작물의 환경스트레스 경감을 위한 합성비료 대체제인 생물활성제의 기작 연구 Bio-Stimulants Amplify Synthetic Fertilizer Efficiency and Augments Environmental Stress Tolerance in Crops : Plant-microbe interaction with synthetic fertilizer application under stress원문보기
합성 화학 비료는 농작물의 근본적인 영양 공급원이지만 환경오염에 위협이 된다. 이런 이유로, 식물의 영양소 사용 효율 최적화는 지속 가능한 농업 생산에 중요한 역할을 한다. 염분, 물 스트레스와 같은 환경적 스트레스는 생산성을 저하시키고 대규모 인간활동은 작물이 독성을 일으키도록 유발해왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 우리는 Si, K2HPO4, 인공적인 다중영양비료(MNF), 황산칼리(SOP)와 같은 합성 비료와 함께 생물학적으로 안전한 생물 자극제(박테리아, 곰팡이, 바이오 숯)의 적절한 사용을 통해 무기질 비료 사용 효율을 높이고 비생물적 스트레스(염, 물, 중금속)를 개선하는 통합 접근법을 도출해왔다. 이 연구에서는, 여러가지의 식물생육촉진미생물을 선별했고, 다양한 식물 성장을 촉진하는 특성을 가진 고 ...
합성 화학 비료는 농작물의 근본적인 영양 공급원이지만 환경오염에 위협이 된다. 이런 이유로, 식물의 영양소 사용 효율 최적화는 지속 가능한 농업 생산에 중요한 역할을 한다. 염분, 물 스트레스와 같은 환경적 스트레스는 생산성을 저하시키고 대규모 인간활동은 작물이 독성을 일으키도록 유발해왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 우리는 Si, K2HPO4, 인공적인 다중영양비료(MNF), 황산칼리(SOP)와 같은 합성 비료와 함께 생물학적으로 안전한 생물 자극제(박테리아, 곰팡이, 바이오 숯)의 적절한 사용을 통해 무기질 비료 사용 효율을 높이고 비생물적 스트레스(염, 물, 중금속)를 개선하는 통합 접근법을 도출해왔다. 이 연구에서는, 여러가지의 식물생육촉진미생물을 선별했고, 다양한 식물 성장을 촉진하는 특성을 가진 고 할로겐 내성 및 중금속 내성 박테리아와 곰팡이를 분리했다. 근권세균인 Pseudomonas koreensis MU2, 근권곰팡이인 Curvularia lunata ARJ202020(AR11), 그리고 Curvularia membaldsi AD-IJ2021(AF7)을 선별 및 동정했다. 선별된 이 균들은 내염성과 중금속 저항능이 매우 높을 뿐만 아니라, 선별된 균들은 지베렐린산과 유기산과 같은 식물의 생장을 촉진하는 타고난 능력을 가졌다. 게다가, 이 균들은 유리 아미노산을 사용하고, 항산화제를 생성하며 규산염, 칼륨, 인산염을 가용화하는 선천적 잠재력을 가지고 있다. AF7균은 whole genome sequencing을 진행하였으며 26개의 서로 다른 genome 영역으로부터 여러 개의 2차 대사물질을 생성할 수 있다고 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로, MU2를 염스트레스 하에서 콩을 이용해 시험하였고 식물 상호 작용에 대한 추가 조사를 수행하였다. 반면에, AR11과 AF7은 염, 적은 물, 중금속 스트레스 하에서 벼로 실험을 진행하였다. 실험을 통해 작물에 대한 바이오 숯 및 합성 비료의 다양한 처리용량을 선별하여 수확량 개선에 필요한 최적 용량을 정하였다(Si-2mM, K2HPO4: 3mM, 바이오 숯-3%, 다중 영양 입상 비료 -0.2%/kg, 토양과 황산칼리 0.25%).
