[논문]키틴분해세균의 현장 대량 배양방법을 이용한 효과적인 식물병의 생물적 방제 전략

김영철; 강범용; 김용환; 박서기

doi:10.5423/rpd.2017.23.1.19

키틴분해세균의 현장 대량 배양방법을 이용한 효과적인 식물병의 생물적 방제 전략
An Effective and Practical Strategy for Biocontrol of Plant Diseases Using On-Site Mass Cultivation of Chitin-Degrading Bacteria 원문보기

Research in plant disease = 식물병연구, v.23 no.1, 2017년, pp.19 - 34

김영철 (전남대학교 친환경농업연구소) , 강범용 (전남대학교 친환경농업연구소) , 김용환 (단국대학교 식량생명공학과) , 박서기 (순천대학교 식물의학과)

초록
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유기농 및 지속 가능한 농산물에 대한 최근의 전 세계적인 수요는 농가 현장에서 사용 가능한 생물 농약의 개발 및 활용에 대한 요구가 증대되고 있다. 그러나 대부분의 생물학적 방제 방법은 실제 현장 조건에서 식물병 방제 스펙트럼이 제한적이고 효능이 높지 않다. 본 연구팀은 키틴분해 미생물과 키틴을 활용하여 적은 비용으로 방제효과가 우수한 키틴 기반 제형을 개발했다. 이 제형은 포장 조건에서 다양한 식물병을 성공적으로 방제하였다. 본 리뷰에서는 성공적인 포장 연구와 관련하여 이 제형에 함유되어 있는 키틴분해미생물들의 생태학적 측면과 생물적 방제 기작에 대해 기술하였다. 또한 현장에서 키틴분해미생물의 현장 대량 배양과 효과적인 생물학적 방제 방법을 사용하여 농민 친화적인 수단으로 확대 할 수 있는 생물적 방제 방법과 전략의 가능성에 대해 논의했다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recent worldwide demand for organic and sustainable agriculture products is driving the development of formulations of biopesticides effective in the field. Biopesticides have the benefit of environmentally-friendly qualities. However, biocontrol approaches largely have been ineffective in controlling plant pests in field conditions. Previously, we developed a cost-effective biocontrol formulation containing chitin and chitinase-producing biocontrol bacteria with field efficacy. This formulated product has successfully suppressed various plant diseases in the field conditions. In this review, we focus on ecological aspects and the potential mechanisms underpinning the success of chitinase-producing bacteria. In addition, we discuss the possibility on-site cultivation of the formulated products to further strengthen the approach as being farmer friendly and successful.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구팀에서는 식물병원균들은 자라지 못하면서 키틴분해세균들만 자랄 수 있는 ‘키틴+최소영양배지(키틴 기반 제형)’를 개발하고, 이 배지에서 방제 활성이 최대로 될 수 있는 배양 조건을 확립하였다(Kim 등, 2008).
본 리뷰 논문에서는 이들 키틴분해미생물을 활용하여 실제 포장에서 효과적으로 식물병 생물적 방제에 활용되는 방법에 대해 소개하고자 한다. 식물병원균과 선충을 억제하는 키틴분해세균의 종류와 그들의 억제 기작, 키틴과 키틴분해세균을 이용한 생물적 방제 효과의 증대 방법과 이들 방법을 이용하여 조제한 생물적방제원의 포장 실험 결과를 기술하였다.
이 제형은 포장 조건에서 다양한 식물병을 성공적으로 방제하였다. 본 리뷰에서는 성공적인 포장 연구와 관련하여 이 제형에 함유되어 있는 키틴분해미생물들의 생태학적 측면과 생물적 방제 기작에 대해 기술하였다 또한 현장에서 키틴분해미생물의 현장 대량 배양과 효과적인 생물학적 방제 방법을 사용하여 농민 친화적인 수단으로 확대 할 수 있는 생물적 방제 방법과 전략의 가능성에 대해 논의했다.
그러나 대부분의 생물학적 방제 방법은 실제 현장 조건에서 식물병 방제 스펙트럼이 제한적이고 효능이 높지 않다. 본 연구팀은 키틴분해 미생물과 키틴을 활용하여 적은 비용으로 방제효과가 우수한 키틴 기반 제형을 개발했다. 이 제형은 포장 조건에서 다양한 식물병을 성공적으로 방제하였다.
이 리뷰에서는 본 연구실에서 키틴 기반 제형을 조제하는 데 키틴분해미생물로 이용된 3종류의 그람 음성 세균에 대해서만 생물적 방제 기작에 대해서 서술한다(Table 2).

