본 연구에서는 맥류 습해의 원인인 과습에 의한 근권의 산소부족이 맥류 뿌리의 생장 및 혐기 발효대사 효소(alcohol dehydrogenase, ADH; lactate dehydrogenase, LDH)에 미치는 영향을 조사하였다. 양액재배를 이용하여 1.5엽기 맥류 유묘에 용존산소 1.5-2 ppm 정도의 혐기처리를 1, 3, 5, 7일간 실시하였다. 혐기조건에서 뿌리의 생장은 모든 맥종에서 감소하였으며, 감소정도는 내습성이 낮은 보리가 내습성이 높은 밀과 호밀보다 낮았다. 정상조건에서 ADH 활성은 보리가 LDH 활성은 호밀이 가장 높았으나 두 효소 모두 맥종 간의 차이는 크지 않았다. 혐기처리에 의해 ADH와 LDH 활성은 모든 맥종에서 공통적으로 증가하였으며 증가 정도는 호밀과 밀에서 가장 높았고 보리에서 가장 낮았다. 혐기조건에서 이들 효소의 활성증가는 모든 맥종에서 유사하게 항시발현 동위효소의 증가 및 새로운 동위효소의 발현유도에 의해 나타났다. 혐기조건에서 ADH와 LDH 활성 증가 정도는 맥종의 재해저항성과 정의 상관관계가 인정되었다. 이러한 결과는 맥류의 내습성에 혐기 발효계 효소가 관여하고 있음을 의미하는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 맥류 습해의 원인인 과습에 의한 근권의 산소부족이 맥류 뿌리의 생장 및 혐기 발효대사 효소(alcohol dehydrogenase, ADH; lactate dehydrogenase, LDH)에 미치는 영향을 조사하였다. 양액재배를 이용하여 1.5엽기 맥류 유묘에 용존산소 1.5-2 ppm 정도의 혐기처리를 1, 3, 5, 7일간 실시하였다. 혐기조건에서 뿌리의 생장은 모든 맥종에서 감소하였으며, 감소정도는 내습성이 낮은 보리가 내습성이 높은 밀과 호밀보다 낮았다. 정상조건에서 ADH 활성은 보리가 LDH 활성은 호밀이 가장 높았으나 두 효소 모두 맥종 간의 차이는 크지 않았다. 혐기처리에 의해 ADH와 LDH 활성은 모든 맥종에서 공통적으로 증가하였으며 증가 정도는 호밀과 밀에서 가장 높았고 보리에서 가장 낮았다. 혐기조건에서 이들 효소의 활성증가는 모든 맥종에서 유사하게 항시발현 동위효소의 증가 및 새로운 동위효소의 발현유도에 의해 나타났다. 혐기조건에서 ADH와 LDH 활성 증가 정도는 맥종의 재해저항성과 정의 상관관계가 인정되었다. 이러한 결과는 맥류의 내습성에 혐기 발효계 효소가 관여하고 있음을 의미하는 것으로 판단된다.
Wet-injury often occurs in upland cereals growing in the paddy field due to oxygen deficiency in the rhizosphere caused by excessive water in the soil. Under hypoxia, energy metabolism is diminished causing nonreversible damage to root cells. This study was conducted to investigate effects of hypox...
Wet-injury often occurs in upland cereals growing in the paddy field due to oxygen deficiency in the rhizosphere caused by excessive water in the soil. Under hypoxia, energy metabolism is diminished causing nonreversible damage to root cells. This study was conducted to investigate effects of hypoxia on root growth and enzymes involved in the fermentative energy metabolism in upland cereals including barley, wheat, rye and triticale. Young seedlings were subject to hypoxia for up to 7 days. Root fresh weight and dry weight were decreased significantly by hypoxia for 5 to 7 days in all cereal seedlings. Root growth retardation under hypoxia was lowest in barley. Hypoxia-induced increases in activity and isozyme expression of alcohol dehydrogenase (ADH) and lactate dehydrogenase (LDH) were commonly observed in roots of all cereal seedlings. The inherent ADH activity levels were higher in barley but the hypoxia-induced increases in ADH activities were lowest in barley than other cereals. The inherent LDH activity levels were lower in barley and the hypoxia-induced increases in LDH activities were lower in barley than other cereals. The results suggest the importance of the rapid enhancement of fermentative enzyme systems for increased tolerance to hypoxia.
