보고서 정보
주관연구기관 |
농업과학기술원 National Institute of Agricultural Science and Technology |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2002-12 |
주관부처 |
농림부 Ministry of Agriculture and Forestry |
등록번호 |
TRKO201400024039 |
DB 구축일자 |
2014-11-14
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초록
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IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
1. 연구개발 결과
가. 유도저항성 근권균 EXTN-l 의 활성 스팩트럼 검정
유도저항성 근권균 EXTN-l 균주의 토양관주 및 종자 (106cfu/ml) 처리는 공시한 20여종의 식물에 무해하였으며 대부분 종자 발아 및 생육을 촉진 시켰다. 또한 일반상토와 점질토에서의 식물생육양상은 서로 달랐으나 대체로 생육을 촉진하며 벼의 경우에는 생육이 억제되는 경향이었다.
EXTN-1 처리에 의하여 오이 탄저병 (Colletotrichum orbiculare
IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
1. 연구개발 결과
가. 유도저항성 근권균 EXTN-l 의 활성 스팩트럼 검정
유도저항성 근권균 EXTN-l 균주의 토양관주 및 종자 (106cfu/ml) 처리는 공시한 20여종의 식물에 무해하였으며 대부분 종자 발아 및 생육을 촉진 시켰다. 또한 일반상토와 점질토에서의 식물생육양상은 서로 달랐으나 대체로 생육을 촉진하며 벼의 경우에는 생육이 억제되는 경향이었다.
EXTN-1 처리에 의하여 오이 탄저병 (Colletotrichum orbiculare), 오이 반점 세균병(Pseudomonas syringae pv. lacηmans), 도열병(M agnaphorte grishia), 고추시들음병(Fusarium oxysporum), 토마토풋마름병(Ralstonia solanacearum), CMV(Cucumber Mosaic Virus), TMV(Tobaco Mosaic Virus), 감자바이러스 (PVY, PVX) 등 광범위한 식물병원균이 억제되었다.
나. 유도저항성 발현에 미치는 환경영향평가
EXTN-1 균주의 상추양액에서의 밀도 변이는 양액내의 경우 처음 처리농도에서 차츰감소하여 4주후에는 10배이상 저하되는데 반하여 근권에서는 처음의 처리농도와 같거나 증가하는 경향이었다.
오이의 경우 EXTN-1의 처리는 종자처리와 관주를 병행하는 것이 가장 효율적이었으며 토양처리뿐아니라 양액재배 조건에서의 처리효과가 우수함을 확인하였다. EXTN-1 처리에 의한 초기 저항성 반응이 H202로부터 기인함을 확인하였으며 EXTN-1 처리에 의해 저항성유전자인 PR-1a, HMGR, PAL등 이 발현됨을 확인하였으며 저항성 경로 추적에서 본 균주는 SA 및 JA, Ethylen 경로를 동시에 가동시킬 수 있음을 증명하였다. 또한 본 균에 의하여 저항성이 발현된 오이잎에서 탄저병균의 포자 발아와 부착기형성이 억제되는 반면 Callus 형성은 증가됨을 규명하였다.
다. 유도저항성균주 EXTN-1의 포장실증실험
양액재배의 상추 쑥갓에서 생육촉진효과가 우수하게 나타나며 특히 저온기 양액재배농가의 상추 재배에 효율적이다. 토마토양액재배의 경우 Ralstonia solanacearum에 의한 토마토 풋마름병을 4주간 효율적으로 방제할 수 있었다. 파프리카에 처리된 EXTN-1은 파프리카의 색깔을 진하게 하여 상품성을 증대시키는 효과가 있었다. 고추의 경우 EXTN-1의 유묘기 처리로 수확기까지 고추 시들음병을 방제할 수 있었다. 오이흰가루병 및 노균병의 발생도 대조구에 비하여 감소하였다. 이와같은 특성 만으로도 본 개발과제의 실용화에는 부족함이 없다.
라. EXTN-1 균주생산 유도저항성 관련 물질의 분리최적화
EXTN-1 균주생산 유도저항성 활성물질을 규명하기 위한 TSA 배지는 효과적이었으며 Butanol 분획과 Methanol 분획층의 생물검정을 통하여 검정할 수 있었으며 Methanol 분획과 Butanol 분획의 생물활성은 서로 달랐다.
전체 분리정제과정을 볼 때 Butanol 추출법이 가장 안정된 생물검정결과를 나타내었다.