제안 방법

따라서 본 연구팀에서는 식물병원균들은 자라지 못하면서 키틴분해세균들만 자랄 수 있는 ‘키틴+최소영양배지(키틴 기반 제형)’를 개발하고, 이 배지에서 방제 활성이 최대로 될 수 있는 배양 조건을 확립하였다(Kim 등, 2008). 또한 농민들이 자가 배양하여 사용할 수 있도록 대량배양기에서의 배양 조건을 확립(Fig. 1)하여 포장에서 다양한 식물병에 대한 방제효과를 검증하였다.
본 리뷰 논문에서는 이들 키틴분해미생물을 활용하여 실제 포장에서 효과적으로 식물병 생물적 방제에 활용되는 방법에 대해 소개하고자 한다. 식물병원균과 선충을 억제하는 키틴분해세균의 종류와 그들의 억제 기작, 키틴과 키틴분해세균을 이용한 생물적 방제 효과의 증대 방법과 이들 방법을 이용하여 조제한 생물적방제원의 포장 실험 결과를 기술하였다. 이들 키틴과 키틴분해미생물을 활용한 키틴 기반 제형이 실제 포장에서 효율적인 생물적 방제의 활용에 도움이 되기를 기대한다.

성능/효과

plymuthica, Chromobacterium sp. C-61, L. enzymogenes가 키틴 최소영양배지에서 배양된 키틴 기반 제형은 포장에서 고추 역병, 오이와 호박의 뿌리혹선충에 대해 생물적 방제 효능이 높았다(Fig. 2). 고추 역병 방제 효과는 키틴 기반 제형의 처리 농도 및 처리 시기, 포장의 병 발생 정도에 따라 차이가 있었지만, 원액의 토양 관주는 모든 조건에서 높은 방제 효과(77%–100%의 방제가)를 나타냈다.
고추 역병 방제 효과는 키틴 기반 제형의 처리 농도 및 처리 시기, 포장의 병 발생 정도에 따라 차이가 있었지만, 원액의 토양 관주는 모든 조건에서 높은 방제 효과(77%–100%의 방제가)를 나타냈다.
지상부병에 대해서는 세 균주와 두 균주에 의해서 조제된 키틴 기반 제형의 방제효과가 비슷하였다. 따라서 두 균주(Chromobacterium sp C-61과 L. enzymogenes)에 의해서 조제된 키틴 기반 제형을 분무 살포하였는데, 흰가루병에 대한 방제효과가 높았다(Fig. 2). 즉, 고추, 토마토, 오이의 흰가루병 모두 살포 4–6일 후 흰가루병이 완전 방제되었지만, 방제 지속 기간은 살포 후의 환경조건에 크게 영향을 받았다.
