바이오산업동향

- 생명硏 연구진, 뿌리 유익균이 식물냄새로 이웃 식물뿌리의 유익균 조절 기전 규명
- 향후 유익균의 조절을 통한 안전한 작물 생산 기술 개발에 활용 기대
 



<한국생명공학연구원 류충민 박사>


코로나19로 집콕 생활하는 사람들이 늘면서 애완 식물에 대한 관심을 가진 사람들이 늘고 있다. 국내연구진이 식물간에 직접적인 접촉 없이 잎에서 잎으로 냄새를 통해서 뿌리에 있는 미생물의 종류를 선별한다는 결과를 세계 최초로 발표하였다. 기존 식물 유익균을 하나의 식물 뿌리에 처리하면 유익균에 의해서 식물병이 잘 발생하지 않는 것은 보고되었지만, 바로 옆에 있는 식물에게 어떤 영향을 끼치는 것은 최초로 보고한 것이다.

즉, 미생물(유익균)에 의해 영향을 받은 식물이 냄새(기체 성분의 휘발성 물질)로 타 식물에 영향을 미치고, 이러한 냄새에 영향을 받은 다른 식물의 면역이 증가하는 방향으로 변화하는 것을 규명한 것이다. 향후 이를 이용한 광범위한 식물 건강 증진 기술 개발에 기여할 것으로 기대되고 있다.

한국생명공학연구원(이하 생명연) 감염병연구센터 류충민 박사팀(교신저자: 류충민 박사, 제1저자: 공현기 박사)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국생명공학연구원 주요사업과 농촌진흥청 우장춘프로젝트 지원으로 수행되었고, 미생물 생태학 분야의 저널인 국제미생물생태학지(ISME Journal, IF 9.1) 9월 24일자 온라인 판(2021년 1월호 게재 예정)에 게재되었다.
(논문명 : Achieving similar root microbiota composition in neighbouring plants through airborne signalling)

식물생장촉진세균(Plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR)은 현재 농약을 대체하여 식물병을 방제하기 위한 수단으로 많이 사용된다.

현재 전 세계적으로 농약 사용량을 줄이려는 시도를 하고 있지만 효과적인 유익균을 찾지 못하고 있다. 특히 이들 유익균이 기존의 식물 주위에 있는 미생물과 식물에 어떤 영향을 끼치는 것에 대해서는 연구가 잘 되어 있지 않았다.

본 연구에서는 유익균을 처리한 후 식물과 식물뿌리 주위의 미생물 종류를 비교 분석하였다. 식물뿌리는 식물이 광합성으로 만든 산물의 30%가량을 분비하여 미생물들에게는 중요한 영양분을 제공해 주는 중요한 장소이다. 물론 병원성 미생물들도 많이 증식하여 병이 발생하는 장소이기도 하다.

그래서 뿌리에 발생하는 병을 방제하기 위하여 뿌리 유익균을 이용이 중요하며, 농약을 흙에 뿌렸을 때 흙입자에 흡착되어 뿌리 아래까지 도달하지 못하기 때문에 유익균의 역할이 더욱 중요하다.

연구팀은 이전 연구에서, 식물병 발생 시 식물의 휘발성물질에 의해서 주위에 있는 식물에게 신호를 전달한다는 것을 발표한 바 있다. 여기에 착안하여 유익균을 토마토 뿌리에 뿌린 후에 바로 옆에 있는 유익균을 처리하지 않은 토마토 식물을 관찰한 결과, 유익균을 처리하지 않은 식물에서도 생육의 증대를 관찰할 수 있었다.

그래서 연구진은 유익균이 처리된 토마토 뿌리 토양과 주변의 토마토 뿌리 토양에서 미생물 군집을 분석하고, 유익균이 처리되었을 때 토마토 식물에서 특별하게 만들어지는 휘발성 물질을 분석하였다. 그 결과 토마토 뿌리 주위에 있는 미생물의 종류가 유익균을 처리한 미생물의 종류와 비슷하게 바뀌는 것을 발견하였다.

