[국가R&D연구보고서]오리나무형 질소고정 수목에 공생하는 우수 Frankia 균주 선발 및 Frankia DNA의 유전자지도 작성 Selection of Superior Frankia strains being symbiotic with Alnus species and physical mapping of Frankia DNA원문보기
오리나무류가 척박지에서 신속한 생장을 하는 이유는 이들이 콩과식물처럼 토양미생물인 Frankia와 공생 관계를 유지하며 질소고정을 하기때문으로 알려져 있다. 따라서 오리나무류를 이용하여 임지를 개량한다는 것은 토양미생물인 Frankia와 기주식물인 오리나무와의 상호작용에 대해 생리학적, 생태학적 이해없이는 이루어질 수 없다. 최근에 문제시되고 있는 산성우등이 근본적으로 산림토양의 pH를 변화시켜 전반적인 산림의 쇠퇴를 불러오는 것으로 생각되는데 이러한 변화에 토양미생물이 어떻게 적응하는지를 예측하는 것은 장기적인 안목에서 중
오리나무류가 척박지에서 신속한 생장을 하는 이유는 이들이 콩과식물처럼 토양미생물인 Frankia와 공생 관계를 유지하며 질소고정을 하기때문으로 알려져 있다. 따라서 오리나무류를 이용하여 임지를 개량한다는 것은 토양미생물인 Frankia와 기주식물인 오리나무와의 상호작용에 대해 생리학적, 생태학적 이해없이는 이루어질 수 없다. 최근에 문제시되고 있는 산성우등이 근본적으로 산림토양의 pH를 변화시켜 전반적인 산림의 쇠퇴를 불러오는 것으로 생각되는데 이러한 변화에 토양미생물이 어떻게 적응하는지를 예측하는 것은 장기적인 안목에서 중요하다. 그러나 아직 우리는 Franlia 자체에 대하여도 아직 확실한 분류체계조차 갖추고 있지 않다. 따라서 본 연구의 목적은 첫째 Frankia의 접종에 따른 오리나무류의 뿌리부근의 형태적, 해부학적 변화와 Agrobacterium rhizogenes를 접종함으로서 유도된 뿌리털이 Frankia에 의한 nodulation에 끼치는 영향을 조사하며 둘째는 인공산성우 및 aluminum이 이 두 생물체의 상호작용에 주는 변화를 조사하고 마지막으로 PCR 기법을 이용하여 Frankia DNA의 특성을 조사하는 것이었다. 본 실험의 결과 다음의 결과를 얻었다. 1. 질소고정 능력이 많은 Sp- type의 균주를 Frankia strain으로 물오리나무에서 분리할 수 있었으며 Sp+ type의 경우에도 많은 소낭을 가진 두 strain을 선발할 수 있었다. 2. Frankia의 접종조건으로서 단위길이당 뿌리털을 조사하였는데 조사된 3 수종중 글루티노사오리나무에서 mm 당 55.8개로 가장 많이 나타났으며 이 수는 수종간에 차이가 있었다. 3. A. rhizogenes를 접종하였을때 물오리나무와 글루티노사오리나무에서 많은 뿌리가 발생하였다. 이러한 A. rhizogenes의 접종효과는 물오리나무에서 더욱 뚜렷하였다. 4. A. rhizogenes의 접종이 없을때는 물오리나무가 Frankia의 접종이 가장 잘 되었으나 A. Rhizogenes를 접종한 후에는 사방오리나무가 가장 높은 Frankia의 접종율을 보였다. Frankia Avcll이 모수에서 채취한 strain보다 좋은 결과를 내었다. 그러나 더 많은 뿌리가 난다고 더 많은 Frankia의 접종이 일어나는 것은 아닌 것으로 나타났다. 5. 물오리나무의 묘고, 뿌리길이, 생증량 생장은 Frankia를 접종한 경우 aluminum 처리하지 않은 묘목이 더 좋았으며, 알루미늄을 처리하였을 때는 Frankia접종한 경우가 Frankia접종하지 않은 경우보다 더욱 생장이 좋았다. 6. 뿌리와 줄기의 양료분석결과 Frankia접종에 관계없이 배양액내 aluminum농도가 증가할수록 뿌리와 줄기의 aluminum 농도가 증가하였으며 Ca, Mg 및 K의 함량은 오히려 감소하였다. 7. 뿌리단면의 광학현미경 및 투과전자현미경적 관찰 결과 200, 100, 50 ㎎/L aluminum 처리에 의해 뿌리 조직내에서 액포내에 phenol 물질의 축적, tonoplast의 파괴, 액포의 생성 증가, 세포벽과 plasmalemma 사이에 phenol 물질의 축적과 같은 변화를 관찰할 수 있었다. 이러한 변화는 aluminum농도가 높을수록 더 뚜렷하였다. 8. aluminum 처리에 의한 뿌리의 피해는 Frankia접종하였을 경우가 접종하지 않은 경우 보다 더 적게 나타났다. 9. PCR을 이용하여 random amplification에 의하여 Frankia strain들의 조기선발이 가능한 표지를 발견할 수 있었다. 10. Rhizobium meliloti의 nodF 유전자 sequence를 이용한 primer를 합성하여 Frankia에서도 이 유전자가 존재함을 세계 최초로 증명하였다.
