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생물방제균 Pseudomonas fluorescens 2112의 고추 근권정착능과 Quorum-sensing 기능
Root Colonization and Quorum Sensing of the Antagonistic Bacterium Pseudomonas fluorescens 2112 involved in the Red-pepper Rhizosphere 원문보기

한국미생물·생명공학회지 = Korean journal of microbiology and biotechnology, v.41 no.1, 2013년, pp.105 - 111  

정병권 (영남대학교 미생물생명공학과) ,  김요환 (영남대학교 미생물생명공학과) ,  김상달 (영남대학교 미생물생명공학과)

초록
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다기능 식물생장촉진근권세균(PGPR)인 P. fluorescens 2112 균주가 고추의 생물방제와 성장촉진에 긍정적인 영향을 주기 위해서는 생물막을 형성하여 근권에 정착하는 colonization이 필수조건이다. 따라서 근권정착능에 주요한 생물막 형성에 필요한 quorum sensing의 신호분자인 AHLs의 생산 유무를 조사한 결과, petri dish bioassay에서 AHLs를 생산하여 푸른색환을 형성하는 것을 확인할 수 있었으며 아울러 P. fluorescens 2112 균주의 생장곡선에서 대수증식기 중반에서 정체기 초반에 가장 많은 AHLs를 생산함을 확인하였다. 또한 탄소길이가 6개인 AHLs를 생산한다는 사실을 TLC bioassay를 통해 확인하였다. 그리고 고추의 뿌리 및 근권토양에서의 정착밀도를 Double layer filter paper와 Ahmad와 Baker 법으로 분석하여 확인하였다. 그 결과, 뿌리 상단과 말단에서 각각 $3{\times}10^5$ CFU/g root와 $8{\times}10^3$ CFU/g root로 확인되었으며, 근권토양에서 균주는 표면으로부터 가까운 1 cm 깊이에서는 $3.5{\times}10^6$ CFU/g soil의 높은 밀도로 존재하였으나, 먼 5 cm 깊이의 근권토양에서는 $1.1{\times}10$ CFU/g soil의 낮은 밀도로 존재하였다. 그리고 주사전자현미경을 통해 고추 뿌리의 표피 및 말단에서 처리한 균주가 생물막 형태의 군집을 형성하는 것을 확인하였다. 결과적으로 P. fluorescens 2112 균주가 AHLs를 생산하여 quorum sensing이 이루어졌으며, 이로 인해 고추의 뿌리에 생물막과 유사한 군집을 형성하여 고밀도로 colonization이 일어났을 것으로 생각된다. 따라서 P. fluorescens 2112 균주의 특징인 다양한 항진균 물질과 auxin을 생산함과 동시에 colonization을 통해 고추의 생육촉진이나 생물방제에 긍정적인 효과를 줄 수 있을 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Biofilm formation of multifunctional plant growth promoting rhizobacterium (PGPR), Pseudomonas fluorescens 2112 is necessary for P. fluorescens 2112 to have a positive impact on the rhizosphere of red-pepper. This study investigated whether signal molecules of the quorum sensing AHLs are produced in...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • ) [11] 및 식물생장촉진호르몬인 auxin [12] 등을 생산하는 다기능 PGPR균주 Pseudomonas fluorescens 2112을 대상균주로 quorumsensing과 colonization에 대한 연구를 수행하였다. 각종 항균기작과 식물성장촉진능이 발휘됨과 동시에 근권정착도 작물의 미생물제제시용의 성공여부에 무엇보다 중요하므로 근권정착능에 주요영향을 미치는 quorum sensing에 의해 생산되는 autoinducer인 AHLs의 생산을 확인하고, 근권정착능 검증시험 및 주사전자현미경을 사용하여 고추의 뿌리에서의 실제 생물막형성능을 알아보고자 하였다.
