방선균 G-0299의 살초특성을 확인하여 천연 제초제 후보소재로서의 가능성을 검토하고자 수행하였다. 선발된 방선균 G-0299는 바랭이에서만 살초력이 발휘되었을 뿐만 아니라 경엽처리 효과, 엽록소 함량 등의 생리 생화학적인 반응에서 광조건에서만 발현되는 독특한 살초특성을 보였다. 방선균 G-0299 배양 여액 농축 시료를 처리했을 때 속효성이며, 고사 또는 백화현상이 발현되는 등의 특징으로부터 광합성 저해 또는 protox 저해 제초제와 비슷한 작용기전을 갖고 있을 가능성을 유추해 볼 수 있겠으나 오직 바랭이에서만 살초력이 발휘되는 특이한 현상을 고려하면 상관성을 설명하기는 곤란하였다. 따라서 천연 제초활성 후보소재 방선균 G-0299의 보다 상세한 살초기 전에 관해서는 추가 연구를 통해 구명되어야 할 것이다.
방선균 G-0299의 살초특성을 확인하여 천연 제초제 후보소재로서의 가능성을 검토하고자 수행하였다. 선발된 방선균 G-0299는 바랭이에서만 살초력이 발휘되었을 뿐만 아니라 경엽처리 효과, 엽록소 함량 등의 생리 생화학적인 반응에서 광조건에서만 발현되는 독특한 살초특성을 보였다. 방선균 G-0299 배양 여액 농축 시료를 처리했을 때 속효성이며, 고사 또는 백화현상이 발현되는 등의 특징으로부터 광합성 저해 또는 protox 저해 제초제와 비슷한 작용기전을 갖고 있을 가능성을 유추해 볼 수 있겠으나 오직 바랭이에서만 살초력이 발휘되는 특이한 현상을 고려하면 상관성을 설명하기는 곤란하였다. 따라서 천연 제초활성 후보소재 방선균 G-0299의 보다 상세한 살초기 전에 관해서는 추가 연구를 통해 구명되어야 할 것이다.
An actinomycetes isolate G-0299 obtained from a forest soil showed strong phytotoxic activity to Digitaria ciliaris. For the foliar application study, the culture filtrate of the isolate G-0299 showed strong herbicidal activity only to D. ciliaris among the 12 monocot and 5 dicot weed species. And h...
An actinomycetes isolate G-0299 obtained from a forest soil showed strong phytotoxic activity to Digitaria ciliaris. For the foliar application study, the culture filtrate of the isolate G-0299 showed strong herbicidal activity only to D. ciliaris among the 12 monocot and 5 dicot weed species. And herbicidal activity at a concentration of 500, 250, 125 and $62.5{\mu}gmL^{-1}$ of culture filtrate was 100%, 98%, 70% and 40%, respectively. Phytotoxic symptoms of the culture filtrate by foliar application were desiccation and burn-down or bleaching of leaves and finally plant death. And then the herbicidal activity was exhibited only under the light condition. Also, chlorophyll loss of D. ciliaris leaf tissues in the light condition was much higher than in the dark condition and then chlorophyll content decreased 82%, 5%, respectively. In conclusion, our results suggest that soil bacteria, isolate G-0299 could be a good candidate for new bio-herbicide and provide a new lead molecule for a more unique herbicide.
An actinomycetes isolate G-0299 obtained from a forest soil showed strong phytotoxic activity to Digitaria ciliaris. For the foliar application study, the culture filtrate of the isolate G-0299 showed strong herbicidal activity only to D. ciliaris among the 12 monocot and 5 dicot weed species. And herbicidal activity at a concentration of 500, 250, 125 and $62.5{\mu}gmL^{-1}$ of culture filtrate was 100%, 98%, 70% and 40%, respectively. Phytotoxic symptoms of the culture filtrate by foliar application were desiccation and burn-down or bleaching of leaves and finally plant death. And then the herbicidal activity was exhibited only under the light condition. Also, chlorophyll loss of D. ciliaris leaf tissues in the light condition was much higher than in the dark condition and then chlorophyll content decreased 82%, 5%, respectively. In conclusion, our results suggest that soil bacteria, isolate G-0299 could be a good candidate for new bio-herbicide and provide a new lead molecule for a more unique herbicide.
