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Kafe 바로가기주관연구기관 | 건국대학교 KonKuk University |
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연구책임자 | 정일민 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2018-07 |
과제시작연도 | 2016 |
주관부처 | 미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 | TRKO202000007494 |
과제고유번호 | 1711043332 |
사업명 | 개인연구지원 |
DB 구축일자 | 2020-09-19 |
키워드 | 알레로파시.벼.생태학적 잡초방제.제초활성품종.천연제초생리활성물질.양적형질유전자좌.Allelopathy.Rice.Ecological Weed Control.Herbicidal Active Variety.Natural Herbicidal Bioactive Substance.Quantitative trait loci (QTL). |
□ 연구의 목적 및 내용
식물의 여러 기관에서 다른 식물이나 동종식물에 유해한 물질이 분비되는 현상인 allelopathy는 주로 식물학적인 측면에서 연구되었으나 최근 이 기작에 관여하는 2차 대사산물을 잡초방제에 응용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 현상을 이용한 잡초 방제법 중 제초활성 작물품종에 의한 생태학적 잡초방제는 기존의 잡초방제법과는 달리 노동력이 매우 절감되며 환경친화적 잡초 방제법으로 평가를 받고 있으나 농학자들에 의한 연구는 아직 초보적인 단계이다. 본 연구의 목적은 벼 국내재래 수집종과 국외 수집종을
□ 연구의 목적 및 내용
식물의 여러 기관에서 다른 식물이나 동종식물에 유해한 물질이 분비되는 현상인 allelopathy는 주로 식물학적인 측면에서 연구되었으나 최근 이 기작에 관여하는 2차 대사산물을 잡초방제에 응용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 현상을 이용한 잡초 방제법 중 제초활성 작물품종에 의한 생태학적 잡초방제는 기존의 잡초방제법과는 달리 노동력이 매우 절감되며 환경친화적 잡초 방제법으로 평가를 받고 있으나 농학자들에 의한 연구는 아직 초보적인 단계이다. 본 연구의 목적은 벼 국내재래 수집종과 국외 수집종을 이용한 환경 친화형 농업생산의 일환으로 논잡초 중 피류를 대상으로 제초활성물질을 분리, 동정하여 기기분석, 순도 검정 후, 인체 무해성 검증, 환경독성 검정, 식물-식물 상호대립억제작용을 이용한 벼농사용 제초후보 물질에 대해 천연 제초제 물질로의 이용 가능성을 평가하며 살초성 벼의 유전자 탐색 및 유전기작 연구를 수행하고자 하는 것이다. 이 연구의 결과는 생태학적 측면에서 천연제초제 후보물질 개발, 자포니카 벼에 내재하고 있는 살초 특성 관여 유전자에 대한 QTL 분석, 연관 마커를 개발하여 살초성 우량품종 육성에 활용할 수 있다.
(1) 제초활성 후보물질의 분리 및 동정 연구: 선발된 제초활성품종이 함유하고 있는 활성물질에 대한 분리에 앞서 활성 조추출액에 대한 예비실험으로 화학적 특성조사 후 분리 동정된 물질의 이화학적특성을 조사한다.
(2) 제초활성 후보물질 분리 및 동정: 활성품종의 조추출물을 이용하여 pH, 열, 유기용매, resin등을 처리하여 화학적 특성을 조사하며, 이화학적 특성은 컬럼을 통하여 분리, 동정된 물질의 용해성, Rf값, 발색반응을 조사하며, UV, IR, NMR, MS 등을 이용하여 활성물질의 구조해석을 하며 정량분석 및 순도확인은 HPLC를 이용한다.
(3) 분리, 정제된 물질의 인체 무해성 검증, 환경독성 검정, 식물-식물 상호대립억제작용을 이용한 벼농사용 제초후보 물질 도출 및 특허출원, 기술이전
(4) 살초특성 관여 유전자 탐색: 유전 분석집단 (RILs)을 활용하여 QTL-Seq 분석으로 형질관여 연관 marker 탐색 및 candidate physical map 위치설정.
□ 연구결과
UV, IR, NMR, MS, chromatography 등의 데이터를 가지고 벼 (Oryza sativa L.)의 잎에서 분리 · 동정된 14개 신규물질은 천연제초제 활용 가능성을 가지고 있었다. 이 14개 물질 (RP-4, RP-5-A, RP-5-B, RP-6-A, RP-6-B, RP-7-A, RP-7-B, RP-7-C, RP-7-D, RP-7-E, RP-7-F, RP-8-A, RP-8-B, RP-8-C)에 대해 인체 무해성 및 잡초방제 효과 검정을 시행했다.