이후 휘발성 물질 분석을 통해서, 베타 카이로파일렌이라는 냄새물질이 유익균을 처리한 토마토에서 옆에 있는 토마토로 공기를 통해 전달되어 냄새물질을 받은 식물의 뿌리에서 살리실산이라는 물질이 만들어 진다. 이 살리실산은 식물이 스트레스를 받았을 때 생산되는 물질이다.

그 결과 뿌리에서 말들어진 살리실산에 의해서 냄새 물질을 전달받은 식물의 미생물 다양성이 변화게 되어, 유익균을 뿌린 토마토 뿌리와 비슷한 미생물 종류를 만들게 되는 것이다.

연구책임자인 류충민 박사는 “해당 연구를 통해 식물간에 공기중으로 냄새를 통해서 식물에게 유리한 미생물을 선별하여 자연계에서 다양한 스트레스를 견디는데 도움을 주는 매커니즘을 최초로 규명했다”며, “향후 유익균과 휘발성물질을 이용하여 뿌리의 미생물을 조절하는 기술로, 건강한 식물을 만들 수 있는 기술 개발에 활용이 기대된다”고 말했다.

 

연   구   결   과   개   요

□ 연구배경

 ○ 식물이 생성하는 휘발성 물질의 종류와 기능은 무엇인가?

  - 휘발성 유기 화합물 (VOCs)은 많은 식물 간 신호 시스템 중 하나이다. 그들의 확산성을 감안할 때 VOC는 식물의 상태를 인접하고 먼 식물에 전달하는 중요한 신호 분자 역할을 한다. 식물 VOC는 해충 및 병원체 공격과 같은 생물적 스트레스와 환경 변동으로 인한 비생물적 스트레스에 반응하여 방출된다. 손상된 식물에서 방출되는 신호는 "식물 간 통신"을 유발하여 인근 식물의 방어 및 병원균에 대한 내성을 유도한다. C6 지방산, 이소프레노이드 (대부분 테르펜), 메틸살리실레이트 (MeSA) 및 인돌과 같은 휘발성 물질은 해충 유래 식물 휘발성 물질 (HIPV)로 알려져 있다. 최근 한 연구에 따르면 식물 휘발성 물질은 미생물에 의한 식물 휘발성 물질 (MIPV)과 HIPV의 유형에 따라 두 가지 범주로 나눌 수 있다고 제안했다.

  - 흥미롭게도 질소 고정 뿌리 줄기, 균근 및 식물 성장 촉진 뿌리 박테리아 (PGPR)를 포함한 식물 유익 미생물 또한 식물 휘발성 MIPV을 변경하여 식물 방어를 유도 할 수 있다.

 ○ 식물 성장 촉진 뿌리 박테리아 (PGPR)의 기능과 식물이 미생물 군집에 미치는 요인은 무엇인가?

  - PGPR은 지난 세기부터 식물 성장과 생산성을 높이기 위해 연구되어 왔다. 연구에 따르면 PGPR은 인돌 3- 아세트산, 지베렐산, JA, SA 및 사이토키닌과 같은 식물 호르몬의 생산 및 인산염 용해를 유도하는 세균 결정자를 통해 식물 성장을 촉진한다. 그러나 PGPR에 의한 식물 성장 촉진 메커니즘을 조사하는 대부분의 연구는 일반적으로 처리 된 식물의 직접적인 생리학적 반응과 식물과 박테리아 간의 상호 작용에 초점을 맞추고 있다.

  - 최근 연구에서 PGPR 인 Pseudomonas putida KT2440은 옥수수 식물에서 인돌 및 β- 카리오필렌 휘발성 물질의 생성을 유도했다. 이 연구는 PGPR이 식물 휘발성 물질의 방출과 한 식물에서 다른 식물로의 전파를 촉발함으로써 식물에서 타고난 면역 반응을 유도한다는 것을 시사한다.

