오이 근권 토양에서 분리한 식물생장 촉진세균 Bacillus aryabhattai GW320 특성 및 평가 Characterization and evaluation of plant growth promoting rhizobacterium, Bacillus aryabhattai GW320 isolated from the cucumber rhizospheric soi원문보기
사회적으로 안전한 먹거리에 대한 관심이 증대되었고, 화학비료 및 농약 사용에 따른 생태계 파괴, 잔류독성 및 약해 문제 등에 대한 관심도 함께 증가하였다. 화학비료와 농약의 무분별한 사용으로 인해 생물농축의 문제가 야기되면서 친환경 유기농산물에 대한 수요가 증대되었다. 친환경 농산물의 판매가격도 일반 농산물에 비해 평균 1.8배 높기 때문에 무농약이나 유기재배를 통해 농산물을 생산하고자 하는 농민들이 증가하고 있다. 또한 국내에서 생산되는 농산물의 안전성 확보와 수입 농산물의 국가별 다른 기준으로 적용하는 것이 농산물 안전성 관리에 문제를 야기하여 2019년 1월 1일부터 PLS (Positive List System) 제도를 전면 시행, 모든 농산물에 잔류허용기준이 설정되지 않은 경우 0.01 mg kg-1 기준을 일률 적용하는 ...
사회적으로 안전한 먹거리에 대한 관심이 증대되었고, 화학비료 및 농약 사용에 따른 생태계 파괴, 잔류독성 및 약해 문제 등에 대한 관심도 함께 증가하였다. 화학비료와 농약의 무분별한 사용으로 인해 생물농축의 문제가 야기되면서 친환경 유기농산물에 대한 수요가 증대되었다. 친환경 농산물의 판매가격도 일반 농산물에 비해 평균 1.8배 높기 때문에 무농약이나 유기재배를 통해 농산물을 생산하고자 하는 농민들이 증가하고 있다. 또한 국내에서 생산되는 농산물의 안전성 확보와 수입 농산물의 국가별 다른 기준으로 적용하는 것이 농산물 안전성 관리에 문제를 야기하여 2019년 1월 1일부터 PLS (Positive List System) 제도를 전면 시행, 모든 농산물에 잔류허용기준이 설정되지 않은 경우 0.01 mg kg-1 기준을 일률 적용하는 잔류농약 허용기준을 강화하고 있다. 그래서 화학 농약 및 비료 사용량을 줄이고 환경 친화적인 농업을 하기 위해서 미생물제제의 수요량이 매년 12.5% 증가되고 있다. 그러나 배양 가능한 미생물은 1%에 불가하다. 그 기능만으로도 무궁무진하지만, 아직 발견되지 않은 토착미생물의 잠재력은 기능만으로도 다양한 혜택을 누리고 있지만, 아직 발견되지 않은 토착미생물의 잠재력은 막대할 것으로 추정된다. 특히, 군위군은 대표적인 작물인 가시오이의 경북 최대 생산지역으로 지금도 군위군의 시설하우스 재배지 90%는 오이가 포함된 과채류 생산이 대부분을 차지한다. 하지만 오이의 경우 매일 수확해야 하는 작물로 농산물 잔류농약 검사 시 박과 채소류중 13%가 오이에서 검출되었다고 보고되고 있다. 선행연구에 따르면 식물에 유용미생물을 적용하면 환경 친화적으로 병해충 발생을 억제시켜주며, 작물 수확량을 증대시킨다고 보고하였다. 현재까지 오이의 생육 촉진을 위한 다양한 유용 활성을 가진 토착 PGPR의 효과에 대한 연구는 미흡하며, 흰가루병, 잿빛곰팡이병 및 노균병에 대한 생물방제 효과를 구명하는 연구가 대부분이다. 또한 지자체에서 그 지역 토착미생물을 개발한 연구도 전무하다. 본 연구를 통해 군위군 농경지로부터 다기능 토착미생물(PGPR)을 분리, 선발하고 이를 미생물제제로 개발하여 친환경 재배 및 생산성 증대를 위한 방안을 모색하였다. 생육촉진과 같은 긍정적인 효과의 기능성 유전자를 전장 유전체 서열분석을 통해 파악하였다. 마지막으로 NGS 기술과 생물 정보학 분석을 사용하여 미생물 처리에 의한 오이 근권 세균 군집의 특징을 분석하여 미생물 처리군과 대조군을 비교하여 미생물 군집 변화의 차이를 평가하였다. 연구의 최종 목표는 친환경 미생물 제제를 활용한 미생물 비료의 개발이며, 개발된 미생물비료의 시, 군 지자체보급 및 현장 자료로서 활용도를 증진시키기 위해 진행되었다. 