  • 본 연구는 이 등[9]에 의해 이미 선발된 항진균 항생물질인 2,4-diacetylphloroglucinol (2,4-DAPG)[8, 10]과 항진균물질인 siderophore (pyoverdin2112) [11] 및 식물생장촉진호르몬인 auxin [12] 등을 생산하는 다기능 PGPR균주 Pseudomonas fluorescens 2112을 대상균주로 quorumsensing과 colonization에 대한 연구를 수행하였다. 각종 항균기작과 식물성장촉진능이 발휘됨과 동시에 근권정착도 작물의 미생물제제시용의 성공여부에 무엇보다 중요하므로 근권정착능에 주요영향을 미치는 quorum sensing에 의해 생산되는 autoinducer인 AHLs의 생산을 확인하고, 근권정착능 검증시험 및 주사전자현미경을 사용하여 고추의 뿌리에서의 실제 생물막형성능을 알아보고자 하였다.
  • tumefaciens NT1 (pDCI41E33) 균주는 lacZ 유전자를 보유하고 있으며, 그람 음성세균에 의해 생산되는 AHLs에 의해 lacZ 유전자가 발현되어 β-galactosidase를 생산함으로써 AHLs의 생산유무를 판별하는 biosensor 균주로 사용되고 있다. 본 연구에서는 biosensor 균주를 사용하여 petri dish bioassay를 통해 PGPR인 P. fluorescens 2112 균주의 quorum sensing 신호분자인 AHLs의 시간대별 생산유무와 생산량을 확인하였다. 그 결과, 배양초기부터 5시간까지의 배양액을 접종한 paper disc에서 푸른색 환이 나타나는 것이 확인됨으로써 AHLs의 생산유무을 확인할 수 있었다(Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
근권세균이 생물막을 형성하는 과정은? 근권에는 뿌리와 공생하는 근권세균(Plant growth promoting rhizobacteria, PGPR)이나 균근균(Mycorrhizae)과 같은 다양한 토양미생물들이 서식하고 있으며 군집을 구성하고 있는데, 이들 중에서 식물생장촉진근권세균(PGPR)은 대기중의 질소고정, 식물생장홀몬의 생산, 효소활성을 통해 식물의 생장을 촉진시키며 항생물질, siderophore와 같은 항진균 물질을 생산하여 질병으로부터 식물을 보호하는 다양한 기능을 가진다[6]. 그리고 PGPR은 quorum-sensing의 autoinducer인 AHLs을 생산하여 자신의 밀도를 조절함과 동시에 식물과 상호작용을 가지는데, 작물의 뿌리근처의 공간을 차지하기 위한 근권착생능으로 인해 생물막을 형성한다[13]. 즉, PGPR은 식물의 근권에서 quorum sensing 기작을 이용하여 식물의 뿌리에 군집 (colonization)을 형성하여 상호작용함으로써 식물의 면역성이나 생장촉진에 직접적으로 관여할 가능성이 높다.
quorum-sensing란? 세균들은 quorum-sensing (QS)이라 불리는 세포-세포간의 의사소통체계를 사용하여 세포밀도를 조절하는 기능을 가진다. Pseudomonas spp.
Pseudomonas spp.는 무엇을 이용하여 quorum-sensing을 하는가? Pseudomonas spp. 등과 같은 그람음성세균의 경우 acyl-homoserine lactones (AHLs)라는 autoinducer (AI)의 생산 및 조절에 의해 quorum-sensing이 이루어지며 일반적으로 자연환경에서 생물막과 같이 단단한 표면을 형성하거나 식물뿌리에 colonization 되거나[7], 유전자 발현을 조절하여 항생물질생산, 운동성, 병독성, 생물발광 등에 필수적인 기작으로 알려져있다[5, 16, 23]. 최근에는 병원에 입원한 환자들에게 균혈증(bacteremia)을 일으키는 기회감염균인 Pseudomonas aeruginosa의 quorum sensing에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며[20], 유선염을 일으키는 Streptococcus agalactiae와 간에 종양을 발생시키는 Fusobacterium necrophorum, 상처에 감염되는 Staphylococcus aureus 등 다양한 병원성 세균들이 인체에 감염됨에 있어 생물막형성이 밀접하게 연관되어 있음이 보고되고 있다[3, 17].
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참고문헌 (23)