  - 식물 뿌리에서 생성되는 설탕, 유기산, 2차 대사산물 및 복잡한 점액과 같은 중합체와 같은 뿌리 삼출물은 뿌리 미생물 군을 재형성하는 데 중요한 역할을 한다. 뿌리 삼출물은 환경 조건에 따라 뿌리 권의 미생물 군집을 제어하기 위해 식물이 사용하는 주요 생리학적 도구 역할을 한다. 그러나 뿌리 시스템에 생물학적 방제제 및 PGPR을 적용한 후 MIPV의 방출 및 기능이 인접 식물의 근권 미생물 군의 구성에 영향을 미치는지 여부는 알려져 있지 않다.

이 연구에서 우리는 MIPV 개념을 적용하고 한 식물에 대한 PGPR 적용이 MIPV를 통해 주변 식물의 뿌리 근권 미생물에 영향을 미친다는 가설을 세웠다. 이 가설을 확인하기 위해 메타 게놈 분석을 사용하여 모델 PGPR 인 Bacillus amyloliquefaciens GB03으로 처리 한 토마토 식물과 인접한 (공간적으로 분리 된) 토마토 식물의 근권 미생물 군을 조사했다. 우리는 β- 카리오필렌의 방출이 토마토 묘목에서 MIPV로 확인하고 SA를 이웃 식물의 중요한 뿌리 삼출물로 확인했다. 흥미롭게도 PGPR 처리 된 방사체 식물의 근권 미생물 군 다양성은 인접한 수용 식물의 그것과 매우 유사했다. 따라서 우리의 결과는 PGPR에서 파생된 MIPV가 공간적으로 먼 식물의 근권 미생물 군을 조절하는 원동력으로 작용할 수 있음을 최초로 보여준다.

□ 연구내용
○ 식물에 대한 PGPR 적용이 MIPV를 통해 주변 식물의 뿌리 근권 미생물에 영향을 미친다는 것을 증명하기 위하여 토양, 토양+PGPR, 식물, 식물+PGPR 처리구와 공간적으로 분리 된 토마토 식물의 근권 미생물 군을 유전체 분석을 통해 조사했다.
○ 식물체에 PGPR이 처리되었을 때 유익균(Alphaproteobacteria)이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 미생물 군집이 보다 균등하게 재구성 되는 것을 확인할 수 있었다.
○ 흥미롭게도 PGPR이 처리된 식물체의 주변 식물 근권 미생물 군집이 PGPR이 처리된 식물 근권 미생물 군집과 유사하게 변화됨을 확인할 수 있었다. 이는 처리된 PGPR이 식물을 유도하여 주변 식물의 생리 활성을 변화시킴을 나타낸다. 또한 각각 식물이 심겨진 토양이 공간적으로 분리되어있기 때문에 식물의 휘발성 물질을 통한 신호의 전달이 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
○ 주변 식물에 영향을 미치는 미생물 유도 식물 휘발성 물질을 확인하기 위해서 먼저 식물의 전체 휘발성 물질 지도의 완성이 필요했다. 기초과학연구원(IBS)의 심희정 박사님과의 공동연구를 통하여 수준 높은 휘발성 물질 지도를 완성했고, PGPR이 처리된 식물에서 특이적으로 나타나는 물질인 β- 카리오필렌을 선발하였고 식물에 처리하였을 때 식물의 호르몬 중의 하나인 SA의 생산을 증가하는 것을 뿌리 삼출물에서 확인하였다.
○ 뿌리 삼출물 내 SA는 식물의 군집을 조절하는 물질로 알려져 있다. 때문에 우리는 SA를 첨가하여 실제로 토양 미생물 군집이 변화하는지를 확인하였고 SA처리 시 식물 뿌리의 미생물 군집이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
○ 따라서 본 결과는 PGPR에서 파생된 MIPV가 공간적으로 먼 식물 호르몬의 생산 조절을 통하여 근권 미생물 군 유사하게 조절하는 원동력으로 작용할 수 있음을 최초로 보여준다.