분리 · 정제된 제초활성물질의 인체 무해성을 검정하기 위하여 Raw 264.7 세포를 대상으로 한 세포독성을 검정했다. 세포독성 검정 결과 RP-6-A, RP-6-B, RP-7-B, RP-7-C, RP-7-F, RP-8-B, RP-8-C가 독성이 없이 효과적으로 사용할 수 있는 allelopathic compounds로 확인되었다. 반면 RP-7-D, RP-7-E 및 RP-8-A의 화합물의 경우 대조군에 비교하여 농도가 증가할수록 세포 독성을 나타냈다.
또한 분리된 화합물을 강피 (Echinoloa crus-galli Beauv. var. oryzicola Ohwi) 종자와 명아주 (Chenopodium album L.) 종자에 처리한 후 종자의 발아 특성과 발아 조건에서의 식물체의 지상부 및 지하부 생육 상태를 조사함으로써 각 화합물의 잠재적 제초활성을 검정하였다. RP-7-F과 RP-8-B의 경우 명아주 종자의 발아에 대해서는 최종 발아율에 큰 영향을 미치지 못하였고 일부 평균발아일수 및 발아속도를 감소시키는 경향을 나타냈다. RP-5-B를 1000 μM 농도 수준으로 처리하는 경우 뿌리의 신장의 급격히 억제되는 효과를 나타내었으며 자엽이 펼쳐지지 않고 자엽 말단에 백화현상이 두드러지게 나타났고 RP-6-B를 500 μM 농도 수준으로 처리하는 경우 발근이 전혀 이루어지지 않는 경우가 많았으며 1000 μM 농도 수준에서는 발아가 전혀 이루어지지 않았다. RP-7-A와 RP-7-F의 경우 뿌리의 신장이 급격히 감소하여 발아가 억제되었고 1000 μM 농도 수준에서는 발아가 전혀 이루어지지 않는 특성을 나타내었다. RP-6-A, RP-7-B 및 RP-7-C의 처리는 강피 종자의 모든 종자 발아 특성 요소에 유의한 억제 활성을 보였으며 RP-6-A의 경우 특히 평균발아시간 (MGT)에 영향을 미치는 것으로 확인되었고 RP-7-B는 모든 농도에서 종자 발아 특성 중 최종발아율 (FGP)과 평균발아시간 (MGT)을 주로 저해하는 특성을 나타내었다. 또한 RP-7-C는 최종발아율 (FGP), 평균발아시간 (MGT) 및 발아속도 (Gs)를 저해하는 특성을 나타내었다.
포장 allelopathy 능력에 대한 RILs을 활용한 QTL-Seq 분석을 진행한 결과, 염색체 4번과 8번에서 각각 2개의 후보 QTL 영역과 염색체 7번과 9번에서 각각 1개의 후보 QTL 영역을 선별하였다. 또한 상추종자를 활용한 기내 알레로파시 능력에 대한 QTL분석결과 염색체 3번과 6번에서 후보 QTL 영역이 동정되었다.
□ 연구결과의 활용계획
▷ Allelochemicals을 이용한 제초제도 일종의 생물농약이라 할 수 있으므로 살충제와 살균제에 국한된 생물농약을 보완할 수 있는 또 다른 분야의 생물농약의 개발이 기대.
▷ 화학제초제 무사용 혹은 사용량 경감으로 제초제 사용으로 야기되는 오염물질 처리비용절감.
▷ 농촌 인구의 고령화 및 공동화로 인해 수작업에 의한 잡초 제거 문제를 해결해 주리라고 기대.
▷ 기존의 농약이 갖는 잔류성과 독성을 해결하여 벼의 부산물을 사료로서 활용할 때 발생하는 가축에 대한 농약의 피해를 최소화.
▷ 환경오염이 적고 인축에 해가 없는 allelochemicals 함유 품종을 잡초방제에 직접 이용하여 제초제의 사용량을 줄일 수 있으며, 농업인구의 감소와 노령화, 부녀화로 농촌의 노동력 부족과 임금의 상승으로 인하여 노동의 경합이 적고, 노동력의 수요가 적으며 효율적인 생태적 잡초방제.
▷ 탐색된 QTL에 대하여 마커를 제작하고 마커를 이용한 여교배를 진행하여 allelopathy 형질을 가지고 있는 신품종을 육성.
(출처 : 한글요약문 4p)
□ Purpose& contents
Allelopathy defined as harmful substance secreted from the organs of plant on another plant has mainly been researched in botanical aspect. Recently, the active researches that apply secondary metabolite by plant involved in this mechanism to crop. The ecological weed control
□ Purpose& contents
Allelopathy defined as harmful substance secreted from the organs of plant on another plant has mainly been researched in botanical aspect. Recently, the active researches that apply secondary metabolite by plant involved in this mechanism to crop. The ecological weed control method by the crop cultivar having weeding activity of weed control methods with allelopathy has been evaluated as more decrease of labor power and more affinity for environment than already used method. The objective of this study is to evaluate the possibility as a natural herbicide with plant-plant interaction through the separation, identification and characterization on Echinochloa crus-galli species to screen on gene and genetic mechanism on selected herbicidal active variety with QTL analysis for the allelopathy trait from a japoinca type rice and developing linked DNA makers with the allelopathy trait to utilize the markers in developing elite japoinca rice varieties showing the alleopathy trait.