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문제 정의
방선균 G-0299의 살초특성을 확인하여 천연 제초제 후보소재로서의 가능성을 검토하고자 수행하였다. 선발된 방선균 G-0299는 바랭이에서만 살초력이 발휘되었을 뿐만 아니라 경엽처리 효과, 엽록소 함량 등의 생리 · 생화학적인 반응에서 광조건에서만 발현되는 독특한 살초특성을 보였다.
본 연구는 구축된 라이브러리로부터 G-0299 균주 배양액을 확보하여 선행연구를 통해 화본과잡초 중에서 유일하게 바랭이에 대해서만 제초활성이 발현되는 현상을 발견한 바, 생리 · 생화학적인 반응을 통해 방선균 G-0299의 살초특성을 확인함으로써 새로운 작용 메커니즘을 갖는 신규 제초제 후보소재 발굴을 위한 자료로 활용하고자 수행하였다.
선행연구로부터 바랭이에 대한 방선균 G-0299의 살초력은 광조건하에서만 발휘되는 것을 확인한 바 있는데, 광 유 · 무에 따른 배양 여액 농축 시료의 약효반응 여부를 확인해 보았다.
제안 방법
경엽처리 살초력 평가는 바랭이를 포함한 화본과잡초 5종 및 까마중을 포함한 광엽잡초 5종 등 10종의 잡초를 대상으로 저온건조 상태로 보관 중인 종자를 파종하여 온실조건에서 10일 동안 생육시킨 식물체를 사용하였다. 배양 여액 농축 시료를 소량의 아세톤으로 용해시킨 후 약제 조제액(50% 아세톤, Tween-20 0.
3 µg mL-1 농도까지 7단계 처리하였다. 배양 여액 농축 시료는 약제 조제액(50% 아세톤, Tween-20 0.1% 포함)으로 최종 처리농도가 되도록 희석 조제하여 경엽처리하였고, 동일한 온실조건에서 관리하다가 처리 5일 및 10일 후에 달관조사(0; 효과 없음, 100; 완전고사)하였다.
배양 여액 농축 시료를 소량의 아세톤으로 용해시킨 후 약제 조제액(50% 아세톤, Tween-20 0.1% 포함)으로 최종 처리농도가 2,000 µg mL-1이 되도록 희석조제하여 경엽처리하였고, 동일한 온실조건에서 관리하다가 처리 10일 후에 외형적인 증상을 기준으로 달관조사(0; 효과 없음, 100; 완전고사)하였다.
온실조건(30/25±5°C, light/dark=14/10 h)에서 10일 동안 생육시킨 바랭이를 대상으로 2,000 µg mL-1 농도부터 1/2로 희석하여 31.3 µg mL-1 농도까지 7단계 처리하였다.
온실조건에서 생육시킨 바랭이 제 2엽을 절취하여 3 mm2 내외의 엽 절편을 만들어 1%의 sucrose를 포함하는 1mM MES buffer (pH 6.8) 7 mL가 담긴 Petri-dish에 0.2 g씩 치상 한 후 최종 처리농도를 2,000 µg mL-1가 되도록 배양 여액 농축 시료를 처리하였다.
1%) 포트 당 14 mL 양으로 처리 후 동일한 온실조건에서 관리하였다. 처리 7일 후에 살초력을 육안으로 달관조사하였다.
파종 21일 후에 배양 여액 농축 시료 최종처리 농도를 2,000, 1,000, 500 및 250 µg mL-1로 희석조제하여(Tween-20, 0.1%) 포트 당 14 mL 양으로 처리 후 동일한 온실조건에서 관리하였다.
표면적 350 cm2 포트에 원예용상토를 충진하여 새포아풀, 카나리그래스, 강아지풀, 금강아지풀, 호밀풀, 왕바랭이, 존슨그래스 및 바랭이 등 8종의 화본과잡초를 파종하여 온실조건에서 관리하였다. 파종 21일 후에 배양 여액 농축 시료 최종처리 농도를 2,000, 1,000, 500 및 250 µg mL-1로 희석조제하여(Tween-20, 0.
표면적 38.5 cm2 polystyrene cup에 파종하여 온실에서 생육시킨 바랭이에 배양 여액 농축 시료를 2,000 µg mL-1농도로 조제하여 20 ml/6 pots 양으로 처리한 후 0, 1, 2, 3, 4일 동안 암조건(25°C)으로 두었다가 각각을 온실조건으로 전환하여 8일 후에 살초력 정도를 육안으로 관찰하였다.
