Serratia plymuthica A21-4는 양파(Allitum fistulosum L.) 근권에서 분리된 고추 역병 생물적 방제 미생물이다. 토양 환경이 S. plymuthica A2l-4 근권정착에 미치는 영향을 알아본 결과 사질이 많이 포함되어 공극이 많은토양에 3% 중량(w/w)의 부숙된 옥수수 줄기를 첨가하고 토양 수분함양이 40% 정도, 토양온도가 $20^{\circ}C$, 토양 pH가 중성이거나 약산성 토양이 S. plymuthica A2l-4의 근권정착에 유리하였다. 그리고 토착미생물이 있는 것이 살균한 토양에서 보다 S. plymuthica A21-4의 근권정착에 유리하였다.
여러 산업현장에서 배출되는 중금속은 독성이 없는 상태로 분해되거나 안정화되지 않고, 먹이사슬을 따라 생물의 체내에 고농도로 축적되어 여러 가지 병을 유발하는 문제점을 가지고 있는 오염물질이다. 이러한 중금속으로 오염된 토양을 정화하기 위하여 식물을 이용한 친환경적이며 경제적인 식물상 복원 기법이 주목 받고 있으며, 그 효율을 증대시키기 위한 방법 중 하나로 식물과 근권미생물 간의 상리공생적 상호관계에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 중금속으로 오염된 토양에서 식물과 식물의 근권에서 서식하는 근권세균 사이의 상호 기작에 관한 기존 연구 결과 및 동향에 대하여 알아보았다. 식물의 뿌리에 의해 형성되는 근권의 물리 화학적, 생물학적 특성은 근권세균의 생물량 및 활성, 군집구조에 직 간접적인 영향을 미친다. 뿌리삼출물은 미생물에게 유용한 탄소원과 성장인자로 제공됨으로써 토양 내 서식하고 있는 근권세균의 성장과 대사를 촉진하는 역할을 한다. PGPR은 식물뿌리성장을 억제하는 ethylene의 전구체인 ACC를 제거하는 ACC deaminase활성, 식물성 호르몬인 LAA생성 능력, 철 공급체인 Siderophore합성 능력을 모두 가지고 있을 뿐만 아니라 토양 속 인을 식물이 이용할 수 있도록 가용화 시키는 능력까지 가지고 있는 것으로 나타났다. 이러한 PGPR은 높은 농도의 중금속으로 오염된 토양에서 식물이 보다 잘 성장하고 서식할 수 있도록 도와준다. 따라서 이들 PGPR을 식물상 복원에 적용할 경우, 중금속의 높은 정화 효과를 기대할 수 있다
두 종의 Bacillus와 한 종의 Pseudomonas로 구성된 컨소시엄 미생물제제를 고추 경작지에 첨가하였을 때 경작지 토양의 미생물 다양성 변화를 조사하기 위해 건전한 토양의 지표가 되는 질소순환관여 미생물과 근권토양 내 섬유소 분해기능, 인산가용화기능과 urea 가수분해기능을 가지는 기능성미생물의 활성과 밀도를 측정하였다. 고추 경작지 토양에 컨소시엄 PGPR 미생물인 B. subtilis AH18, B. licheniformis K11과 P. fluorescens 2112의 컨소시엄 미생물제제를 처리하여 토양미생물의 다양성에 변화를 측정하여 컨소시엄 미생물제제의 처리에 의한 근권토양 미생물의 다양성 변화와 고추의 생육에 미치는 영향을 분석하였다. 컨소시엄 미생물제제 처리구의 경우 Actinomyces spp., Trichoderma spp., 광합성세균과 Azotobacter spp.가 다른 처리구에 비하여 1.7-5배 이상 높았으며, 질소 순환에 관여하는 미생물은 1.4-4배 증가되었다. 또한 기능성 미생물의 다양성도 화학제제나 물처리구와 비교하였을 때 1.3-3배 증가하였다. 건고추 수확량은 컨소시엄 미생물제제를 처리하였을 경우 대조구나 화학제제를 처리하였을 때보다 15%이상 수확량이 증대되었다. 따라서 PGPR 컨소시엄 미생물제제의 처리로 인해 고추 경작지 토양의 근권미생물 다양성과 작물의 생산성에 긍정적인 영향을 주는 것으로 생각된다. 추후 메타지노믹스를 활용하여 미생물 다양성 변화를 추가적으로 확인할 예정이다.