먼저 군위군에서 재배되는 오이 근권 토양 내 존재하는 토양 미생물을 분리한 결과 총 1,000 균주의 근권 세균들을 분리하였고, Auxin 활성 검사를 통해 1차 후보 균주로 선별하였다. 1차 후보균들 중에서 urease, ammoniaoxidation, nitrogenfixation 등의 다양한 식물 생육 촉진 활성을 가진 Bacillus aryabhattai GW320 균주를 최종 선발하였다. 그리하여 식물생장 촉진활성에 관련된 다양한 능력을 검증하고, 유전적 특성을 조사하기위해 최종 분리된 GW320 균주의 완전한 게놈 서열을 조사하였다. 각각 하나의 염색체 DNA와 plasmid를 보유하고 있는 것으로 확인되었으며, 크기는 각각 6,063,752 bp, 152,341 bp로 확인되었다. 이 균주의 유전체에는 총 5,599개의 단백질 암호화 유전자가 있으며, 22개의 rRNA 유전자, 74개의 tRNA 유전자, 및 4개의 ncRNA 유전자를 포함하고 있었다. 또한 B. aryabhattai GW320 균주는 옥신 생합성(trpA, trpB, trpC trpD, 및 trpF) 요소 가용화(ureA, ureB, ureC, ureD, ureE, ureF 및 ureG), 글루타민합성 효소 유형 I 및 III (glnAI 및 glnAIII) 등 식물 성장 촉진 활성과 관련된 여러 유전자를 보유하고 있음이 밝혀졌다. 균주 GW320의 게놈은 수탁 번호 CP065421.1 및 CP065422.1 로 GenBank에 등록되었다. GW320 균주에 의한 오이 생육 촉진 효과를 구명하기 위해 대조구에 비해 초장 22 ~ 33%, 잎폭 7~9%, 근장 65%가 증대되었으며 이를 포함한 오이 생육이 대조군에 비해 증대된 것을 확인하였다. 토양의 이화학성분 변화는 대조구에 비해 pH, EC, 유기물, NO3-N 함량이 낮아졌으며, 그 외 성분은 높은 경향으로 나타나 토양의 이화학성이 개선된 것을 확인하였다. 식물체 무기성분의 경우는 GW320 균주 처리구에서 대조구에 비해 질소, 인산, 마그네슘, 칼륨, 칼슘 성분이 높은 경향을 보였다 (p<0.05). 최종적으로 오이 생육, 식물체 무기성분, 및 토양 분석 결과를 종합하였을 때, GW320 균주의 최적 미생물 처리 농도는 원액을 100배 희석하였을 때 결과가 가장 좋았으며 1.0 ⅹ 107 CFU mL-1인 것으로 확인되었다. B. aryabhattai GW320 균주에 의한 작물 생육 촉진, 식물체 무기성분 및 토양 이화학성 개선 효과는 과학적으로 검증되었으며, 농업 유용 미생물의 확보와 이를 정확한 활용방법에 대한 중요성을 시사하였다. 다음으로 차세대 염기서열 분석 및 생물정보학적 분석을 활용한 미생물 군집분석은 다양한 작물에서 활용되고 있으나 현재까지 국내 재배되고 있는 오이품종에 대한 토양 미생물 군집 전체를 활용한 연구 결과는 매우 부족하다. 본 연구를 통해 NGS를 사용하여 토착 미생물 GW320처리에 따른 오이 근권에 서식하는 미생물 군집 분석을 실험전 토양과 다양한 처리구와 비교하였다. 그 결과 GW320 희석처리가 토양 비옥도를 효과적으로 개선하고 집약적인 농업 시스템에서 높은 식물생장을 지원할 수 있는 유익한 토양 미생물 군집 변화를 확인하였다. 종의 다양성과 풍부도을 증가시키지는 않았지만, 방선균의 종류인 Gaiella, Nocardioides 와 Streptomyces와 같은 식물에서 유익한 미생물을 증가시킴으로써 오이 생육을 촉진했음을 확인하였다. 이는 GW320이 식물-토양 상호 작용에 중요한 역할을 할 수 있었음을 짐작할 수 있다. 본 연구에서 다뤄진 군위군 토착 미생물 Bacillus aryabhattai GW320 처리로 토양 이화학성 변화 및 미생물 군집구조를 개선함으로써 식물 성장을 촉진시키는 것을 확인하였다. B. aryabhattai GW320를 친환경 미생물제제로써 가능성을 확인하였으며, 또한 지자체에서 활용가능한 토착 미생물 선발방법 및 효과적인 미생물제제의 희석농도 및 사용방법 등 현장 자료로서 활용가치가 있는 것으로 사료된다.