방선균 G-0299는 충청남도 대천 부근의 산림 토양으로부터 HV한천(humic acid-vitamin agar) 배지 [0.1% humic acid (dissolved in 0.2 N NaOH), 0.05% Na2HPO4, 0.171% KCl, 0.005% MgSO4, 0.001% FeSO4 · 7H2O, 0.002% CaCO3, vitamin B complex trace, 50 ppm cycloheximide, pH 7.0]를 사용하여 분리하였으며 Bennett’s agar (BA; 1% glucose, 0.1% yeast extract, 0.2% bacto-peptone, 0.1% beef extract, 2% agar, 1 L water) plate에 계대배양하여 순수 분리하였다.
이론/모형
처리 후 광조건(25°C, 120 µmol m-2 sec-1)과 암조건(25°C, dark alone)으로 구분하여 관리하다가 48시간 후에 Hiscox와 Israelstam의 방법(Hiscox and Israelstam, 1979)을 이용하여 엽록소 함량을 측정하였다.
성능/효과
, 1989)와의 유사성을 고려해 볼 수 있을 것이다. 그러나 본 실험에서 발굴한 방선균 G-0299의 경우 화본과 잡초 중에서도 바랭이에 대해서만 살초력을 발휘하고 있기 때문에(Table 3) ACCase 저해제의 작용기전과는 다를 것으로 판단되었다. 또한, 약효 발현 속도가 매우 빠를 뿐만 아니라 주요 살초증상이 고사나 백화증상이며, 광조건에서만 제초활성이 나타나고 엽록소 생합성이 저해된다고 하는 결과로부터 광합성 저해제(Wessels and van der Veen, 1956; Itoh and Iwaki, 1989) 또는 protox 저해제(Derrick et al.
4B). 기기분석을 통해 실제로 엽록소 함량을 측정했을 때 광조건에서는 무처리 대비 82% 감소되었으나 암조건에서는 거의 영향이 없는 것으로 나타났다(Fig. 5). 따라서 G-0299 배양 여액 농축 시료의 살초효과는 반드시 광조건 하에서만 발현된다는 사실을 다시 한번 확인할 수 있었으며, 엽색 백화 또는 갈변현상으로부터 세포막 파괴를 유도할 가능성이 있을 것으로 판단되었다.
5). 따라서 G-0299 배양 여액 농축 시료의 살초효과는 반드시 광조건 하에서만 발현된다는 사실을 다시 한번 확인할 수 있었으며, 엽색 백화 또는 갈변현상으로부터 세포막 파괴를 유도할 가능성이 있을 것으로 판단되었다.
5 µg mL-1 농도에서의 바랭이에 대한 살초력은 각각 100, 100, 100, 98, 70 및 40%로 아주 우수하였다(Table 2). 또한, 10일 후에도 동일한 처리농도에서 각각 100, 100, 98, 95, 60 및 40%로 처리시간이 경과함에도 여전히 우수한 살초력을 유지하고 있었다(Fig. 2A and B). 다만, 125 µg mL-1 처리농도 이하에서는 10일 이후에는 일부 재생되는 개체가 확인되었다.
3). 또한, 광조건에서 경엽처리 시 24시간 이내의 외형적인 살초증상을 볼 때 약효발현 속도가 매우 빠르다는 것을 알 수 있었으며, 주요 살초증상은 처리된 잎에서 고사가 진행되었고, 이후 완전고사 되지 않고 남아 있는 개체에서는 백화현상이 발현되었다(Fig. 1).
방선균 G-0299 배양 여액 농축 시료 처리 후 광 또는 암조건에서 48시간 경과한 다음 육안으로 관찰했을 때, 암조건에서는 바랭이 엽 절편의 엽색 변화는 없었고(Fig. 4A), 광조건에서는 바랭이 엽색이 변해서 백화되거나 갈변된 모습을 확인할 수 있었다(Fig. 4B). 기기분석을 통해 실제로 엽록소 함량을 측정했을 때 광조건에서는 무처리 대비 82% 감소되었으나 암조건에서는 거의 영향이 없는 것으로 나타났다(Fig.