(1) Isolation and identification pre-investigation on candidate compound with herbicidal activity: Prior to isolation of active compound that selected varieties with herbicidal activity contain, investigate physicochemical property of isolated and identified compound after examining chemical property of crude extract as preliminary test.
(2) Isolation and identification of candidate compound with herbicidal activity: Using crude extract from herbicidal variety, ① examine its chemical property by treating pH, heat, organic solvent, and resin, ② investigate physicochemical property such as solubility, Rf value, and color reaction of isolated and identified compound through column, ③ interpret molecular structure of the compound using UV, IR, NMR, and MS, and ④ use HPLC for quantitation and purity verification.
(3) ① Toxicity test on human beings and environment of isolated and purified compound, ② selection of candidate herbicidal compound for rice cultivation using allelopathy, and ③ patent application & technology transfer.
(4) Gene searching related to herbicidal property: Using mapping population (RILs) for the allelopathy, detecting the candidate region and developing DNA markers
□ Result
Using UV, IR, NMR, MS, and chromatography data, 14 new compounds with potential of natural herbicide were isolated and identified from rice (Oryza sativa L.) leaves. These 14 compounds (RP-4, RP-5-A, RP-5-B, RP-6-A, RP-6-B, RP-7-A, RP-7-B, RP-7-C, RP-7-D, RP-7-E, RP-7-F, RP-8-A, RP-8-B, RP-8-C) were examined about toxicity on human beings and herbicidal effect.
In order to verify harmlessness of the isolated and identified compounds to human being, cytotoxicity test were performed on Raw 264.7 cells. As a results, RP-6-A, RP-6-B, RP-7-B, RP-7-C, RP-7-F, RP-8-B and RP-8-C were confirmed as nontoxic and effective allelopathic compounds. On the other hand, cytotoxicity increased significantly with increasing the concentration of compounds RP-7-D, RP-7-E and RP-8-A compared to that of the control group.
These isolated chemical constituents were evaluated for their allelopathic potential on the germination and seedling growth characteristics such as seedling length and root length of barnyard grass (Echinoloa crus-galli Beauv. var. oryzicola Ohwi) and pigweed (Chenopodium album L.) as a potential natural source of herbicide for weed control in germination condition. On pigweed seed germination test, RP-7-F and RP-8-B showed insignificant effect on FGP and tendency to reduce MGT and Gs somewhat. RP-5-B at the level of 1000 μM repressed the root elongation dramatically, inhibited the cotyledon to be unroll, and induced chlorosis on the cotyledon tip. RP-6-B at the level of 500 μM inhibited rooting completely, even it suppressed germination absolutely at 1000 μM level. RP-7-A and RP-7-F reduced root elongation and repressed germination, even the seeds were not germinated at the level of 1000 μM. Significant inhibitory activity on barnyard grass was exhibited by RP-6-A, RP-7-B and RP-7-C on all of seed germination characteristics. In RP-6-A, most affected to mean germination time (MGT), RP-7-B inhibited final germination percentage (FGP) and mean germination time (MGT) among seed germination characteristics on in all concentrations. Also, RP-7-C major inhibited final germination percentage (FGP), mean germination time (MGT) and germination speed (Gs).
As a result of the QTL-seq analysis about the field screening with RILs, two candidate QTL regions were detected on chromosome 4 and chromosome 8 respectively and one candidate QTL region was identified on chromosome 7 and chromosome 9 respectively. Moreover, the result of QTL analysis about the laboratory using lettuce was founded candidate QTL region on chromosome 3 and chromosome 6.
□ Expected Contribution
We anticipate that
① development of new bioherbicide kinds of biological agents using allelochemicals,
② reduction of contaminant disposal cost by using less or no chemical herbicide,
③ reduction of manual labor for weed control,
④ minimization of damage to livestock derived from residual and toxic existing herbicides,
⑤ reduction of the amount of herbicide usage by using directly variety containing allelochemicals which are harmless to humans, animals, and environment,
⑥ labor-saving and efficient ecofriendly weed control,
⑦ DNA markers for the identified QTL will be developed and the marker will be used in marker assisted backcrossing for developing new variety showing allelopathy trait.
(출처 : SUMMARY 5p)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
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총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
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연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
기대효과(Effect) : | - |
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