Wet-injury often occurs in upland cereals growing in the paddy field due to oxygen deficiency in the rhizosphere caused by excessive water in the soil. Under hypoxia, energy metabolism is diminished causing nonreversible damage to root cells. This study was conducted to investigate effects of hypoxia on root growth and enzymes involved in the fermentative energy metabolism in upland cereals including barley, wheat, rye and triticale. Young seedlings were subject to hypoxia for up to 7 days. Root fresh weight and dry weight were decreased significantly by hypoxia for 5 to 7 days in all cereal seedlings. Root growth retardation under hypoxia was lowest in barley. Hypoxia-induced increases in activity and isozyme expression of alcohol dehydrogenase (ADH) and lactate dehydrogenase (LDH) were commonly observed in roots of all cereal seedlings. The inherent ADH activity levels were higher in barley but the hypoxia-induced increases in ADH activities were lowest in barley than other cereals. The inherent LDH activity levels were lower in barley and the hypoxia-induced increases in LDH activities were lower in barley than other cereals. The results suggest the importance of the rapid enhancement of fermentative enzyme systems for increased tolerance to hypoxia.
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문제 정의
그러나 맥종 간 내습성 기작에 대한 비교연구 결과는 찾아 보기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 습해 저항성 정도가 다른 보리, 밀, 호밀, 트리티케일 등의 혐기조건에 대한 근생장 및 에너지 획득과정 효소의 반응특성을 분석하여 맥류의 습해 저항성 기작의 일부를 해명하고자 하였다.
제안 방법
배양액의 용존산소 농도는용존산소 즉정기 (dissolved oxygen meter, Model #52CE, Yellow Springs, USA)를 이용하여 매일 1회 측정하였다. 대 조처리는 공기를 통기시켜 용존산소 농도를 9-10 ppm으로 조 절하였다(Choi et al., 2004). 혐처리 일자별 공시 품종의 근생체중과 근건물중을 상법에 따라 조사하였다.
5- 2 ppm으로 조절하여 실시하였다. 배양액의 용존산소 농도는용존산소 즉정기 (dissolved oxygen meter, Model #52CE, Yellow Springs, USA)를 이용하여 매일 1회 측정하였다. 대 조처리는 공기를 통기시켜 용존산소 농도를 9-10 ppm으로 조 절하였다(Choi et al.
혐처리 일자별 공시 품종의 근생체중과 근건물중을 상법에 따라 조사하였다. 엽록소 함량은 엽록소 측정기 (SPAD, Minolta, USA)를 이용하여 측정하였다.
공시품종으로는 내한쌀보리 , 두원찹쌀보리 , 은파밀 , 탑동밀 , 올호밀, 팔당호밀, 수원 24호(트리티케일)를 사용하였다. 종자는 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite, Duksan, Korea)1 % 용액 에 20분 진탕하여 소독한 다음, 증류수로 수회 세척 하고, 발아 접시에 치상하여 20℃ 배양상에서 16시간 배양하여 발아시켰다. 발아된 종자를 양액재배 용 포트에 옮겨 심 고, 1.
5엽기 유묘에 대해 1, 3, 5, 7일간 혐기처리를 실시하였다. 혐기처리는 질소가스(N2)를 0.25 kg gcrrPL/min으로 통기 시켜 배양액의 용존산소 농도를 1.5- 2 ppm으로 조절하여 실시하였다. 배양액의 용존산소 농도는용존산소 즉정기 (dissolved oxygen meter, Model #52CE, Yellow Springs, USA)를 이용하여 매일 1회 측정하였다.
호기상태에서 재배한 1.5엽기 유묘에 대해 1, 3, 5, 7일간 혐기처리를 실시하였다. 혐기처리는 질소가스(N2)를 0.
ADH 동위 효소는 10% glycerol을 첨가한 polyacrylamide gel(8% T, 3% C>을 이용하여 4℃에서 150V로 11시간 동안 분리 하였다. 활성 염색은 30, C의 50 mM Tris-HCl(pH8.0), 0.02%(w/v) NAD, 0.4%(v/v) ethanol, 0.02% (w/v) nitro blue tetrazolium chloride(NBT), 0.004%(w/v) phenazine methosulfhte(PMS)이 포함된 용액에서 1시간 동안 실시하였다(Ricard et al, 1998). LDH 동위효소는 10% glycerol을 첨가한 비변성 polyacrylamide gel(8% T, 3% C)을 이용하여 4℃에서 150 V로 11시간 동안 분리하였다.
LDH 동위효소는 10% glycerol을 첨가한 비변성 polyacrylamide gel(8% T, 3% C)을 이용하여 4℃에서 150 V로 11시간 동안 분리하였다. 활성염색은 30, C의 50 mM Tris-HCl(pH8.0), 0.02%(w/v) NAD, 0.2%(w/v) lactic acid, lithium salt, 0.02%(w/v) NBT,0.004%(w/v) PMS이 포함된 용액에서 1시간 동안 실시하였다(Ricard et al., 1998).