방선균 G-0299는 8종의 시험대상 화본과잡초 중에 다른 잡초에 대해서는 반응이 없었고 바랭이에서만 살초효과가 발현되었다. 처리 7일 후 배양 여액 농축 시료 2,000, 1,000 및 500 µg mL-1 처리농도에서의 바랭이에 대한 살초력은 모두 100%였고, 250 µg mL-1 처리농도에서는 80%였다(Table 3).
배양 여액 농축 시료 처리 5일 후 2,000, 1,000, 500, 250, 125 및 62.5 µg mL-1 농도에서의 바랭이에 대한 살초력은 각각 100, 100, 100, 98, 70 및 40%로 아주 우수하였다(Table 2).
선행연구로부터 바랭이에 대한 방선균 G-0299의 살초력은 광조건하에서만 발휘되는 것을 확인한 바 있는데, 광 유 · 무에 따른 배양 여액 농축 시료의 약효반응 여부를 확인해 보았다. 배양 여액 농축 시료를 바랭이에 처리했을 때, 암조건에서는 아무런 약효가 발현되지 않다가 광조건으로 전환된 이후에 살초력이 발현되는 것으로부터 방선균 G-0299 배양 여액 농축 시료의 살초력 발현은 광의존적인 반응인 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3).
1). 배양 여액 농축 시료를 처리했을 때 까마중, 자귀풀, 어저귀, 도꼬마리, 메꽃 등 5종의 광엽잡초 종에 대해서는 아무런 반응이 없었고, 수수, 돌피, 개밀, 미국개기장 등 4종의 화본과잡초 종에 대해서도 제초활성이 발현되지 않았으나 바랭이에 대해서만 100%의 살초력을 나타냈다. 바랭이에 대해서는 처리 24시간 이내에 외형적인 증상이 발현되기 시작하여 매우 속효성이었으며, 주요 살초증상으로는 처리 초기에 수침상이 발현되다가 시간이 경과함에 따라 완전 고사(desiccation or leaf burn-down)되었으며, 완전 고사되지 않은 일부 개체에서는 백화증상(bleaching)이 발현되었다.
분리 방선균 G-0299의 배양 여액 농축 시료 2,000 µg mL-1 처리농도에서 10종의 잡초에 대한 제초활성 여부를 평가했을 때 광엽잡초 5종에 대한 활성은 없었고, 5종의 화본과잡초 중에서도 바랭이에 대해서만 살초력이 발현되는 독특한 특성이 관찰되었다(Table 1, Fig. 1).
선발된 방선균 G-0299는 바랭이에서만 살초력이 발휘되었을 뿐만 아니라 경엽처리 효과, 엽록소 함량 등의 생리 · 생화학적인 반응에서 광조건에서만 발현되는 독특한 살초특성을 보였다.
이때 암조건에서 2일 이후에 바랭이 잎의 황변과 괴사가 발현되면서 정상적인 생장이 저해되고 있었는데, 이러한 현상은 무처리의 암조건에서도 동일한 현상이 발현되는 것으로 보아(자료 미제시) 시료에 의한 반응이 아니라 암상태에서 바랭이의 정상적인 생육이 저해되기 때문인 것으로 판단하였다. 이상의 결과는 살초력을 발휘하는 유효성분이 암상태에서 충분하게 식물체 내로 흡수되었다가 광이 조사되면 즉시 약효가 발현되기 때문으로 판단되었다. 이상의 결과로부터 G-0299균 배양 여액 농축 시료는 암조건에서는 약효가 발현되지 않고, 광조건에서만 살초력이 발현되는 전형적인 광의존적 제초활성을 나타내는 것을 확인하였다.
이상의 결과는 살초력을 발휘하는 유효성분이 암상태에서 충분하게 식물체 내로 흡수되었다가 광이 조사되면 즉시 약효가 발현되기 때문으로 판단되었다. 이상의 결과로부터 G-0299균 배양 여액 농축 시료는 암조건에서는 약효가 발현되지 않고, 광조건에서만 살초력이 발현되는 전형적인 광의존적 제초활성을 나타내는 것을 확인하였다.
