식물은 움직일 수 없으므로, 다가오는 여러 위협을 피할 수 없다. 이러한 단점을 극복하기 위해 식물은 선천성 면역계(innate immune system)를 통해 주변 환경 변화에 민감하게 대응하며, 주변의 다양한 미생물들과 이로운 상호작용을 통해 자신의 성장과 방어를 도모한다. 균근(Mycorrhiza)은 식물과 공생관계를 맺는 지구상에서 가장 오래된 진균(fungi) 중 하나이다. 식물은 균근에게 탄소원을 제공하는 대신에, 식물의 생장에 필요한 다양한 원소들을 균근으로부터 제공받는다. 다양한 형태의 균근 중 수지상체 균근(AM; Arbuscular mycorrhiza)과 대비되어 언급되는 외생균근(ECM: Ectomycorrhiza)은 일반인들에게 버섯으로 가장 친숙한 형태의 균근이다. 대표적인 균근인 송이버섯, 능이버섯, 송로버섯은 그들이 가진 독특한 향으로 많은 미식가의 관심을 끌고 있다. 또한, 버섯이 가진 독특한 향의 화학적 성분을 규명하여 감미료로 사용하려는 여러 연구가 수행되고 있으며, 일부 시판되어 판매되고 있다. 하지만 식품학적 가치 외에, 버섯의 향이 생태학적으로 어떠한 역할을 하는지에 대한 연구는 미비한 실정이다. 특히 외생균근의 향이 그들의 기주 식물과 주변 식물에 미치는 영향에 관한 연구 역시 거의 수행되지 않았다. 본 연구는 외생균근의 향기, 즉 휘발성 유기성분(...
식물은 움직일 수 없으므로, 다가오는 여러 위협을 피할 수 없다. 이러한 단점을 극복하기 위해 식물은 선천성 면역계(innate immune system)를 통해 주변 환경 변화에 민감하게 대응하며, 주변의 다양한 미생물들과 이로운 상호작용을 통해 자신의 성장과 방어를 도모한다. 균근(Mycorrhiza)은 식물과 공생관계를 맺는 지구상에서 가장 오래된 진균(fungi) 중 하나이다. 식물은 균근에게 탄소원을 제공하는 대신에, 식물의 생장에 필요한 다양한 원소들을 균근으로부터 제공받는다. 다양한 형태의 균근 중 수지상체 균근(AM; Arbuscular mycorrhiza)과 대비되어 언급되는 외생균근(ECM: Ectomycorrhiza)은 일반인들에게 버섯으로 가장 친숙한 형태의 균근이다. 대표적인 균근인 송이버섯, 능이버섯, 송로버섯은 그들이 가진 독특한 향으로 많은 미식가의 관심을 끌고 있다. 또한, 버섯이 가진 독특한 향의 화학적 성분을 규명하여 감미료로 사용하려는 여러 연구가 수행되고 있으며, 일부 시판되어 판매되고 있다. 하지만 식품학적 가치 외에, 버섯의 향이 생태학적으로 어떠한 역할을 하는지에 대한 연구는 미비한 실정이다. 특히 외생균근의 향이 그들의 기주 식물과 주변 식물에 미치는 영향에 관한 연구 역시 거의 수행되지 않았다. 본 연구는 외생균근의 향기, 즉 휘발성 유기성분(volatile organic compound, VOC)이 식물의 방어에 미치는 영향에 관해 연구를 수행하였다. 본 연구를 수행하기 위해, 외생균근 중 독특한 향을 지닌 Leccinum(껄껄이그물속)속 균근을 산림청으로부터 계대배양 받았다. 균주의 정확한 동정은 ITS(internal transcribed spacer) 서열을 증폭하여 확인하였으며, 그 결과 균근은 Leccinum versipelle로 확인되었다. L. versipelle의 휘발성 물질이 식물의 방어에 미치는 효과를 담배-담배짓무름병 모델을 이용하여 식물의 전신유도저항성(ISR: Induced systemic resistance)을 확인한 결과, L. versipelle 유래 휘발성 물질이 담배의 병증을 의미 있게 줄이는 것을 발견하였다. 