대상 데이터
Alcohol dehydrogenase(E.C. 1.1.1.1; ADH) 와 lactate dehydrogenase (E.C. 1.1.1.27; LDH) 주출액은 50 mM Tris/ HCl(pH 8.0), 10 mM sodium borate, 5 mM dithiotreitol (DTT), 15% glycerol, 그리고 5 mg/mL bovine serum albumin(BSA)이 포함된 완충용액을 이용하여 준비하였다. 단백질 정 량용 추출액은 BSA를 제외하였다.
공시품종으로는 내한쌀보리 , 두원찹쌀보리 , 은파밀 , 탑동밀 , 올호밀, 팔당호밀, 수원 24호(트리티케일)를 사용하였다. 종자는 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite, Duksan, Korea)1 % 용액 에 20분 진탕하여 소독한 다음, 증류수로 수회 세척 하고, 발아 접시에 치상하여 20℃ 배양상에서 16시간 배양하여 발아시켰다.
5엽기 식물체로 생육시켜 실험에 사용하였다. 배양액은 전작물 용 木村氏 양액녀匕條良夫, 1985)을 개량하여 사용하였다.
이론/모형
, 2004). 혐처리 일자별 공시 품종의 근생체중과 근건물중을 상법에 따라 조사하였다. 엽록소 함량은 엽록소 측정기 (SPAD, Minolta, USA)를 이용하여 측정하였다.
시료균질액을 4 ℃에서 12000g로 20분간 원심분리하였고, 그 상징액을 제염컬럼 (Microcon YM-10, Amicon, USA)을 이용하여 제염하였다 (Bouny & Saglio, 1996). 효소추출액의 단백질 함량은 Bradford법 (Bradford, 1976)을 이용하여 측정하였다.
성능/효과
뿌리의 생체중은 혐기조건에서 감소하였으며 감소반응 양상과 정도는 맥종에 따라 다소 상이하였다. 7일간의 혐기처리에 의한 생체 중의 감소는 보리에서 15%로 가장 작았으며 트리티케일에서 40%로 가장 컸다. 밀과 호밀의 감소정도는 30% 정도로 비슷 하였다.
각 맥종내 품종별 활성 수준은 유사하였다. ADH 활성은 5일간의 혐기처리에 의해 모든 맥종에서 크게 증가하였는데, 보리, 밀, 호밀, 트리티케일이 대조대비 각각 2.6, 9.4, 19.1, 31.0배 증가하였다(Fig. 3)「따라서혐기처리 5일 후의 ADH활성은 밀, 호밀, 트리티케일이 보리 보다 각각 2.0, 2.5, 1.6배 높았다.
호기조건에서 LDH활성은 맥종 간에 다소의 차이를 보였으며 보리와 트리티케일은 비슷한 수준이었고 밀과 호밀은 보리 보다 각각 60%와 70% 높았다. LDH 활성은 5일간의 혐기처리에 의해 모든 맥종에서 증가하였으며, 대조대비 활성증가 정도는 보리, 밀, 호밀, 트리티케일이 각각 35%, 20%, 34%, 54%로 맥종간에 큰 차이를 보이지 않았다(Fig. 5). 따라서 혐기처리 조건에서의 맥종간 상대적 활성 수준은 호기조건에서 와 큰 차이를 보이지 않았다.
ADH에 의해 acetaldehyde가 ethanol로 환원되는 과정에서 NADH가 산화되어 NAD+가 재생성되고, ethanole 원형질막을 통과하여 확산 된다. 결과적으로 혐기조건에서의 LDH와 ADH의 활성 증가는 산화된 세포질의 pH를 안정화시키고 에너지 생산이 진행 될 수 있도록 한다. 한편, 혐기조건에서의 ethanol 생성은 PDC와 pyruvate dehydrogenase(PDH)의 작용에 의해 조절되는 pyruvate의 농도에 의해 조절될 수 있다(Tadege et al.
호기조건에서 발현되는 주요 동위효소의 활성이 증가하고 호기조건에서는 발현되지 않는 동위효소의 발현이 뚜렷이 유도되었다. 그 결과 혐기조건에서의 ADH 총 동위효소 수는 보리와 호밀이 6종, 밀과 트리티케일이 각각 7종과 9종이었다(Fig. 4).
AD니 활성은 호기조건에서는 보리가 다른 맥종 보다 높았다. 밀, 호밀, 트리티케일의 ADH활성은 보리의 ADH활성의 약 76, 46, 17% 수준이었다. 각 맥종내 품종별 활성 수준은 유사하였다.
