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미생물 기원의 휘발성 유기 화합물(미생물 휘발성 화합물, MVCs)은 식물과 병원체 사이의 상호작용을 포함한 대부분 생물체의 많은 생리학적 과정에 영향을 미친다. MVCs는 대기, 물, 토양을 통하여 멀리 이동을 할 수 있으며, 식물 및 관련 미생물들의 생리학적 과정에 영향을 끼칠 수 있다. 실질적인 예시로 MVCs는 식물 병원체를 억제하고 식물의 생장을 증진시킴에 따라 간접적인 식물 촉진제로써 역할을 할 수 있음이 보고되었다. 그러나 MVCs의 작용 기작 및 기능을 이해하기 위해서는 MVCs의 특성이 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구가 필요하다. 지난 20년간 MVCs 혼합물과 ...

미생물 기원의 휘발성 유기 화합물(미생물 휘발성 화합물, MVCs)은 식물과 병원체 사이의 상호작용을 포함한 대부분 생물체의 많은 생리학적 과정에 영향을 미친다. MVCs는 대기, 물, 토양을 통하여 멀리 이동을 할 수 있으며, 식물 및 관련 미생물들의 생리학적 과정에 영향을 끼칠 수 있다. 실질적인 예시로 MVCs는 식물 병원체를 억제하고 식물의 생장을 증진시킴에 따라 간접적인 식물 촉진제로써 역할을 할 수 있음이 보고되었다. 그러나 MVCs의 작용 기작 및 기능을 이해하기 위해서는 MVCs의 특성이 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구가 필요하다. 지난 20년간 MVCs 혼합물과 수용체에 대한 효과에 대해 연구되어 왔지만 기작에 대해서는 아직 밝혀진 바가 없다. 기존에 알려진 MVCs는 단일물질 또는 혼합물로써 여러 기작들을 조절할 수 있다. 본 연구에서는 식물과 식물 병원체(곰팡이, 세균) 및 미생물 기원의 휘발성 화합물 유사체인 이황화메틸 (Dimethyl disulfide, DMDs)을 활용하여 이들 사이에서 발생하는 식물 방어 작용 및 병원균의 독성과 관련된 후속 신호 전달 네크워크와 상호작용에 대해 조사하였다. 식물에 대한 DMDS의 영향을 알아보기 위해, Arabidospsis 모종을 다양한 농도의 휘발성 DMDS에 노출시키고 일주일 동안 배양하였다. DMDS에 노출된 Arabidospsis 모종은 처리하지 않은 식물에 비해 식물 생장 및 측근 발달이 상당히 개선된 것으로 나타났다. 근본적인 기작을 파악하기 위해, DMDS에 의한 뿌리 시스템 구조의 변화를 자세히 조사해보았다. 휘발성 DMDS를 처리한 경우에 식물에서 초기 옥신 반응 유전자 (SAUR-AC1, GH3.1 IAA14)와 옥신 신호 전달기의 발현 (DR5::GUS), 옥신 신호 강도가 향상되었다. 결론적으로 옥신 신호 전달 이 소실된 Arabidopsis의 유전자(tir1-1, arf7, arf7, arf19) 변성은 측근 형성 및 뿌리털 발달에 변화를 유발하지 못하였으나, DMDS는 Arabidopsis에서 옥신 신호 전달 경로를 통해 뿌리 시스템 구조를 수정하여 식물의 성장 및 발달에 기여한다는 것을 알 수 있었다. 생물학적 방제 분야에서 MVCs의 영향이 광범위하게 보고된 이후, 진행된 연구들은 곰팡이의 성장과 작용기전에 대한 외인성 DMDS의 효과를 이해하는데 초점이 맞추어져 있었다. 이와 관련하여 병원성 통제 인자로써 휘발성 DMDS의 가능성을 확인하기 위해 우리는 다수의 곰팡이 균에 DMDS를 노출시켰고 거의 모든 병원체가 DMDS에 의해 저해 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 또한 Sclerotinia minor를 이용한 균핵병 실험을 수행하였으며, S. minor에 DMDS를 노출시킨 뒤 에르고스테롤, 생체량, 균핵 형성 및 발아, 균사 성장, 최소 억제양 (MIQ)과 같은 다양한 조사를 실행하였다. DMDS의 MIQ가 50 μM/mL 일 때, S. minor는 80%까지 성장이 감소되는 것을 확인할 수 있었고 성장 저해, 균핵 형성 및 발아, 생체량도 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 또한 DMDS에 노출된 균사는 처리하지 않은 대조군에 비해 심각한 영향을 받는 것으로 나타났다. TEM (transmission electron microscopy), 형광 현미경, 주사현미경, 세포구성물의 방출을 통해 알아본 생리학적, 형태학적 및 초미세구조의 연구 결과는 막 손상 기작이 원인이라는 것을 증명하였다. 