외생균근 유래 휘발성 물질에 의한 식물의 ISR 활성화는 지금까지 보고된 바 없었기 때문에, 외생균근 유래 ISR 유도인자(ISR elicitor)를 확보하기 위해 SPME/GC-MS로 휘발성 물질의 조성을 탐색하였다. 그 결과 총 4가지 물질이 확인되었으며, 그 중 linalool이 가장 주요한 성분으로 확인되었다. L. versipelle 유래 ISR 유도인자를 확인하기 위해, 4가지 물질의 표준품을 구매하여 이전과 동일한 방법으로 식물 ISR실험을 진행하였다. 그 결과 linalool을 처리한 처리구의 병 발생이 현저히 감소하는 것을 확인하였다. Linalool은 2가지의 이성질체가 있기 때문에, 어떠한 이성질체가 식물의 ISR에 관여하는지 확인하였다. 안타깝게도, (S)-linalool을 합성하는 회사를 찾을 수 없어, 72%의 (S)-linalool이 함유된 coriander oil로 대체하여 실험을 진행하였다. 그 결과, coriander oil과 (RS)-linalool을 처리한 담배의 병증이 현저히 감소하는 것을 확인하여, (S)-linalool을 L. versipelle의 휘발성 ISR-유도인자로 밝혔다. L. versipelle와 (S)-linalool이 어떠한 경로를 통하여 식물의 ISR을 유도하는지 qRT-PCR을 통하여 확인하였다. 그 결과 L. versipelle와 (S)-linalool 모두 jasmonate 경로의 마커 유전자(marker gene)인 LOX와 WIPK 유전자의 발현을 증가하는 것으로 확인되어, jasmonate 경로를 통하여 식물의 ISR에 관여하는 것으로 밝혀졌다. 동시에 L. versipelle와 (S)-linalool이 해충에 대해서도 식물의 ISR을 매개하는지 확인하기 위해, 2 종류의 진딧물 (복숭아혹진딧물, 검은맥알락진딧물)과 담배거세미나방을 대상으로 담배와 자작나무에서 각각 진딧물과 해충에 대한 식물ISR 실험을 실시하였다. 그 결과, L. versipelle, (RS)-linalool, coriander oil을 처리한 처리구에서 진딧물의 증식률이 현저히 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 qRT-PCR결과 salicylate과 jasmonate 경로 모두에서 의미있는 유전자의 변화는 발견되지 않았다. 이는 (S)-linalool에 의한 진딧물 증식률 감소가 기존의 경로와 다른 경로를 통하여 진딧물 증식률을 감소시키는 것으로 추정되어 추가적인 연구가 필요하다. 담배거세미나방을 이용한 담배 ISR 실험 결과, (S)-linalool을 처리한 식물에서 담배거세미나방의 무게가 현저히 감소하는 것으로 확인되었으며, qRT-PCR 결과 jasmonate 경로를 통하여 담배거세미나방의 생장을 저해하는 것으로 확인되었다. 본 실험을 통해 L. versipelle의 휘발성 물질이 그들의 기주 식물인 자작나무와 비외생균근(non-ectomyccorhizal) 식물인 담배에 동일하게 ISR을 유도할 수 있음이 확인되었다. L. versipelle가 그들의 기주 식물 외에 다른 식물의 ISR 유도에도 관여하는 이유에 대해서는 단정할 수 없지만, 기주 식물과 공생하며 주변 비외생균근 식물들의 ISR을 유도하여 병원균 및 해충 유입의 공간적 장벽을 만드는 것으로 추정된다. 하지만 이러한 가설을 증명하기 위해서는 다양한 연구가 추가로 수행되어야 할 것이다. 최근 모체의 장내 미생물이 자손에 미치는 영향에 관한 다양한 연구들이 의학계에서 수행되고 있다. 식물학계에서도 최근 종자 유래 미생물에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. 본 연구는 종자 유래 미생물이 식물의 생장촉진과 방어 증진에 미치는 영향을 조사하였다. 