본 연구에서 MU2 적용은 콩의 Si, K, P 흡수를 크게 증가시키고 Na+ 이온 유입을 낮췄으며, 호르몬 조절을 통해 신진대사를 개선해 항산화 시스템과 아미노산 생합성을 강화했다. 콩의 규산염과 인산염 스트레스 조건에서 MU2 처리구에서는 ABA와 JA가 매우 감소하였다. 이것들은 염 저항 유전자인 GmSALT3, GmST1, GmAKT2의 높은 발현과 더욱 관련이 있었다. 또한, 이 식물은 프롤린과 MDA 함량이 낮았지만 폴리페놀 함량은 더 높았으며, 궁극적으로 콩의 형태학적 특성을 개선하였다. 가뭄과 염 조건의 벼는 AR11이 존재함에 따라 벼의 생육과 발달이 현저하게 개선되었으며, 물의 관리과 균형 유지로 인해 벼의 생육이 크게 향상되었다. 흥미롭게도 AR11은 가뭄조건하 에서 규소, 인산칼륨, 바이오 숯의 단독 및 혼합처리에 비해 높은 성능을 보였다. 스트레스 호르몬인 ABA는 AR11를 처리한 식물 중 가뭄과 염 스트레스 조건 모두일 때 벼에서 그 함량이 현저하게 떨어졌다. 이 식물들은 Si, P, K 함량이 더 높았고 Na+ 이온 농도가 현저하게 낮았다. 이 결과는 Si 운송 유전자인 OsLSi1, 내염성 유전자인 OsHKT2, 내건성 전사체인 OsGRAS23 발현과 상관관계가 있었다. 게다가, AR11을 처리한 식물에서 프롤린 함량이 매우 감소하였고 더 높은 식물 생육 촉진 특성이 관찰되었다.
덧붙여서, 중금속 조건하에서 분리균 AF7은 중금속의 이동을 현저하게 낮추고, 필수 영양소 흡수를 높였으며, 식물의 형태학적 특성을 개선했다. 이 혼합 처리구(AF7+Biochar+MNF+SOP)의 식물은 Cd, Cr, Ni함량이 훨씬 더 낮았고, Si, P, Na, K의 함량은 반대로 더 높았다. 혼합처리구의 식물에서는 당과 아미노산의 함량이 훨씬 많았다. 스트레스 호르몬인 살리실산과 자스몬산은 크게 하향조절 되었다. 또한, 혼합 처리구에서는 지질 과산화 작용을 현저하게 감소시켰고 식물의 형태학적 특성과 엽록소 함량을 향상시켰다.
결론적으로, 미생물 생물자극체는 영양분 이용 효율을 증가시킬 수 있고 비생물적 스트레스와 식물독성을 완화시킬 수 있다. 게다가, 바이오 숯은 식물의 스트레스 저항성을 더 멀리 전달하여 토양시스템을 보충하고 미생물 집단을 활발하게 만든다. 이러한 결과는 바이오 숯, 화학비료, 마이크로바이옴의 혼합 처리가 비생물적 스트레스를 완화하고, 필수 영양소의 생물학적 이용 가능성을 자극하며, 식물독성을 완화하여 식물의 성장을 향상시킬 수 있음을 시사한다. 뿐만 아니라, 본 연구에서 밝힌 방법들은 생산비를 줄이고, 환경오염을 최소화하며, 비료 남용을 줄여 지속 가능한 농업을 촉진할 수 있다고 사료된다.
합성 화학 비료는 농작물의 근본적인 영양 공급원이지만 환경오염에 위협이 된다. 이런 이유로, 식물의 영양소 사용 효율 최적화는 지속 가능한 농업 생산에 중요한 역할을 한다. 염분, 물 스트레스와 같은 환경적 스트레스는 생산성을 저하시키고 대규모 인간활동은 작물이 독성을 일으키도록 유발해왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 우리는 Si, K2HPO4, 인공적인 다중영양비료(MNF), 황산칼리(SOP)와 같은 합성 비료와 함께 생물학적으로 안전한 생물 자극제(박테리아, 곰팡이, 바이오 숯)의 적절한 사용을 통해 무기질 비료 사용 효율을 높이고 비생물적 스트레스(염, 물, 중금속)를 개선하는 통합 접근법을 도출해왔다. 이 연구에서는, 여러가지의 식물생육촉진미생물을 선별했고, 다양한 식물 성장을 촉진하는 특성을 가진 고 할로겐 내성 및 중금속 내성 박테리아와 곰팡이를 분리했다. 근권세균인 Pseudomonas koreensis MU2, 근권곰팡이인 Curvularia lunata ARJ202020(AR11), 그리고 Curvularia membaldsi AD-IJ2021(AF7)을 선별 및 동정했다. 선별된 이 균들은 내염성과 중금속 저항능이 매우 높을 뿐만 아니라, 선별된 균들은 지베렐린산과 유기산과 같은 식물의 생장을 촉진하는 타고난 능력을 가졌다. 게다가, 이 균들은 유리 아미노산을 사용하고, 항산화제를 생성하며 규산염, 칼륨, 인산염을 가용화하는 선천적 잠재력을 가지고 있다. AF7균은 whole genome sequencing을 진행하였으며 26개의 서로 다른 genome 영역으로부터 여러 개의 2차 대사물질을 생성할 수 있다고 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로, MU2를 염스트레스 하에서 콩을 이용해 시험하였고 식물 상호 작용에 대한 추가 조사를 수행하였다. 반면에, AR11과 AF7은 염, 적은 물, 중금속 스트레스 하에서 벼로 실험을 진행하였다. 실험을 통해 작물에 대한 바이오 숯 및 합성 비료의 다양한 처리용량을 선별하여 수확량 개선에 필요한 최적 용량을 정하였다(Si-2mM, K2HPO4: 3mM, 바이오 숯-3%, 다중 영양 입상 비료 -0.2%/kg, 토양과 황산칼리 0.25%).