  1. Ahmand, J. S. and R. Baker. 1987. Rhizosphere competence of Trichoderma harizianum. Phytopathol. 77: 182-189. 

  2. Brelles-Marino, G. and E. J. Bedmar. 2001. Detection, purification and characterization of quorum-sensing signal molecules in plant-associated bacteria. J. Biotechnol. 91: 197-209. 

  3. Costerton, J. W., P. S. Stewart, and E. P. Greenberg. 1999. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science 284: 318-322. 

  4. Egamberdiyeva D. 2007. The effect of plant growth promoting bacteria on growth and nutrient uptake of maize in two different soils. Appl. Soil Ecol. 36: 184-189. 

  5. Fuqua, C., M. R. Parsek, and E. P. Greenberg. 2001. Regulation of gene expression by cell-to-cell communication: acyl-homoserine lactone quorum sensing. Annu. Rev. Genet. 35: 439-468. 

  6. Khan, A. G. 2005. Role of soil microbes in the rhizospheres of plants growing on trace metal contaminated soils in phytoremediation. J. Trace Elem. Med. Biol. 18: 355-364. 

  7. Kim, J. W., O. H. Choi, J. H. Kang, C. M. Ryu, M. J. Jeong, J. W. Kim, and C. S. Park. 1998. Tracing of some root colonizing Pseudomonas in the rhizosphere using lux gene introduced bacteria. Kor. J. Plant Pathol. 14: 13-18. 

  8. Kim, S. D., L. D. L. Fuente, D. M. Weller, and L. S. Thomashow. 2012. Colonizing ability of Pseudomonas fluorescens 2112, among collections of 2,4-Diacetylphloroglucinol-producing Pseudomonas fluorescens spp. in pea rhizosphere. J. Microbiol. Biotechnol. 22: 763-770. 

  9. Lee, E. T. and S. D. Kim. 2000. Selection and actifungal activity of antagonistic bacterium Pseudomonas sp. 2112 against red-pepper rotting Phytophthora capsici. Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol. 28: 334-340. 

  10. Lee, E. T. and S. D. Kim. 2001. An antifungal substance, 2,4- Diacetylphloroglucinol, produced from antagonistic bacterium Pseudomonas fluorescens 2112 against phytophthora capsici. Kor. J. Appl. Microbiol. Biotechnol. 29: 37-42. 

  11. Lee, E. T., S. K. Lim, D. H. Nam, Y. H. Khang, and S. D. Kim. 2003. Pyoverdin2112 of Pseudomonas fluorescens 2112 inhibits Phytophthora capsici, a red-pepper blight-causing fungus. J. Microbiol. Biotechnol. 13: 415-421. 

  12. Lim, J. H., H. Y. Jung, and S. D. Kim. 2009. Development of the microbial corsortium for the environmental friendly agriculture by the antagonistic rhizobacteria. J. Appl. Biol. Chem. 52: 116-120. 

  13. Newton, J. A. and R. G. Fray. 2004. Integration of environmental and host-derived signals with quorum sensing during plant-microbe interactions. Cell Microbiol. 6: 213-224. 

  14. Park, J. H., I. G. Hwang, J. W. Kim, S. O. Lee, B. Conway, E. P. Greenberg, and K. Lee. 2001. Characterization of quorumsensing signaling molecules produced by Burkholderia cepacia G4. J. Microbiol. Biotechnol. 11: 804-811. 

  15. Rad, U. V., I. Klein, P. I. Dobrev, J. Kottova, E. Zazimalova, A. Fekete, A. Hartmann, P. Schmitt-Kopplin, and J. Durner. 2008. Response of Arabidopsis thaliana to N-hexaonyl-DL-homoserine lactone, a bacterial quorum sensing molecule produced in the rhizosphere. Planta 229: 73-85. 

  16. Ramey, B. E., M. Koutsoudis, S. B. von Bodman, and C. Fuqua. 2004. Biofilm formation in plant-microbe associations. Curr. Opin. Mircobiol. 7: 602-609. 

  17. Rosser, B. T., P. A. Taylor, P. A. Cix, and R. Cluland. 1987. Methods for evaluating antibiotics on bacterial biofilms. Antimicrob. Agents Chemother. 31: 1502-1506. 

  18. Sahu, S. K., K. K. Patnaik, M. Sharmila, and N. Sethunathan. 1990. Degradation of alpha-, beta-, and gamma-hexachlorocyclohexane by soil bacterium under aerobic conditions. Appl. Environ. Microbiol. 56: 3620-3622. 

  19. Sharma, A., M. Sahgal, and B. N. Johri. 2003. Microbial communication in the rhizosphere: Operation of quorum sensing. Curr. Sci. 85: 1164-1172. 

  20. Smith, R. S. and B. H. Iglewski. 2003. P. aeruginosa quorumsensing systems and virulence. Curr. Opin. Microbiol. 6: 56-60. 

  21. Tsavkelova, E. A., T. A. Cherdyntseva, S. G. Botina, and A. I. Netrusov. 2007. Bacteria associated with orchid roots and microbial production of auxin. Microbiol. Res. 162: 69-76. 

  22. Whipps, J. M. 2001. Microbial interactions and biocontrol in the rhizosphere. J. Exp. Bot. 52: 487-511. 

  23. Yoon, S. S. 2006. Quorum sensing mechanism in bacterial communities and their potential applications. Kor. J. Food Sci. Ani. Resour. 26: 402-409. 

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