선충이 발생한 포장에 대조구인 배지를 처리한 오이는 거의 생육하지 못하였으나 키틴 기반 제형 처리구에서는 선충을 접종하지 않은 멸균 토양에서 생육한 오이와 동일한 생장률을 나타냈다. 또한 포장에 오이를 정식하고 물 대신에 75배 희석한 키틴 기반 제형을 5일 간격 점적 관주하였을 경우, 30일과 60일 후 오이의 초장이 7%와 10% 촉진되었고, 근권 뿌리혹선충 밀도가 78%와 69% 감소하였다. 특히, 점적 관주된 부위의 뿌리에는 혹이 전혀 형성되지 않은 반면에 관주가 되지 않은 부위의 뿌리에는 무수한 혹이 형성되어 있었기 때문에 이 키틴 기반 제형은 뿌리혹선충 생물적 방제의 직접적인 원인으로 추정되었다(Ha 등, 2014).
본 연구팀에서 개발한 키틴 기반 제형에는 생물적 방제 키틴분해미생물과 식물의 생육과 병 방제에 기여할 수 있는 다양한 물질들이 포함되어 있다. 이 제형은 세균만으로 이루어진 현탁액보다 훨씬 더 높은 방제 활성을 갖고, 고추 역병, 오이 뿌리혹선충, 각종 흰가루병의 경우에는 유기합성농약 대신 사용해도 될 정도의 방제효과를 나타냈다. 또한 특정 병원체 억제 키틴분해세균들을 혼합 배양하면, 방제 활성의 증가뿐만 아니라 방제스펙트럼이 확대되는 장점이 있다.
또한 세균, 분해효소 및 항균물질들은 상호복합적으로 작용하여 방제효과를 증대한다(Brzezinska 등, 2014; Nagpure 등, 2014; Singh 등, 2014). 이와 같이 조제된 키틴분해세균들의 배양액은 세균만으로 이루어진 현탁액보다 균주에 따라 10배에서 25배 정도 더 높은 항균 활성을 나타냈고, 뿌리혹선충에 대한 살충률도 훨씬 더 좋았다.
즉, 고추, 토마토, 오이의 흰가루병 모두 살포 4–6일 후 흰가루병이 완전 방제되었지만, 방제 지속 기간은 살포 후의 환경조건에 크게 영향을 받았다.
오이 노균병, 토마토 잎곰팡이병, 잿빛곰팡이병 등에 대한 방제 효과는 살균제의 효과에 미치지 못하였다(data not shown). 하지만, 작물병 발생 초기 혹은 병원균이 식물 조직 내로 들어가기 전에 예방적으로 살포하거나 화학 농약보다 살포 횟수를 늘려서 살포하면 방제가 가능할 것으로 판단되었다. 하지만 노지의 고추 탄저병이나 감 둥근무늬낙엽병에 대한 효과는 등록된 살균제에 비하여 방제 능력이 효과적이지 못하였다(data not shown).
특히, 점적 관주된 부위의 뿌리에는 혹이 전혀 형성되지 않은 반면에 관주가 되지 않은 부위의 뿌리에는 무수한 혹이 형성되어 있었기 때문에 이 키틴 기반 제형은 뿌리혹선충 생물적 방제의 직접적인 원인으로 추정되었다(Ha 등, 2014). 호박에서도 키틴 기반 제형을 희석하여 점적 관주하였을 경우에는 물을 관주한 지역보다 작물의 생육이 높았고, 뿌리혹선충의 밀도와 뿌리혹이 감소되었다(Fig. 2).