본 연구에서 MU2 적용은 콩의 Si, K, P 흡수를 크게 증가시키고 Na+ 이온 유입을 낮췄으며, 호르몬 조절을 통해 신진대사를 개선해 항산화 시스템과 아미노산 생합성을 강화했다. 콩의 규산염과 인산염 스트레스 조건에서 MU2 처리구에서는 ABA와 JA가 매우 감소하였다. 이것들은 염 저항 유전자인 GmSALT3, GmST1, GmAKT2의 높은 발현과 더욱 관련이 있었다. 또한, 이 식물은 프롤린과 MDA 함량이 낮았지만 폴리페놀 함량은 더 높았으며, 궁극적으로 콩의 형태학적 특성을 개선하였다. 가뭄과 염 조건의 벼는 AR11이 존재함에 따라 벼의 생육과 발달이 현저하게 개선되었으며, 물의 관리과 균형 유지로 인해 벼의 생육이 크게 향상되었다. 흥미롭게도 AR11은 가뭄조건하 에서 규소, 인산칼륨, 바이오 숯의 단독 및 혼합처리에 비해 높은 성능을 보였다. 스트레스 호르몬인 ABA는 AR11를 처리한 식물 중 가뭄과 염 스트레스 조건 모두일 때 벼에서 그 함량이 현저하게 떨어졌다. 이 식물들은 Si, P, K 함량이 더 높았고 Na+ 이온 농도가 현저하게 낮았다. 이 결과는 Si 운송 유전자인 OsLSi1, 내염성 유전자인 OsHKT2, 내건성 전사체인 OsGRAS23 발현과 상관관계가 있었다. 게다가, AR11을 처리한 식물에서 프롤린 함량이 매우 감소하였고 더 높은 식물 생육 촉진 특성이 관찰되었다.
덧붙여서, 중금속 조건하에서 분리균 AF7은 중금속의 이동을 현저하게 낮추고, 필수 영양소 흡수를 높였으며, 식물의 형태학적 특성을 개선했다. 이 혼합 처리구(AF7+Biochar+MNF+SOP)의 식물은 Cd, Cr, Ni함량이 훨씬 더 낮았고, Si, P, Na, K의 함량은 반대로 더 높았다. 혼합처리구의 식물에서는 당과 아미노산의 함량이 훨씬 많았다. 스트레스 호르몬인 살리실산과 자스몬산은 크게 하향조절 되었다. 또한, 혼합 처리구에서는 지질 과산화 작용을 현저하게 감소시켰고 식물의 형태학적 특성과 엽록소 함량을 향상시켰다.
결론적으로, 미생물 생물자극체는 영양분 이용 효율을 증가시킬 수 있고 비생물적 스트레스와 식물독성을 완화시킬 수 있다. 게다가, 바이오 숯은 식물의 스트레스 저항성을 더 멀리 전달하여 토양시스템을 보충하고 미생물 집단을 활발하게 만든다. 이러한 결과는 바이오 숯, 화학비료, 마이크로바이옴의 혼합 처리가 비생물적 스트레스를 완화하고, 필수 영양소의 생물학적 이용 가능성을 자극하며, 식물독성을 완화하여 식물의 성장을 향상시킬 수 있음을 시사한다. 뿐만 아니라, 본 연구에서 밝힌 방법들은 생산비를 줄이고, 환경오염을 최소화하며, 비료 남용을 줄여 지속 가능한 농업을 촉진할 수 있다고 사료된다.