2018년 담배 종자로부터 9종의 Priestia 속 세균을 분리하였다. 16S rRNA 서열 분석을 통하여 세균을 동정한 결과, 모두 Priestia aryabhattai로 확인되었다. 분리균이 가진 식물생장촉진관련 특성을 조사한 결과, 모두 난용성 인산을 가용화할 수 있었으며 식물 호르몬인 IAA를 합성할 수 있었다. 종자 유래 미생물에 의한 식물생장촉진 효과를 확인하기 위해 고추를 이용하여 실험하였다. 그 결과 모든 미생물이 식물의 생장촉진을 일으키는 것으로 확인되었으며, 그중 KNUC0118은 높은 식물생장촉진활성을 보였다. 종자 유래미생물에 의한 식물ISR 유도 효과는 담배와 고추를 사용하여 그 효과를 검증해보았다. 그 결과 담배를 이용한 배지 환경 내에서 수행한 실험에서는, 모든 종자 유래 분리균이 식물의 병증을 감소시키는 것으로 확인되었다. 분리균이 토양환경에서도 식물의 생장을 유도하는지 확인하기 위해 고추-세균성점무늬병균 모델을 대상으로 ISR 실험을 진행하였다. 그 결과 총 6개의 균주가 의미있게 식물의 병증을 감소시키는 것으로 확인되었으며, 그중 KNUC0118과 KNUC0119는 매우 높은 수준으로 식물의 병증을 감소시켰다. 가장 높은 ISR 효과를 보이는 KNUC0118을 대상으로 식물의 방어유전자의 발현량을 qRT-PCR로 측정하였다. 그 결과 CaPR4, CaPR10, CAChi2 유전자의 발현을 증진하는 것으로 확인되어, KNUC1018은 식물의 jasmonate 및 ethylene 경로를 통하여 식물의 ISR을 유도하는 것으로 밝혀졌다. 본 연구를 통해 발굴한 KNUC0118은 높은 식물생장 및 ISR 유도 효과로 친환경 농업자재로서 잠재적 활용도가 매우 높은 미생물이다. 특히 포자를 형성하는 Priestia 속 세균으로 높은 산업적 가치가 있을 것으로 여겨진다. 2017년 독도 서도의 갯제비쑥 근권의 미생물상을 조사하던 중, 16S 서열의 상동성이 비교적 낮은(97.6%) Serratia 속 세균을 분리하였다. 본 세균이 식물의 방어에 미치는 영향을 담배-담배짓무름병을 이용하여 확인한 결과, 담배의 병징을 의미있게 감소시키는 것으로 확인되었다. Serratia 속 세균에 의한 식물의 ISR 유도 메커니즘을 qRT-PCR을 통하여 확인한 결과, Serratia 속 세균은 식물의 salicylate 및 ethylene 경로를 통하여 식물의 ISR유도에 관여하는 것으로 확인되었다. 또한, 세균의 16S rRNA 서열 상동성이 98% 이하로 신종미생물로서의 가능성이 높았기 때문에, 분리균을 이용하여 계통학적 연구를 수행하였다. 전장유전체, 16S rRNA, MLSA(multilocus sequence analysis)를 이용한 phylogenetic tree 분석 결과, 분리균은 Serratia 속 미생물로 확인되었으며 S. rubidaea KCTC2927T와 유전적으로 가까운 것으로 확인되어 reference 균주로 사용하여 실험을 진행하였다. 전장유전체를 사용한 ANIb/ANIm/TETRA/dDDH 실험 결과, 모두 신종을 구분하는 기준인 (95.0%/95.0%/0.999/70.0%) 보다 낮아 Serratia 속 신종미생물로 확인되었다. 그 외 생화학적, 형태학적 실험 결과 최종적으로 Serratia 속 신종미생물에 부합하는 것으로 확인하였으며, Serratia rhizosphaerae로 명명하였다. 본 연구를 통해 총 3가지 식물 ISR 유발 미생물을 확보하였으며, 그들의 ISR 유발 메커니즘을 조사하였다. 또한, 외생균근으로부터 최초의 ISR 휘발성 물질을 확보하였다. 