□ 연구성과의 의미
▶ 식물 건강 및 관리에 대한 새로운 방안제시
○ 식물과 미생물의 전체 생물계는 최근 '홀로바이옴'으로 인식되어 오랫동안 상호 관계에 대해 연구되어 왔다. 식물 휘발성 매개 커뮤니케이션은 식물과 미생물 상호 작용에서 보편적인 신호로 작용한다. MIPV는 농업 환경에서 한 식물에서 다른 식물로 면역과 관련된 미생물 군의 전파 및 구성에 기여할 수 있다. 따라서 식물 간 휘발성 신호를 사용하여 건강한 토양 미생물 군집을 생성하면 화학 물질의 사용을 최소화하여 지속 가능한 농업의 발전을 가능하게 할 것이다. MIPV를 사용하여 자연 환경에서 근권 미생물 총을 전파 및 재구성하려면 휘발성 방출의 유효 거리, 휘발성 유기 화합물(VOC) 캡슐화 방법 및 휘발성 유기 화합물(VOC)이 다른 식물 종에 미치는 영향을 결정하는 연구가 지속적으로 이루어져야한다.


연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가

1. PGPR이 처리된 식물의 휘발성 신호 물질에 의해 주변 식물의 뿌리 미생물 군집이 유사하게 재구성됨을 세계 최초로 발견한 것.

어디에 쓸 수 있나

1. 식물의 면역 및 생육을 증대시키는데 사용가능 함.
2. 미생물의 처리 없이 휘발성 물질을 통하여 식물의 미생물을 재구성할 수 있음.
3. 식물 면역 증대 휘발성 물질의 활용 기술 개발 가능

실용화까지 필요한 시간은

휘발성 물질의 환경영향, 처리 방안 및 기술 최적화를 거쳐 대량 배양하는데 5-8년 정도의 시간이 걸릴 것으로 예상.

실용화를 위한 과제는

기기분석으로 선발된 휘발성 물질의 다양한 식물체에서의 영향 및 처리 기술의 고도화 연구가 추가적으로 필요함.

연구를 시작한 계기는

기존 PGPR처리에 의한 식물의 생육 촉진 및 면역관련 연구를 수행하던 중 주변의 식물에서 생육 증대 효과를 나타내어 식물 휘발성 물질에 의한 미생물 군집 신호 전달에 대한 아이디어를 가지게 되었음.

에피소드가 있다면

연구에 필요한 식물의 격리된 환경을 만들어 주기위해 송근철 박사가 아크릴로 손수 디자인하여 제작하거나 기존에 사용하던 유리 용기를 활용하여 연구를 수행하였다.

꼭 이루고 싶은 목표는

1. 휘발성 물질을 처리할 수 있는 획기적인 방법을 발굴하여 실재 현장에 적용할 수 있는 기술을 확립하고 싶다.
2. 보다 정밀하고 빠르게 미생물 군집을 재구성할 수 있는 다양한 휘발성 물질을 발굴하여 추가적인 식물 생장 효율 증대를 확립하고 싶다.

신진연구자를 위한 한마디

식물 또한 주변 식물과 소통하며 생존하듯이 하고 싶은 일이 있다면 혼자의 힘으로 진행하는 것 보다 늘 새로운 분야의 정보를 접하고 새로운 사람과 소통하며 가지고 있는 아이디어를 개선해 나기 위해 노력하는 것이 더 새롭고 흥미로운 결과를 가져올 것이라 생각합니다.



그림 1. PGPR처리에 따른 식물 휘발성 물질 신호 전달 분석을 위한 구성 (토양 단독(S), 토양+PGPR(SB), 토양+식물(SP), 토양+식물+PGPR(SPB).



그림 2. PGPR 처리에 따른 식물 휘발성 물질 분석



그림 3. PGPR 유도 식물 휘발성 물질에 노출된 수용체 식물의 뿌리 삼출물 분석



그림 4. 미생물 유도 식물 휘발성 물질의 신호 전달 과정 도식화