후속연구

하지만 노지의 고추 탄저병이나 감 둥근무늬낙엽병에 대한 효과는 등록된 살균제에 비하여 방제 능력이 효과적이지 못하였다(data not shown). 결론적으로 본 연구팀에서 개발한 키틴 기반 제형은 포장에서 토양병 및 선충을 효과적으로 방제하고, 시설 내에서 발생하는 지상부병의 방제에도 활용될 수 있을 것으로 판단되었다. 그러나 이 제형은 병원균이나 선충에 직접 접촉해야만 효과가 있고, 그 효과가 환경에 크게 영향 받기 때문에 이런 점들을 고려해서 살포하면 성공적인 방제가 이루어질 수 있으리라 생각된다.
thuringiensis는 고추의 문제 해충인 담배거세미나방, 담배나방과 검거세미나방을 비롯한 여러 해충을 억제하고, 다른 키틴분해세균이나 다른 세균의 chitinase를 첨가하면 살충효과가 더 높아지고(Regev 등, 1996; Sneh 등, 1983), colloidal chitin을 첨가한 배지에서 자란 배양액은 더 높은 살충 활성을 갖는다(Wiwat 등, 2000). 따라서 살충효과가 좋은 키틴분해세균을 선발하여 본 시스템에 추가하면 해충 방제에 이용될 수 있는 생물적방제원이 될 수 있을 것이고, 여기에 식물병원균과 선충 억제 키틴분해세균들을 첨가해서 배양하면 식물병, 선충, 해충 모두를 방제할 수 있는 생물적 방제원이 될 수 있으리라 생각된다. 앞으로 이런 측면의 연구도 진행될 것으로 전망해 본다.
따라서 살충효과가 좋은 키틴분해세균을 선발하여 본 시스템에 추가하면 해충 방제에 이용될 수 있는 생물적방제원이 될 수 있을 것이고, 여기에 식물병원균과 선충 억제 키틴분해세균들을 첨가해서 배양하면 식물병, 선충, 해충 모두를 방제할 수 있는 생물적 방제원이 될 수 있으리라 생각된다. 앞으로 이런 측면의 연구도 진행될 것으로 전망해 본다.
식물병원균과 선충을 억제하는 키틴분해세균의 종류와 그들의 억제 기작, 키틴과 키틴분해세균을 이용한 생물적 방제 효과의 증대 방법과 이들 방법을 이용하여 조제한 생물적방제원의 포장 실험 결과를 기술하였다. 이들 키틴과 키틴분해미생물을 활용한 키틴 기반 제형이 실제 포장에서 효율적인 생물적 방제의 활용에 도움이 되기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	키틴분해미생물에는 무엇이 있는가?	키틴은 지구상에서 셀룰로오스 다음으로 풍부한 자원으로서 인간에게 여러 유용한 용도로 활용되고, 자연계에서는 다양한 키틴분해미생물들에 의해서 분해되어 재순환된다(Brzezinska 등,2014; Sharp, 2013). 토양에서는 방선균의 45%–69%, 곰팡이의 32%–40%가 키틴을 분해하고, 호수에서는 세균의 15% 정도가 키틴을 분해하여 탄소원과 질소원으로 이용한다(Brzezinska 등, 2014).
	키틴의 역할은 무엇인가?	키틴(chitin)은 N-acetylglucosamine (포도당 2번 탄소에 N-아세틸이 붙어 있음)이 β(1,4) 결합된 다당류로서 곰팡이의 세포벽, 무척추동물의 외골격, 큐티클, 난각 등의 주요 구성 성분으로 외부 환경으로부터 세포를 보호한다(Nagpure 등, 2014; Sharp, 2013; Singh 등, 2014). 키틴은 지구상에서 셀룰로오스 다음으로 풍부한 자원으로서 인간에게 여러 유용한 용도로 활용되고, 자연계에서는 다양한 키틴분해미생물들에 의해서 분해되어 재순환된다(Brzezinska 등,2014; Sharp, 2013).
	자연계 자원으로 보는 측면에서 키틴의 장점은 무엇인가?	키틴(chitin)은 N-acetylglucosamine (포도당 2번 탄소에 N-아세틸이 붙어 있음)이 β(1,4) 결합된 다당류로서 곰팡이의 세포벽, 무척추동물의 외골격, 큐티클, 난각 등의 주요 구성 성분으로 외부 환경으로부터 세포를 보호한다(Nagpure 등, 2014; Sharp, 2013; Singh 등, 2014). 키틴은 지구상에서 셀룰로오스 다음으로 풍부한 자원으로서 인간에게 여러 유용한 용도로 활용되고, 자연계에서는 다양한 키틴분해미생물들에 의해서 분해되어 재순환된다(Brzezinska 등,2014; Sharp, 2013). 토양에서는 방선균의 45%–69%, 곰팡이의 32%–40%가 키틴을 분해하고, 호수에서는 세균의 15% 정도가 키틴을 분해하여 탄소원과 질소원으로 이용한다(Brzezinska 등, 2014).

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Zhang, Z., Yuen, G. Y., Sarath, G. and Penheiter, A. R. 2001. Chitinases from the plant disease biocontrol agent, Stenotrphomonas maltophiliao C3. Phytopathology 91: 204-211.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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