본 실험에서 각 맥종의 혐기조건에서의 ADH 활성 증가 정도는 맥종 간에 현저한 차이를 보였으며 보리가 가장 낮았 다. 이러한 활성반응의 맥종 간의 차이는 동위효소의 발현 양 상과 밀접한 관계를 보였다.
맥류의 유묘기 습해는 산소결핍에 의한 뿌리의 생장 및 기능 저하에 의해 나타난다(하, 2000). 본 실험에서도 유묘기 혐 기조건에 의해 모든 맥종의 뿌리 생체중과 건물중이 감소하였다. 그러나 감소 정도는 내습성이 약한 보리가 내습성이 강한 밀과 호밀보다 낮았다.
본 연구에서는 모든 맥종에서 혐기조건에 의해 ADH와 LDH의 활성이 동시에 증가하였다. 그러나 그 증가 정도는 ADH가 LDH보다 현저히 높았다.
습해 발생에 따른 지상부 생리장애의 대표적 증상의 하나는 엽록소의 감소이다(하, 2004). 본 연구에서도 혐기조건에 의해 모든 맥종에서 엽록소 함량이 감소하였다. 그러나 엽록소 감소 정도는 맥종의 일반적 내습 성 정도와 밀접한 관계를 보이지 않았다.
본 연구의 흥미로운 결과는 혐기조건에서의 ADH 활성 증 가정도는 내습성이 높은 밀과 호밀이 내습성이 낮은 보리보다 매우 높다는 것이다. 그러나 밀의 품종간 비교에서 혐기조건 에서의 ADH와 LDH의 활성 정도와 밀 품종의 혐기조건에 대한 저항성 정도 간에는 일정한 관계가 인정되지 않았다(Akhtar et al.
모든 맥종의 뿌리 생육은 혐기조건에서 감소하였다. 뿌리의 생체중은 혐기조건에서 감소하였으며 감소반응 양상과 정도는 맥종에 따라 다소 상이하였다. 7일간의 혐기처리에 의한 생체 중의 감소는 보리에서 15%로 가장 작았으며 트리티케일에서 40%로 가장 컸다.
엽록소 함량은 혐기조건에서 모든 맥종에서 평균 10% 감소 하였다. 밀의 경우를 제외하고는 맥종내 품종간 차이는 크지 않았다(Fig.
뿌리의 건물중도 생체중과 유사하게 혐기조건에서 감소하였다. 혐기처리 7일 후 뿌리 건물중의 감소정도는 보리가 20%, 밀과 호밀이 약 22%, 트리티케일이 44%였다. 건물중의 경우도 생체중과 유사하게 각 맥종내 품종간의 감소정도의 변이는크지 않았다(Fig.
호기조건에서 LDH활성은 맥종 간에 다소의 차이를 보였으며 보리와 트리티케일은 비슷한 수준이었고 밀과 호밀은 보리 보다 각각 60%와 70% 높았다. LDH 활성은 5일간의 혐기처리에 의해 모든 맥종에서 증가하였으며, 대조대비 활성증가 정도는 보리, 밀, 호밀, 트리티케일이 각각 35%, 20%, 34%, 54%로 맥종간에 큰 차이를 보이지 않았다(Fig.
ADH 동위효소의 양상은 혐기처리에 의해 모든 맥종에서 현저히 변화하였다. 호기조건에서 발현되는 주요 동위효소의 활성이 증가하고 호기조건에서는 발현되지 않는 동위효소의 발현이 뚜렷이 유도되었다. 그 결과 혐기조건에서의 ADH 총 동위효소 수는 보리와 호밀이 6종, 밀과 트리티케일이 각각 7종과 9종이었다(Fig.
ADH 동위효소의 조성은 맥종 간에 매우 상이하였으나 맥 종 내 품종간에는 동일하였다. 호기조건에서 주요 동위효소 수는 보리, 밀, 호밀, 트리티케일이 각각 3종, 3종, 1종, 5종이었다. ADH 동위효소의 양상은 혐기처리에 의해 모든 맥종에서 현저히 변화하였다.
후속연구
혐기조건에서의 뿌리 생육 반응을 맥 종간에 비교 분석한 결과가 보고된 바 없어 본 연구 결과와의 비교 평가가 불가한 실정이다. 그러나 본 연구 결과는 혐기조건에서의 유묘기 뿌리 생육의 양적 저해 정도가 내습성과 밀 접하게 관련되어 있지 않을 가능성을 제시하고 있다. 즉, 혐기 조건에서의 맥류 유묘 뿌리의 기능 특성과 더불어 뿌리생장의 다소간의 가소성이 내습성 증진에 기여할 수 있을 가능성이 있는 것으로 생각된다.
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