사회적으로 안전한 먹거리에 대한 관심이 증대되었고, 화학비료 및 농약 사용에 따른 생태계 파괴, 잔류독성 및 약해 문제 등에 대한 관심도 함께 증가하였다. 화학비료와 농약의 무분별한 사용으로 인해 생물농축의 문제가 야기되면서 친환경 유기농산물에 대한 수요가 증대되었다. 친환경 농산물의 판매가격도 일반 농산물에 비해 평균 1.8배 높기 때문에 무농약이나 유기재배를 통해 농산물을 생산하고자 하는 농민들이 증가하고 있다. 또한 국내에서 생산되는 농산물의 안전성 확보와 수입 농산물의 국가별 다른 기준으로 적용하는 것이 농산물 안전성 관리에 문제를 야기하여 2019년 1월 1일부터 PLS (Positive List System) 제도를 전면 시행, 모든 농산물에 잔류허용기준이 설정되지 않은 경우 0.01 mg kg-1 기준을 일률 적용하는 잔류농약 허용기준을 강화하고 있다. 그래서 화학 농약 및 비료 사용량을 줄이고 환경 친화적인 농업을 하기 위해서 미생물제제의 수요량이 매년 12.5% 증가되고 있다. 그러나 배양 가능한 미생물은 1%에 불가하다. 그 기능만으로도 무궁무진하지만, 아직 발견되지 않은 토착미생물의 잠재력은 기능만으로도 다양한 혜택을 누리고 있지만, 아직 발견되지 않은 토착미생물의 잠재력은 막대할 것으로 추정된다. 특히, 군위군은 대표적인 작물인 가시오이의 경북 최대 생산지역으로 지금도 군위군의 시설하우스 재배지 90%는 오이가 포함된 과채류 생산이 대부분을 차지한다. 하지만 오이의 경우 매일 수확해야 하는 작물로 농산물 잔류농약 검사 시 박과 채소류중 13%가 오이에서 검출되었다고 보고되고 있다. 선행연구에 따르면 식물에 유용미생물을 적용하면 환경 친화적으로 병해충 발생을 억제시켜주며, 작물 수확량을 증대시킨다고 보고하였다. 현재까지 오이의 생육 촉진을 위한 다양한 유용 활성을 가진 토착 PGPR의 효과에 대한 연구는 미흡하며, 흰가루병, 잿빛곰팡이병 및 노균병에 대한 생물방제 효과를 구명하는 연구가 대부분이다. 또한 지자체에서 그 지역 토착미생물을 개발한 연구도 전무하다. 본 연구를 통해 군위군 농경지로부터 다기능 토착미생물(PGPR)을 분리, 선발하고 이를 미생물제제로 개발하여 친환경 재배 및 생산성 증대를 위한 방안을 모색하였다. 생육촉진과 같은 긍정적인 효과의 기능성 유전자를 전장 유전체 서열분석을 통해 파악하였다. 마지막으로 NGS 기술과 생물 정보학 분석을 사용하여 미생물 처리에 의한 오이 근권 세균 군집의 특징을 분석하여 미생물 처리군과 대조군을 비교하여 미생물 군집 변화의 차이를 평가하였다. 연구의 최종 목표는 친환경 미생물 제제를 활용한 미생물 비료의 개발이며, 개발된 미생물비료의 시, 군 지자체보급 및 현장 자료로서 활용도를 증진시키기 위해 진행되었다. 먼저 군위군에서 재배되는 오이 근권 토양 내 존재하는 토양 미생물을 분리한 결과 총 1,000 균주의 근권 세균들을 분리하였고, Auxin 활성 검사를 통해 1차 후보 균주로 선별하였다. 1차 후보균들 중에서 urease, ammonia oxidation, nitrogen fixation 등의 다양한 식물 생육 촉진 활성을 가진 Bacillus aryabhattai GW320 균주를 최종 선발하였다. 그리하여 식물생장 촉진활성에 관련된 다양한 능력을 검증하고, 유전적 특성을 조사하기위해 최종 분리된 GW320 균주의 완전한 게놈 서열을 조사하였다. 