식물의 성장-방어-균형 가설에 따르면, 식물은 제한된 에너지를 성장과 방어에 나누어 사용한다고 알려져있다. 하지만 본 연구에서 발굴한 식물생장촉진세균 및 linalool은 식물을 도와 성장-방어-균형 가설의 한계를 극복가능하게 한다. 이러한 미생물을 통하여 식물은 성장과 방어를 동시에 도모할 수 있다. 본 연구를 통하여 얻은 결과는 식물-미생물간 상호작용을 좀 더 깊이 있게 이해하는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 여겨지며, 특히 KNUC0118균주 및 linalool은 추가 연구를 통해 친환경 생물농약으로 사용이 가능할 것으로 여겨진다.
식물은 움직일 수 없으므로, 다가오는 여러 위협을 피할 수 없다. 이러한 단점을 극복하기 위해 식물은 선천성 면역계(innate immune system)를 통해 주변 환경 변화에 민감하게 대응하며, 주변의 다양한 미생물들과 이로운 상호작용을 통해 자신의 성장과 방어를 도모한다. 균근(Mycorrhiza)은 식물과 공생관계를 맺는 지구상에서 가장 오래된 진균(fungi) 중 하나이다. 식물은 균근에게 탄소원을 제공하는 대신에, 식물의 생장에 필요한 다양한 원소들을 균근으로부터 제공받는다. 다양한 형태의 균근 중 수지상체 균근(AM; Arbuscular mycorrhiza)과 대비되어 언급되는 외생균근(ECM: Ectomycorrhiza)은 일반인들에게 버섯으로 가장 친숙한 형태의 균근이다. 대표적인 균근인 송이버섯, 능이버섯, 송로버섯은 그들이 가진 독특한 향으로 많은 미식가의 관심을 끌고 있다. 또한, 버섯이 가진 독특한 향의 화학적 성분을 규명하여 감미료로 사용하려는 여러 연구가 수행되고 있으며, 일부 시판되어 판매되고 있다. 하지만 식품학적 가치 외에, 버섯의 향이 생태학적으로 어떠한 역할을 하는지에 대한 연구는 미비한 실정이다. 특히 외생균근의 향이 그들의 기주 식물과 주변 식물에 미치는 영향에 관한 연구 역시 거의 수행되지 않았다. 본 연구는 외생균근의 향기, 즉 휘발성 유기성분(volatile organic compound, VOC)이 식물의 방어에 미치는 영향에 관해 연구를 수행하였다. 본 연구를 수행하기 위해, 외생균근 중 독특한 향을 지닌 Leccinum(껄껄이그물속)속 균근을 산림청으로부터 계대배양 받았다. 균주의 정확한 동정은 ITS(internal transcribed spacer) 서열을 증폭하여 확인하였으며, 그 결과 균근은 Leccinum versipelle로 확인되었다. L. versipelle의 휘발성 물질이 식물의 방어에 미치는 효과를 담배-담배짓무름병 모델을 이용하여 식물의 전신유도저항성(ISR: Induced systemic resistance)을 확인한 결과, L. versipelle 유래 휘발성 물질이 담배의 병증을 의미 있게 줄이는 것을 발견하였다. 외생균근 유래 휘발성 물질에 의한 식물의 ISR 활성화는 지금까지 보고된 바 없었기 때문에, 외생균근 유래 ISR 유도인자(ISR elicitor)를 확보하기 위해 SPME/GC-MS로 휘발성 물질의 조성을 탐색하였다. 그 결과 총 4가지 물질이 확인되었으며, 그 중 linalool이 가장 주요한 성분으로 확인되었다. L. versipelle 유래 ISR 유도인자를 확인하기 위해, 4가지 물질의 표준품을 구매하여 이전과 동일한 방법으로 식물 ISR실험을 진행하였다. 그 결과 linalool을 처리한 처리구의 병 발생이 현저히 감소하는 것을 확인하였다. Linalool은 2가지의 이성질체가 있기 때문에, 어떠한 이성질체가 식물의 ISR에 관여하는지 확인하였다. 