유채 근권으로 부터 분리된 고활성 근권균 Burkholderia pyrrocinia 13-1는 유채의 생육을 촉진 시키며 특히 저온조건에서의 식물 생육이 우수하다. 이 균주의 유채 처리는 저온조건에서 뿌리의 발근을 좋게 하며 지상부 생육도 다른 대조 균주처리 보다 우수하다. 근권미생물이 가지는 유용 기능 중 식물의 영양 흡수와 병 저항성에 관여하는 시드로포어의 생성, 항균활성과 토양 중 불용화 인산인 칼슘포스페이트를 가용화시켜 식물의 흡수를 돕는 용해 능력이 우수하였다. 이와 같은 특성은 식물의 생육을 촉진시키는 근권세균의 활성기작으로 식물생육 촉진용으로 유채재배에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
양파 근권미생물은 양파 뿌리를 균원시료로 하여 약 250여종의 근권미생물을 순수 분리하였고 이들 중에서 길항미생물은 무름병균인 Erwinia carotovora subsp. carotovora와 시들음병균인 Fuarium oxysporium에 각각 서로 대치 배양하여 두 병원균 모두에 가장 강한 길항 효과를 나타내는 YJ-4 균주를 최종 선발하였다. 선발균주 YJ-4는 Bergey's mannual of systematic bacteriology 방법에 따라 조사하여 Bacillus 속으로 판정하였고, 세포벽 지방산을 분석하여 동정하는 Sherlock system에 의해 Bacillus ehimensis와 0.778의 유의성을 확인하였으며, 165 rDNA의 부분 염기서열(609bp)로 Bacillus ehimensis와 98.36%의 높은 유사도를 보여 길항균 YJ-4는 Bacillus ehimensis로 동정하였다. B. ehimensis YJ-4로 명명한길항균은 세균인 무름병균 (Erwinia carotovora subsp. carotovora)과 세균썩음병균 (Pseudomonas sp.)에도 길항력을 나타내었고, 진균인 잘록병균 (Rhizoctonia solani), 잎마름병균 (Stemphylium botryosum), 검은무의병균 (Alternaria porri), 검은점잎마름병균 (Septoria sp.), 잿빛곰팡이병균 (Botrytis cinerea), 흑색썩음균핵병균 (Sclerotium cepivotum), 시들음병균 (Fusarium oxysporium), 푸른곰팡이병균 (Penicillium sp.)등에도 길항 효과를 나타내었다. 특히 시들음병균인 F. oxysporium에 생육억제환의 길이가 24.8mm로 가장 높은 길항력을 나타내었다.
본 연구에서는 가지과 작물의 근권에서 유용한 균주를 분리하고 근권ㆍ길항ㆍ생육촉진미생물을 선별ㆍ제제화하고 상토에 첨가하여 미생물제제 혼입 상토를 제조한 후 고추 플러그묘의 초기 생장에 미치는 영향을 조사하였다. 근권미생물로는 가지과 작물의 뿌리 및 재배 토양 등 385점의 균원시료로부터 540여점을 분리한 후, 가지과 작물에 공통적으로 발생되는 Alternaria solani, Botrytis cinerea, Fusarium oxysporium, Phytophthora capsici, Sclerotinia sclerotiorum 등의 병원균에 높은 길항력을 가진 미생물 20여종을 선발하고, 이들 길항미생물 중에서 고추의 초기 생육을 촉진시키는 MJ-3균주를 최종 선발하였다. 근권ㆍ길항ㆍ생육촉진미생물인 분리주 MJ-3은 Bergey's manual of systematic bacteriology의 방법과 16S rDNA sequence법 등으로 조사하여 Bacillus amyloliquefaciens동정하였다. 제제화한 B. amyloliquefaciens를 상토에 첨하여 미생물 혼입 상토를 제조하였고, 이를 이용하여 재배한 고추 플러그 묘는 초장과 경경, 뿌리길이, 생체중량 등이 모두 대조구에 비해 소량 증가되었으나, 특히 뿌리의 생체중량이 대조구가 0.61g/plant인데 비해 시험구는 0.88g/plant로 44.3% 증가하였다. 미생물제제 첨가 상토에서 재배한 고추의 gib-berellin (GA$_1$) 함량은 0.559ng/g(건조중량)이었다.