Synthetic chemical fertilizer is the fundamental source of nutrition for agricultural crops as well as threat to quality production and environment pollution. Hence, optimization of nutrient use efficiency in plants is crucial for sustainable agriculture production. In addition, environmental stress...
Synthetic chemical fertilizer is the fundamental source of nutrition for agricultural crops as well as threat to quality production and environment pollution. Hence, optimization of nutrient use efficiency in plants is crucial for sustainable agriculture production. In addition, environmental stress such as salinity and water stress has lowered productivity and massive anthropogenic human activities has imposed toxic crop production. To address these challenges, we have derived an integrated approach to stimulate the inorganic fertilizer use efficiency and ameliorate the abiotic stresses (salt, water, and heavy metal) through judicious application of biologically safe bio-stimulants (bacteria, fungus and biochar) with synthetic fertilizer such as Si, K2HPO4, artificial multiple nutrient fertilizer (MNF) and sulphate of potash (SOP). In our study, we screened several plant growth promoting microorganism and isolated highly halotolerant and heavy metal resistant bacteria and fungus with multifarious plant growth promoting traits. We identified and selected rhizobacterium Pseudomonas koreensis MU2 Rhizoshperic fungi Curvularia lunata ARJ2020 (AR11) and, Curvularia mebaldsii AD-IJ2021(AF7) These isolates are highly halotolerant and heavy metal resistant strains. Moreover, they have innate ability to produce several plant growth promoting traits such as gibberellic acid and organic acid. In addition, these isolates consume free amino acid and produces antioxidants and has innate potential for silicate, potassium, and phosphate solubilization. We also performed the whole genomic sequence of the strain AF7. The AF7 strain has 48 contigs and can produce several secondary metabolites from 26 different genomic regions. Based on this observation, the further investigation with plant interaction was conducted where MU2 was tested with soybean under salt stress. whereas AR11 and AF7 was tested with rice under salt, low water and heavy metal stress. We also screened several doses of biochar and synthetic fertilizer on the crops and selected optimum doses required for better yield (Si-2mM, K2HPO4: 3mM, Biochar-3%, Multiple nutrient fertilizer granules-0.2%/kg soil and Sulphate of Potash 0.25%). In our study, MU2 application significantly elevated the Si, K and P uptake and lowered Na+ ion influx in soybean plant and improved the metabolism of plants through hormones modulation, strengthening antioxidants system and amino acid biosynthesis. The ABA and JA was significantly dropped on MU2 treated with Si and P on salt stressed soybean plants. These was further co-related with the higher gene expression of salt resistant gene GmSALT3, GmST1, and GmAKT2. Moreover, the plant showed higher polyphenol content with lower proline and MDA content and ultimately improved the morphological attributes of soybean plants. In case of rice under drought and salt, presence of AR11 significantly improved the rice growth and development through maintenance of water check and balance. Interestingly, AR11 showed higher performance as compared to the sole and co-application of silicon, potassium phosphate and biochar under drought. The stress hormone ABA was significantly dropped on rice plants under both drought and salt stress condition on AR11 treated plants. These plants showed higher Si, P and K content and markedly low Na+ ion concentration. The results are further validated with the higher expression of Si carrying gene OsLSi1, salt tolerant gene OsHKT2 and drought tolerant transcriptome OsGRAS23 expression. Moreover, the proline content was significantly dropped on AR11 treated plant and higher plant growth promoting characteristics were observed. Furthermore, under heavy metal exposure isolate AF7 significantly lowered the heavy metal translocation, enhanced the essential nutrients uptake, and improved the plant morphological characteristics. Here, co-application (AF7+Biochar+MNF+SOP) treated plant showed significantly lower Cd, Cr and Ni, in contrast, higher content of Si, P, Na and K content. The co-application treated plant showed higher glucose and sucrose level. Stress hormones salicylic acid and jasmonic acid were significantly downregulated with co-application. Moreover, the co-application significantly dropped the lipid peroxidation and improved the morphological attributes and chlorophyll content of the plants. In conclusion, microbial biostimulant could enhance the nutrient use efficiency and mitigate abiotic stress and phytotoxicity. In addition, biochar facilitates microbial community and replenish the soil system which further confers stress tolerance to plants. These results suggest that the integrated co-application of biochar, chemical fertilizer and microbiome could mitigate abiotic stress, stimulates the bioavailability of the essential nutrients, and relieve phytotoxicity and ultimately enhance the plant growth. Moreover, the strategies defined in this study could cut down over fertilizer use which reduce the production cost, minimize environment pollution, lessen food toxicity, and promotes sustainable agriculture.