안타깝게도, (S)-linalool을 합성하는 회사를 찾을 수 없어, 72%의 (S)-linalool이 함유된 coriander oil로 대체하여 실험을 진행하였다. 그 결과, coriander oil과 (RS)-linalool을 처리한 담배의 병증이 현저히 감소하는 것을 확인하여, (S)-linalool을 L. versipelle의 휘발성 ISR-유도인자로 밝혔다. L. versipelle와 (S)-linalool이 어떠한 경로를 통하여 식물의 ISR을 유도하는지 qRT-PCR을 통하여 확인하였다. 그 결과 L. versipelle와 (S)-linalool 모두 jasmonate 경로의 마커 유전자(marker gene)인 LOX와 WIPK 유전자의 발현을 증가하는 것으로 확인되어, jasmonate 경로를 통하여 식물의 ISR에 관여하는 것으로 밝혀졌다. 동시에 L. versipelle와 (S)-linalool이 해충에 대해서도 식물의 ISR을 매개하는지 확인하기 위해, 2 종류의 진딧물 (복숭아혹진딧물, 검은맥알락진딧물)과 담배거세미나방을 대상으로 담배와 자작나무에서 각각 진딧물과 해충에 대한 식물ISR 실험을 실시하였다. 그 결과, L. versipelle, (RS)-linalool, coriander oil을 처리한 처리구에서 진딧물의 증식률이 현저히 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 qRT-PCR결과 salicylate과 jasmonate 경로 모두에서 의미있는 유전자의 변화는 발견되지 않았다. 이는 (S)-linalool에 의한 진딧물 증식률 감소가 기존의 경로와 다른 경로를 통하여 진딧물 증식률을 감소시키는 것으로 추정되어 추가적인 연구가 필요하다. 담배거세미나방을 이용한 담배 ISR 실험 결과, (S)-linalool을 처리한 식물에서 담배거세미나방의 무게가 현저히 감소하는 것으로 확인되었으며, qRT-PCR 결과 jasmonate 경로를 통하여 담배거세미나방의 생장을 저해하는 것으로 확인되었다. 본 실험을 통해 L. versipelle의 휘발성 물질이 그들의 기주 식물인 자작나무와 비외생균근(non-ectomyccorhizal) 식물인 담배에 동일하게 ISR을 유도할 수 있음이 확인되었다. L. versipelle가 그들의 기주 식물 외에 다른 식물의 ISR 유도에도 관여하는 이유에 대해서는 단정할 수 없지만, 기주 식물과 공생하며 주변 비외생균근 식물들의 ISR을 유도하여 병원균 및 해충 유입의 공간적 장벽을 만드는 것으로 추정된다. 하지만 이러한 가설을 증명하기 위해서는 다양한 연구가 추가로 수행되어야 할 것이다. 최근 모체의 장내 미생물이 자손에 미치는 영향에 관한 다양한 연구들이 의학계에서 수행되고 있다. 식물학계에서도 최근 종자 유래 미생물에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. 본 연구는 종자 유래 미생물이 식물의 생장촉진과 방어 증진에 미치는 영향을 조사하였다. 2018년 담배 종자로부터 9종의 Priestia 속 세균을 분리하였다. 16S rRNA 서열 분석을 통하여 세균을 동정한 결과, 모두 Priestia aryabhattai로 확인되었다. 분리균이 가진 식물생장촉진관련 특성을 조사한 결과, 모두 난용성 인산을 가용화할 수 있었으며 식물 호르몬인 IAA를 합성할 수 있었다. 종자 유래 미생물에 의한 식물생장촉진 효과를 확인하기 위해 고추를 이용하여 실험하였다. 그 결과 모든 미생물이 식물의 생장촉진을 일으키는 것으로 확인되었으며, 그중 KNUC0118은 높은 식물생장촉진활성을 보였다. 종자 유래미생물에 의한 식물ISR 유도 효과는 담배와 고추를 사용하여 그 효과를 검증해보았다. 