마. 유도저항성 관련활성물질의 화학구조 및 특성규명
Butanol 추출 분획으로부터 오이에 유도저항성을 나타내는 Cyclo dipeptide의 일종인 cyclo(L-tyro-L-pro) 등 6종의 Cyclo dipeptide를 동정하였다. 이중 cyclo (L-tyro-L-pro) 은 오이 탄저병에 대한 유도저항성을 나타내며, 저항성 유전자인 PR-1a를 증가시켰다. 또한 이 유도체는 Pseudomonas 속균에서 Autoinducer(신호물질)로서 작용하며 이 물질이 Bacillus 속에 어떠한 역할을 하는지는 향후 연구되어야할 과제이다. 이 물질에 대한 용도 특허를 준비중이며 나머지 5종의 유도체에 대하여는 충분한 시료가 확보되는 대로 생물검정을 통한 기작을 구명할 예정이다.
사. EXTN-1 균주의 대량배양기술
EXTN-1 균주의 산업화 공정을 위하여 대량배양 시스템을 구축하였다. 본 연구는 국내에서 분리한 유도저항성 근권균 Bacillus amyloliquefaciens EXTN-1 strain의 실용화를 위한 제형 개발과 그 효과 검정을 실시하였다. 대량생산을 위하여 Glucose, Yeast Extract, Soybean Powder, CSL의 성분이 함유되는 배지 조건에서 배양액 ml당 5.2X109 cfu의 산물이 얻어지는 배양과정을 확립하였으며, 이 배양액을 건조하여 g 당 1 X 1011 cfu 수준의 분말을 제제시의 원체로 사용하였다.
아. EXTN-1 균주의 종자 및 상토처리기술개발
종자처리 수화제, 입제 및 미생물 상토 제형의 처방을 확립하였고, 이들을 시험 제제하여 저장안정성과 온실에서의 오이 탄저병에 대한 방제 효과를 검정하고, 생육시험을 실시하였다.
4℃, 30℃, 40℃ 온도 조건 하에서 약 12개월간 저장 안정성을 조사한 결과, 입제와 종자처리 수화제 제형의 경우 초기 포자 함량을 비슷한 밀도로 유지하고 있었으며, 미생물 상토 제형의 경우 초기 함량의 1/10 수준으로 밀도가 감소하였다. 각 제형들의 오이 탄저병에 대한 방제 효과를 검정한 결과, 다소 변이가 존재하나 대조 약제의 50% 수준의 방제효과를 보였으며, 미생물 상토에서 작물의 생육시험을 통하여, 기존의 상토와 대등한 수준의 생육을 보임을 확인하였다.
자. 유도저항성 균주 EXTN-1의 산업화공정개발
각 제형의 식물병해에 대한 방제효과를 검정하기 위해 오이 탄저병, 배추 뿌리혹병, 고추바이러스병에 대한 효과를 검정했으며, 근권에서의 EXTN-1의 정착능력을 조사하여 작물체의 근권부에 정착가능한 것을 확인하였다.
입제, 종자처리수화제, 상토 제제에 대한 공정을 확립했으며, 12개월 상온 보관한 시료의 물리화학적 성질을 조사한 결과, 제제직후와 비교하여 보았을 때, 유사한 물리화학적 성질이 유지되어 안정적인 제형임을 확인하였다.
2. 연구개발 결과의 활용계획 및 건의
본 연구를 통하여 개발된 식물근권세균 EXTN-1을 이용한 작물생산은 식물의 저항성유도를 통한 각종 식물병에 대한 저항력증강 뿐 아니라 식물의 생육촉진 및 과채류 및 엽채류의 상품성증강에도 매우 유리하다. 또한 고온기의 칼슘 흡수저해에 의한 토마토 배꼽썩음병 억제효과등 식물생육에 유리한 많은 활성을 보인다. 또한 기작차원에서 본 균주의 처리에 의하여 유도저항성이 활성화된 식물체에서는 진균곰팡이의 포자발아, 부착기형성 등이 억제되며 세포조직의 리그닌화등 저항성반응을 보이며 분자생화학적으로는 병저항성 관련 PR 유전자가 발현됨을 확인하였다. 저항성 경로연구에서도 이 균주에 의한 식물저항성유도는 기존의 학설과는 다르게 Salicylic acid 생성경로인 SAR과 Jasmonic acid, Ethylen 합성 경로를 동시에 가동시킴을 밝혔다. Cyclo peptide의 일종인 유도저항성 물질을 동정하였다. 이와같은 연구로 보아 본 균주를 이용한 산업화는 충분하며 실용화 보완 및 이들 연구로 부터 획득한 유도저항성 활성물질의 대량생산과 이들 균주 처리시 작용하는 저항성 유전자를 선발하여 저항성 식물을 개발할 가능성이 매우 높다. 따라서 본 연구는 생물학적방제제로 실용화되는 것과 더불어 후속 연구를 통한 신 기능성 물질 및 저항성 작물의 개발이 가능하므로 계속적인 관심과 지원이 필요하다.