또한 탈메틸효소 유전자의 발현과 총 에르고스테롤 함량이 감소하였으며, 이는 세포막의 손상 및 에르고스테롤 생합성의 저해 때문인 것으로 나타났다. MVCs가 토마토 식물의 방어 관련 유전자의 발현을 증가시키고 식물체의 병 저항성을 감소시킨다는 것은 분명하지만 DMDS와 같은 외인성 화합물에 노출된 병원균의 독성 및 병원성의 변화는 간과되어 왔다. 따라서 휘발성 DMDS가 식물 생장 촉진에 미치는 영향을 파악하기 위해 시험관 내 실험(in vitro)과 실증(in vivo) 실험을 진행하였다. DMDS에 노출된 두 조건 모두에서 토마토 식물의 생장이 크게 개선되었다. 또한 병원체 저항성과 식물 생장 및 방어 관련 유전자 발현의 유도에 DMDS가 어떠한 영향을 끼치는지 알아보기 위해 DMDS를 처리한 것과 처리하지 않은 대조실험을 진행하였다. 그 결과, DMDS에 노출된 경우에 곰팡이 병원체에 대한 길항작용이 발생되어 식물을 보호하는 것으로 나타났다. 그리고 식물 방어 관련 유전자 (APX2, PA2, PR1, PR5), 옥신 (ARF5), 익스팬진 발현이 증가되었으나 에틸렌 생산과 관련된 유전자의 발현은 감소되는 것으로 나타났다. 또한 과산화수소 및 칼로오스 축적은 DMDS를 처리한 실험구가 처리하지 않은 식물에 비해 훨씬 더 강하게 나타났다. 이러한 연구결과는 DMDS, 토마토 식물(숙주) 및 병원균간 상호작용을 통하여 식물의 생장 증진 및 병원균에 대한 저항성이 높아질 수 있다는 새로운 가능성을 제시하였다. 다른 생체 시스템과 마찬가지로, 세균은 생물학적으로 독성 혼합물의 존재를 포함하여 주변 환경 조건을 감지하고 이에 반응을 하며, 이러한 반응에서 특정 세포 내 및 세포 외 신호를 탐지 단백질을 통해 감지하고 적응 반응을 조절하게 된다. 식물 병원성(Pseudomonas syringae, Ralstonia solanoseraum) 또는 다른 세균(Escherichia coli)에 대한 MVCs의 영향을 알아보기 위해 연구를 진행하였다. DMDS와 같은 특정 화합물의 독성 영향 및 식물과의 상호작용은 아직 밝혀지지 않았으므로 본 연구에서는 독성이 없는 수준에서 DMDS의 유무에 따른 P. syringae pv. tomato DC3000 (Strain DC3000)의 전체적인 유전자 발현을 전사체 분석을 통해 조사하였다. 그 결과 다양한 유전자가 DMDS에 노출되면 아미노산의 물질대사 및 에너지 생성, 운동성과 관련된 유전자들이 다르게 발현된다는 것을 알 수 있었다. 이 유전자들 중 일부는 일반적인 스트레스 반응과 관련이 있으며 다른 일부는 VOC에 대한 반응에만 국한 된다는 것을 알 수 있었다. 또한 DMDS에 노출 시켰을 때, 세균의 병독성에 영향을 미치고 토마토 식물에서 질병 증상을 54% 감소시킨다는 것을 알 수 있었다. 이를 통하여 DMDS는 병원성 세균을 통제하는데 효과적이었으며 DMDS에 대한 새로운 생물학적 효과를 확인할 수 있었다. 종합적으로 DMDS는 병원체 감염에 대한 식물의 저항성을 향상시킬 뿐만 아니라 식물의 방어, 발달, 생장에 관련한 기작에 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 또한 DMDS와 식물 및 식물 병원체(세균/곰팡이) 간에 서로 상호작용한다는 것을 알 수 있었고 DMDS는 옥신 신호를 이용하여 Arabidospsis의 뿌리 시스템 구조를 조절하는 반면, 막 손상 기작을 통해 곰팡이 병원균의 성장을 억제한다는 것을 알 수 있었다. S. minor에 감염된 토마토 식물의 발병도는 DMDS를 처리하였을 때 성장 및 저항유전자의 발현이 증가되면서 70% 감소하는 것으로 나타났다. DMDS가 처리된 P. syringae 세포의 전사체 분석을 통해 병독성 및 발달, 운동성, 생장과 관련된 유전자들의 발현에 DMDS가 큰 영향을 주는 것이 확인되었다. 그 외에도 DMDS의 처리는 P. syrinage 세포의 연축 운동성을 포함한 다양한 운동성을 감소시킬 뿐만 아니라 병원균의 독성을 감소시켰다. 그러나 식물과 병원균 사이에 DMDS가 미치는 연관성을 보다 잘 이해하기 위해서는 DMDS와 같은 휘발성 화합물을 받는 수용체와 활동스펙트럼 분석에 대해 보다 더 깊이 있는 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.

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