그 결과 담배를 이용한 배지 환경 내에서 수행한 실험에서는, 모든 종자 유래 분리균이 식물의 병증을 감소시키는 것으로 확인되었다. 분리균이 토양환경에서도 식물의 생장을 유도하는지 확인하기 위해 고추-세균성점무늬병균 모델을 대상으로 ISR 실험을 진행하였다. 그 결과 총 6개의 균주가 의미있게 식물의 병증을 감소시키는 것으로 확인되었으며, 그중 KNUC0118과 KNUC0119는 매우 높은 수준으로 식물의 병증을 감소시켰다. 가장 높은 ISR 효과를 보이는 KNUC0118을 대상으로 식물의 방어유전자의 발현량을 qRT-PCR로 측정하였다. 그 결과 CaPR4, CaPR10, CAChi2 유전자의 발현을 증진하는 것으로 확인되어, KNUC1018은 식물의 jasmonate 및 ethylene 경로를 통하여 식물의 ISR을 유도하는 것으로 밝혀졌다. 본 연구를 통해 발굴한 KNUC0118은 높은 식물생장 및 ISR 유도 효과로 친환경 농업자재로서 잠재적 활용도가 매우 높은 미생물이다. 특히 포자를 형성하는 Priestia 속 세균으로 높은 산업적 가치가 있을 것으로 여겨진다. 2017년 독도 서도의 갯제비쑥 근권의 미생물상을 조사하던 중, 16S 서열의 상동성이 비교적 낮은(97.6%) Serratia 속 세균을 분리하였다. 본 세균이 식물의 방어에 미치는 영향을 담배-담배짓무름병을 이용하여 확인한 결과, 담배의 병징을 의미있게 감소시키는 것으로 확인되었다. Serratia 속 세균에 의한 식물의 ISR 유도 메커니즘을 qRT-PCR을 통하여 확인한 결과, Serratia 속 세균은 식물의 salicylate 및 ethylene 경로를 통하여 식물의 ISR유도에 관여하는 것으로 확인되었다. 또한, 세균의 16S rRNA 서열 상동성이 98% 이하로 신종미생물로서의 가능성이 높았기 때문에, 분리균을 이용하여 계통학적 연구를 수행하였다. 전장유전체, 16S rRNA, MLSA(multilocus sequence analysis)를 이용한 phylogenetic tree 분석 결과, 분리균은 Serratia 속 미생물로 확인되었으며 S. rubidaea KCTC2927T와 유전적으로 가까운 것으로 확인되어 reference 균주로 사용하여 실험을 진행하였다. 전장유전체를 사용한 ANIb/ANIm/TETRA/dDDH 실험 결과, 모두 신종을 구분하는 기준인 (95.0%/95.0%/0.999/70.0%) 보다 낮아 Serratia 속 신종미생물로 확인되었다. 그 외 생화학적, 형태학적 실험 결과 최종적으로 Serratia 속 신종미생물에 부합하는 것으로 확인하였으며, Serratia rhizosphaerae로 명명하였다. 본 연구를 통해 총 3가지 식물 ISR 유발 미생물을 확보하였으며, 그들의 ISR 유발 메커니즘을 조사하였다. 또한, 외생균근으로부터 최초의 ISR 휘발성 물질을 확보하였다. 식물의 성장-방어-균형 가설에 따르면, 식물은 제한된 에너지를 성장과 방어에 나누어 사용한다고 알려져있다. 하지만 본 연구에서 발굴한 식물생장촉진세균 및 linalool은 식물을 도와 성장-방어-균형 가설의 한계를 극복가능하게 한다. 이러한 미생물을 통하여 식물은 성장과 방어를 동시에 도모할 수 있다. 본 연구를 통하여 얻은 결과는 식물-미생물간 상호작용을 좀 더 깊이 있게 이해하는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 여겨지며, 특히 KNUC0118균주 및 linalool은 추가 연구를 통해 친환경 생물농약으로 사용이 가능할 것으로 여겨진다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.