGIN CITY SOIL . 1
• 1. Introduction 1
• 1.1. Microbiology . 1
• 1.2. Microbial community 1
• 1.3. Soil bacteria . 2
• 1.4. Diversity of microbial communities in soils 3
• 1.5. Bacterial communities of rhizosphere and bulk soils 4
• 2. Materials and Methods 8
• 2.1. Sample preparation and bacterial isolation 8
• 2.2. Analysis of 16S rRNA gene sequences 9
• 2.3. Phylogenetic tree construction methods 10
• 2.4. Statistical analysis 10
• 3. Results and Discussion . 13
• 3.1. Analysis of 16S rRNA gene sequences 13
• 3.2. Phylogenetic analysis . 13
• 3.3. Characterization of bacterial communities in Yongin city soil 15
• 3.4. Correlation between communities composition and soil properties 17
• 4. Conclusion 27
• 5. References . 28
• PART B. POLYPHASIC TAXONOMIC STUDIES OF NOVEL BACTERIA 32
• 1. Introduction 32
• 1.1. Microbial taxonomy . 32
• 1.2. Polyphasic taxonomic study 33
• 1.3. The purposes of the study 36
• 2. Materials and Methods 38
• 2.1. Molecular taxonomy 38
• 2.1.1. DNA extraction 38
• 2.1.2. 16S rRNA gene sequencing . 38
• 2.1.3. Valid publication of bacterial names 39
• 2.1.4. Phylogenetic analysis . 39
• 2.1.5. DNA base composition analysis. 39
• 2.1.6. DNA-DNA hybridization experiment 39
• 2.2. Phenotypic analysis 41
• 2.2.1. Gram staining, gliding motility and morphology characterization 41
• 2.2.2. Salinity, temperature and pH, medium test 42
• 2.2.3. Anaerobic growth test 42
• 2.2.4. Antimicrobial test . 42
• 2.3. Chemotaxonomic methods 43
• 2.3.1. Respiratory quinone analysis . 43
• 2.3.2. Polyamine analysis . 43
• 2.3.3. Fatty acid methyl ester analysis . 44
• 2.3.4. Polar lipid analysis . 44
• 2.3.5. Cell wall peptidoglycan and sugars analysis 45
• 2.4. Microbial conversion of ginsenosides . 45
• 3. Results and Discussion . 47
• 3.1. Arthrobacter bambusae sp. nov., isolated from soil of a bamboo grove . 47
• 3.2. Chryseobacterium camelliae sp. nov., isolated from green tea 48
• 3.3. Flavobacterium daemonensis sp. nov., isolated from Daemo mountain soil . 49
• 3.4. Luteimonas radiciterrae sp. nov., was isolated from rhizosphere soil of Radix ophiopogonis . 51
• 3.5. Lysobacter terrae sp. nov., isolated from Aglaia odorata rhizosphere soil . 52
• 3.6. Pedobacter seoulensis sp. nov., isolated from soil of bamboo field 53
• 4. Conclusion 63
• 5. References . 64
• APPENDIX A. List of isolated novel strains . 68
• APPENDIX B. Phylogenetic tree of all Pedobacter species and their geographical sites . 76
• APPENDIX C. Phylogenetic tree of all Lysobacter species and their geographical sites 77
• APPENDIX D. Publications. 78
• 국문초록 . 79
• ACNOWLEDGEMENTS 82