각각 하나의 염색체 DNA와 plasmid를 보유하고 있는 것으로 확인되었으며, 크기는 각각 6,063,752 bp, 152,341 bp로 확인되었다. 이 균주의 유전체에는 총 5,599개의 단백질 암호화 유전자가 있으며, 22개의 rRNA 유전자, 74개의 tRNA 유전자, 및 4개의 ncRNA 유전자를 포함하고 있었다. 또한 B. aryabhattai GW320 균주는 옥신 생합성(trpA, trpB, trpC trpD, 및 trpF) 요소 가용화(ureA, ureB, ureC, ureD, ureE, ureF 및 ureG), 글루타민 합성 효소 유형 I 및 III (glnAI 및 glnAIII) 등 식물 성장 촉진 활성과 관련된 여러 유전자를 보유하고 있음이 밝혀졌다. 균주 GW320의 게놈은 수탁 번호 CP065421.1 및 CP065422.1 로 GenBank에 등록되었다. GW320 균주에 의한 오이 생육 촉진 효과를 구명하기 위해 대조구에 비해 초장 22 ~ 33%, 잎폭 7~9%, 근장 65%가 증대되었으며 이를 포함한 오이 생육이 대조군에 비해 증대된 것을 확인하였다. 토양의 이화학성분 변화는 대조구에 비해 pH, EC, 유기물, NO3-N 함량이 낮아졌으며, 그 외 성분은 높은 경향으로 나타나 토양의 이화학성이 개선된 것을 확인하였다. 식물체 무기성분의 경우는 GW320 균주 처리구에서 대조구에 비해 질소, 인산, 마그네슘, 칼륨, 칼슘 성분이 높은 경향을 보였다 (p<0.05). 최종적으로 오이 생육, 식물체 무기성분, 및 토양 분석 결과를 종합하였을 때, GW320 균주의 최적 미생물 처리 농도는 원액을 100배 희석하였을 때 결과가 가장 좋았으며 1.0 ⅹ 107 CFU mL-1인 것으로 확인되었다. B. aryabhattai GW320 균주에 의한 작물 생육 촉진, 식물체 무기성분 및 토양 이화학성 개선 효과는 과학적으로 검증되었으며, 농업 유용 미생물의 확보와 이를 정확한 활용방법에 대한 중요성을 시사하였다. 다음으로 차세대 염기서열 분석 및 생물정보학적 분석을 활용한 미생물 군집분석은 다양한 작물에서 활용되고 있으나 현재까지 국내 재배되고 있는 오이품종에 대한 토양 미생물 군집 전체를 활용한 연구 결과는 매우 부족하다. 본 연구를 통해 NGS를 사용하여 토착 미생물 GW320처리에 따른 오이 근권에 서식하는 미생물 군집 분석을 실험전 토양과 다양한 처리구와 비교하였다. 그 결과 GW320 희석처리가 토양 비옥도를 효과적으로 개선하고 집약적인 농업 시스템에서 높은 식물생장을 지원할 수 있는 유익한 토양 미생물 군집 변화를 확인하였다. 종의 다양성과 풍부도을 증가시키지는 않았지만, 방선균의 종류인 Gaiella, Nocardioides 와 Streptomyces와 같은 식물에서 유익한 미생물을 증가시킴으로써 오이 생육을 촉진했음을 확인하였다. 이는 GW320이 식물-토양 상호 작용에 중요한 역할을 할 수 있었음을 짐작할 수 있다. 본 연구에서 다뤄진 군위군 토착 미생물 Bacillus aryabhattai GW320 처리로 토양 이화학성 변화 및 미생물 군집구조를 개선함으로써 식물 성장을 촉진시키는 것을 확인하였다. B. aryabhattai GW320를 친환경 미생물제제로써 가능성을 확인하였으며, 또한 지자체에서 활용가능한 토착 미생물 선발방법 및 효과적인 미생물제제의 희석농도 및 사용방법 등 현장 자료로서 활용가치가 있는 것으로 사료된다.
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