이상의 실험 결과 방선균 G-0299는 바랭이에 대해서만 강력한 살초력을 갖고 있으며(Table 1, 2 and Fig. 1, 2), 이와 같은 바랭이에서의 살초력은 광조건하에서만 발현되는 독특한 살초특성을 확인할 수 있었다(Fig. 3). 또한, 광조건에서 경엽처리 시 24시간 이내의 외형적인 살초증상을 볼 때 약효발현 속도가 매우 빠르다는 것을 알 수 있었으며, 주요 살초증상은 처리된 잎에서 고사가 진행되었고, 이후 완전고사 되지 않고 남아 있는 개체에서는 백화현상이 발현되었다(Fig.
또한, 화본과잡초 이외 금방동사니와 같은 사초과 잡초에 대해서도 살초력이 발현되지 않았다(자료 미제시). 이와 같은 G-0299의 살초특성은 매우 특이한 현상으로서 기존 개발된 제초제와는 뚜렷한 차별성을 갖는 작용 메커니즘일 것으로 판단되었다.
다만, 125 µg mL-1 처리농도 이하에서는 10일 이후에는 일부 재생되는 개체가 확인되었다. 이와 같이 G-0299는 바랭이에 대해서 농도의존적으로 살초력을 발휘하였으며, 이러한 결과로부터 바랭이에 대해서만 특이적으로 살초력을 발현하는 2차 대사물질을 생산하는 것으로 판단하였다.
처리 7일 후 배양 여액 농축 시료 2,000, 1,000 및 500 µg mL-1 처리농도에서의 바랭이에 대한 살초력은 모두 100%였고, 250 µg mL-1 처리농도에서는 80%였다(Table 3).
후속연구
(1999)에 의하면 화본과 작물인 보리와 밀 간에도 diphenyl ether계 제초제 oxyfluorfen에 대한 감수성 정도의 차이가 있다고 보고하고 있어 화본과잡초 중에서 바랭이에 대해서만 제초활성을 보이고 있는 본 후보소재는 protox 저해제와의 작용기전 상관성을 설명하기는 곤란한 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구에서 발굴한 제초활성 후보소재 G-0299균의 보다 상세한 살초기전에 관해서는 추가 연구를 통해 구명되어야 할 것이다.
방선균 G-0299 배양 여액 농축 시료를 처리했을 때 속효성이며, 고사 또는 백화현상이 발현되는 등의 특징으로부터 광합성 저해 또는 protox 저해 제초제와 비슷한 작용기전을 갖고 있을 가능성을 유추해 볼 수 있겠으나 오직 바랭이에서만 살초력이 발휘되는 특이한 현상을 고려하면 상관성을 설명하기는 곤란하였다. 따라서 천연 제초활성 후보소재 방선균 G-0299의 보다 상세한 살초기 전에 관해서는 추가 연구를 통해 구명되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 모방적 기술을 탈피하여 새로운 개념의 제초제 개발이 요구되고 있는 이유는?
농작물 생산성 향상을 위한 다양한 잡초방제 방법 중에서 상대적으로 저렴한 생산비용과 우수한 방제효과 때문에 전 세계적으로 유기합성 제초제가 유용하게 사용되고 있는데, benzobicyclon과 mesotrione, tefuryltrione 등과 같은 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD) 저해제(Prisbylla et al., 1993; Schultz et al., 1993; Secor et al., 1994)가 개발된 이후 새로운 작용점을 갖는 제초제의 개발 성과가 없는 실정이다. 이와 같은 상황에서 기존의 모방적 기술을 탈피하여 새로운 개념의 제초제 개발이 요구되고 있으며(Choi et al.
광조건에서는 바랭이의 변화는?
방선균 G-0299 배양 여액 농축 시료 처리 후 광 또는 암조건에서 48시간 경과한 다음 육안으로 관찰했을 때, 암조건에서는 바랭이 엽 절편의 엽색 변화는 없었고(Fig. 4A), 광조건에서는 바랭이 엽색이 변해서 백화되거나 갈변된 모습을 확인할 수 있었다(Fig. 4B).
유기합성 제초제가 전세계적으로 유용하게 쓰이는 이유는?
농작물 생산성 향상을 위한 다양한 잡초방제 방법 중에서 상대적으로 저렴한 생산비용과 우수한 방제효과 때문에 전 세계적으로 유기합성 제초제가 유용하게 사용되고 있는데, benzobicyclon과 mesotrione, tefuryltrione 등과 같은 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD) 저해제(Prisbylla et al., 1993; Schultz et al.
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