Abstract
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Soil drenching or seed priming (106 cfu/ml) of Bacillus amyloliquefaciens strain EXTN-1 stimulated seed germination and growth of about 20 crops used without any harmful effect. Furthermore, treatment of B. amyloliquefaciens strain EXTN-1 showed a broad disease-controlling spectrum to the
Soil drenching or seed priming (106 cfu/ml) of Bacillus amyloliquefaciens strain EXTN-1 stimulated seed germination and growth of about 20 crops used without any harmful effect. Furthermore, treatment of B. amyloliquefaciens strain EXTN-1 showed a broad disease-controlling spectrum to the plant diseases caused by virual, bacterial, and fungal plant pathogens such as , cucumber mosaic virus, tobacco mosaic virus, potato virus Y and Pseudomonas syringae pv. lacrymans, Ralstonia solanacearum, Colletotrichum orbiculare, Magnaphorte grishia, and Fusarium oxysporum.
When B. amyloliquefaciens strain EXTN-1 was drenched to lettuce grown in hydroponic system, population of B. amyloliquefacien strain EXTN-1 was similar or increased in the rhizosphere, while the population was gradually decreased up to 10 fold in the hydroponic solution 4 weeks after treatment compared with initially treated population of the bacterium. In case of cucumber, soil drenching after seed coating with EXTN-1 showed best disease protection and Plant growth promotion in soil as well as in hydroponic system as method of application for EXTN-1.
Treatment of EXTN-1 increased H2O2 amount in early stage and Induced the expression of resistance genes, PR-la, HMGR, PAL. Mechanism involved in induced systemic resistance by EXTN-1 was revealed as simultaneous activation of SA and JA or ethylene metabolic pathways and pre-treatment of EXTN-1 reduced germination and appressorium formation of conidia of Colletotrichum orbiculare on the leaf of cucumber with Increase of callus formation. Furthermore, treatment of EXTN-1 promoted growth and quality of lettuce grown in cool season with consistency of the effects and inhibited the bacterial wilt on tomato caused by Ralstonia solanacearum for 4 weeks after treatment. When EXTN-1 was applied to bell paper grown in hydroponic system, fruit color and qualify were improved. In field experiments, treatment of EXTN-1 resulted in controlling of fusarium wilt do pepper until harvesting season with only application to seedlings, and decreased incidence of powdery mildew and downy mildew on cucumber. Taken all together with above results, B. amyloliquefaciens strain EXTN-1 can be considered as a promising agent for commercialization.
Six kinds of Cyclo dipeptide (cyclo(L-tyro-L-Pro)) were identified as elicitors inducing systemic resistance, which were purified from butanol extract of EXTN.-1 grown on TSA medium. One of them, cycol(L-tyro-L-Pro) induced systemic resistance on cucumber against Colletotrichum orbiculare and also Increased expression of PR-la gene.
For commercialization of B. amyloliquefaciens strain EXTN-1, culturing medium was confirmed with addition of glucose, yeast extract, soybean powder, CSL, which produced a cell concentration of 5.2×109 sfu/ml. Based on this result, EXTN-1 Powder was obtained with the concentration of 1×1011 cfu per gram. Population of EXTN-1 in granule or wetable powder type maintained initial population up to 12 months, while population of EXTN-1 in a formulation type for potting soil decreased up to 1/10 level to the initial population of the bacterium at 24℃. Each formulation types showed a promising effect on the control of cucumber anthrocnose up to 50% level when a compared agrochemical was considered as 100% in controlling efficacy.
In conclusion, B. amyloliquefaciens strain EXTN-1 selected in this experiment can be used for plant growth promotion and improving product quality of vegetable as well as inducing systemic resistance on vegetables to plant pathogens. Furthermore, treatment of B. amyloliquefaciens strain EXTN-1 reduced the incidence of tomato blossom rot caused by calcium deficiency in high temperature season, which indicates that application of EXTN-1 improves physiological status of plants.
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