Abstract▼
The good growth of alder trees in poor soil has been ascribed to their symbiotic relationship with nitrogen fixing organism, Frankia. Therefore, any attempt to improve forest soil using Frankia can not be succeed without much knowledge on the interaction between host plants (alder) and Frankia.
The good growth of alder trees in poor soil has been ascribed to their symbiotic relationship with nitrogen fixing organism, Frankia. Therefore, any attempt to improve forest soil using Frankia can not be succeed without much knowledge on the interaction between host plants (alder) and Frankia. Among many known environmental pollutants, acid rain has recently been thought to lower pH of forest soil thereby leading to the decline of both forest vegetation and its inhabitants including soil microorganisms. Therefore, it is important for us to be able to predict how Frankia and Alnus spp. Will react to the change. However, many aspects of Frankia are still unknown to us. The purposes of the present study are 1) to select the superior strain of Frankia showing better nitrogen fixing ability by determining spore type. 2) to study bothmorphological and anatomical changes in roots of Alnus species caused by inoculation of Agrobacterium rhizogenes and/or Frankia. 3) to investigate the effects of simulated acida rain and aluminum on root anatomy. 4) to differentiate different strains of Frankia by use of PCR techniques. The results obtained were as foolws; 1. One strain of Frankia isolated from Alnus hirsuta was found to be Sp- type. All other strains were Sp+ type. However two of the Sp+ type might have high N-fixing capacity since there were many vescicles found in the nodule caused by the strains. 2. As possible infection site, the number of root hairs was compared among the three species of Alnus. The number varied with species. A. glutinosa is found to have more root hairs per unit length(mm) than any other species. 3. Upon inoculation of A. rhizogenes, A. hirsuta and A. glutinosa increased the number of roots by 47 and 28%, respectively. The effect of inoculation was more prominent in A. hirsuta. 4. Without the inoculation of A. rhizogenes, A. hirsuta showed the best infection by Frankia. However, with the inoculation, A. firma was the most susceptible to Frankia infection. The strain Avcil produced better infection rate than did the strain isolated from the mother tree. However, is appeared that more number of roots does not produce more infection by Frankia. 5. When inoculated with Frankia, A. hirsuta seedlings without Al treatment showed the greatest growth rate in height, root length and fresh weight. The seedlings treated with Al grew better in height, root length and fresh weight in the presence of Frankia than those uninoculated with Frankia. 6. As the concentration of Al treatments increased, the concentration of Al in both shoot and root increased regardless of Frankia inoculation. The composition of Ca, Mg, and K in the seedlings without Al treatment were higher than those treated with Al. As the concenntration of treated Al increased, the concentration of those cations in the tissue decreased. 7. The root tissues treated with Al showed the following microscopic characteristics as compared to those without Al treatment; 1) presence of electron dense bodies in vacuoles, and between plasmalemma and cell wall, 2) accumulation of phenolic materials in vacuole, 3) disrupted tonoplast, and 4) increase in vacuolation. Thses alterations in root anatomy were observed at 50㎎/L Al treatment. 8. The degree of alteration was more severe in the root tissues uninoculated with Frankia than those inoculated with Frankia. 9. Several different strains of Frankia could be differentiated by random amplified PCR products. 10. We have been able to prove the presence of a gene comparable to nodF of gene Rhizobium in Frankia. This was possible by designing a specific primer set deduced from the gene sequence from Rhizobium and amplifying the Frankia DNA with the primer set. To our knowledge this is the first discovery in the world to demonstrate the presence of nod gene in Frankia.
목차 Contents
목차...7
1. 서 론...9
2. 재료 및 방법...13
(1). Agrobacterium rhizogenes와 Frankia 두 토양미생물의 접종에의한 noudle 형성 및 묘목 생장연구...13
A. 시험재료확보...13
B. 우수 Frankia 균주 동정...13
C. A. rhizogenes 및 Frankia 접종...13
D. 뿌리의 형태학적 조사...14
(2). Aluminum 및 인공 산성우 처리와 Frankia의 접종이 물오리나무의 생장에 미치는 영향...15
A. 시험재료확보...15
B. 생장 측정...15
C. Frankia 접종...15
D. Aluminum 처리...16
E. 인공산성우 처리...16
F. 뿌리의 조직의 형태학적 조사...16
(3) 분자생물학적 기법을 이용한 Frankia DNA연구...17
A. Frankia strain에서 DNA 분리...17
B. plasmid pGMI174의 추출...17
C. PCR에의한 Frankia DNA 분석...18
D. DNA 전기영동...19
E. Southern hybridization...20
3. 결과 및 고찰...21
(1). Agrobacterium rhizogenes와 Frankia 두 토양미생물의 접종에의한 nodule 형성 및 묘목 생장연구...21
A. 질소고정율이 우수한 균주선발...21
B. A.rhizogenes의 접종이 오리나무류의 뿌리털 수와 형태에 미치는 영향...21
C. A.rhizogenes 및 Frankia 접종에 의한 nodule 형성율 및 오리나무 생장...25
D. 결론...25
(2). Aluminum 및 인공 산성우 처리와 Frankia의 접종이 물오리나무의 생장에 미치는 영향...29
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.