Synthetic chemical fertilizer is the fundamental source of nutrition for agricultural crops as well as threat to quality production and environment pollution. Hence, optimization of nutrient use efficiency in plants is crucial for sustainable agriculture production. In addition, environmental stress such as salinity and water stress has lowered productivity and massive anthropogenic human activities has imposed toxic crop production. To address these challenges, we have derived an integrated approach to stimulate the inorganic fertilizer use efficiency and ameliorate the abiotic stresses (salt, water, and heavy metal) through judicious application of biologically safe bio-stimulants (bacteria, fungus and biochar) with synthetic fertilizer such as Si, K2HPO4, artificial multiple nutrient fertilizer (MNF) and sulphate of potash (SOP). In our study, we screened several plant growth promoting microorganism and isolated highly halotolerant and heavy metal resistant bacteria and fungus with multifarious plant growth promoting traits. We identified and selected rhizobacterium Pseudomonas koreensis MU2 Rhizoshperic fungi Curvularia lunata ARJ2020 (AR11) and, Curvularia mebaldsii AD-IJ2021(AF7) These isolates are highly halotolerant and heavy metal resistant strains. Moreover, they have innate ability to produce several plant growth promoting traits such as gibberellic acid and organic acid. In addition, these isolates consume free amino acid and produces antioxidants and has innate potential for silicate, potassium, and phosphate solubilization. We also performed the whole genomic sequence of the strain AF7. The AF7 strain has 48 contigs and can produce several secondary metabolites from 26 different genomic regions. Based on this observation, the further investigation with plant interaction was conducted where MU2 was tested with soybean under salt stress. whereas AR11 and AF7 was tested with rice under salt, low water and heavy metal stress. We also screened several doses of biochar and synthetic fertilizer on the crops and selected optimum doses required for better yield (Si-2mM, K2HPO4: 3mM, Biochar-3%, Multiple nutrient fertilizer granules-0.2%/kg soil and Sulphate of Potash 0.25%). In our study, MU2 application significantly elevated the Si, K and P uptake and lowered Na+ ion influx in soybean plant and improved the metabolism of plants through hormones modulation, strengthening antioxidants system and amino acid biosynthesis. The ABA and JA was significantly dropped on MU2 treated with Si and P on salt stressed soybean plants. These was further co-related with the higher gene expression of salt resistant gene GmSALT3, GmST1, and GmAKT2. Moreover, the plant showed higher polyphenol content with lower proline and MDA content and ultimately improved the morphological attributes of soybean plants. In case of rice under drought and salt, presence of AR11 significantly improved the rice growth and development through maintenance of water check and balance. Interestingly, AR11 showed higher performance as compared to the sole and co-application of silicon, potassium phosphate and biochar under drought. The stress hormone ABA was significantly dropped on rice plants under both drought and salt stress condition on AR11 treated plants. These plants showed higher Si, P and K content and markedly low Na+ ion concentration. The results are further validated with the higher expression of Si carrying gene OsLSi1, salt tolerant gene OsHKT2 and drought tolerant transcriptome OsGRAS23 expression. Moreover, the proline content was significantly dropped on AR11 treated plant and higher plant growth promoting characteristics were observed. Furthermore, under heavy metal exposure isolate AF7 significantly lowered the heavy metal translocation, enhanced the essential nutrients uptake, and improved the plant morphological characteristics. Here, co-application (AF7+Biochar+MNF+SOP) treated plant showed significantly lower Cd, Cr and Ni, in contrast, higher content of Si, P, Na and K content. The co-application treated plant showed higher glucose and sucrose level. Stress hormones salicylic acid and jasmonic acid were significantly downregulated with co-application. Moreover, the co-application significantly dropped the lipid peroxidation and improved the morphological attributes and chlorophyll content of the plants. In conclusion, microbial biostimulant could enhance the nutrient use efficiency and mitigate abiotic stress and phytotoxicity. In addition, biochar facilitates microbial community and replenish the soil system which further confers stress tolerance to plants. These results suggest that the integrated co-application of biochar, chemical fertilizer and microbiome could mitigate abiotic stress, stimulates the bioavailability of the essential nutrients, and relieve phytotoxicity and ultimately enhance the plant growth. Moreover, the strategies defined in this study could cut down over fertilizer use which reduce the production cost, minimize environment pollution, lessen food toxicity, and promotes sustainable agriculture.
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