경북포항지역의 해안사구지역에서 서식하는 11종의 해안사구 식물의 근권으로부터 1,330균주의 근권세균들을 분리하였다. 이들 분리된 근권세균등 중에서 9종의 주요 식물병원성 진균인 Phytophthora capsici, Fusarium oxysporum, Corynespora casriicola, Colletotrichum acutatum, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani AG-1(IA), Pythium ultimum, Rhizoctonia solani AG-1(IB)에 대하여 넓은 항진균성 스펙트럼을 가지고 동시에 생장촉진호로몬 옥신을 생산하는 23균주의 근권세균을 선발하였다. 1차 선발된 23균주의 옥신 생산성 사구식물근권세균들에서 19균주가 항진균성 siderophore를, 4균주가 항진균성 cellulase를 생산할 수 있었으며, 17균주는 불용성 인산염을 분해할 수 있었다. 또, 23균주의 선발된 사구식물생장 촉진 근권세균들은 16S rDNA 염기서열 조사와 Bergey's manual에 의하여 99%이상의 상동성을가지는 7균주의 Bacillus sp.균주들과 15균주 Pseudomonas sp.균주들로 동정할 수 있었다. 한편, 이들 중 다기능 사구식물생장촉진 근권세균인 Pseudomonas fluorescens IB4-14는 고염, 건조와 같은 환경스트레스에 저항성을 가질 수 있게 하는 ACC deaminase를 생산하므로써 식물생장촉진은 물론이고, 환경스트레스 저항성 기작을 가지는 다중기능 균주이었다. 또한, 선발된 옥신생산성 다기능 균주인 P. fluorescens IB4-14는 사구식물인 갯까치수영의 종자발아능과 뿌리생장촉진능에서 우수한 생육촉진능을 발휘함을 확인하였으므로 사구식물 복원에 사용할 미생물제제의 구성균주로 선발되었다고 생각한다.
골프장의 한국 잔디에서 Rhizoctonia solani AG2-2에 의해 발생되는 large patch의 근권토양과 건전 잔디의 근귄 토양 샘플을 hole cutter (diameter $10\;cm\;{\times}\;8\;cm$ deep)을 이용하여 샘플을 채취하여 무기성분과 미생물을 조사하였다. Large patch와 건전 잔디의 분산분석 결과 $NO_3$-N(P=0.05), NH4-N(P=0.1) 및 K(P=0.1) 함량에서 중요한 유의차이를 보였다. Large patch가 발생한 토양에 $NO_3$-N 함량은 9.49 mg/kg로 건전한 잔디의 토양 7.02 mg/kg 보다 높았다. 반면, $NH_4$-N의 함량은 large patch 발생한 토양이 12.02 mg/kg으로 건전한 잔디의 근권 토양 14.40 mg/kg 보다 높았다. K 함량은 large patch 토양이 건전한 잔디의 토양보다 낮았다. 근권 토양의 미생물 집락 수를 조사하여 분산 분석한 결과 Pseudomonas spp 집락 수에서 중요한 유의차이(P=0.05)를 보였다. Large patch가 발생한 토양에 미생물의 집락 수가 건전한 잔디의 토양에 비하여 낮았다. 이들 결과는 근권 토양에 과다한 $NO_3$-N, $NH_4$-N 및 K 함량과 토양미생물의 밀도는 large patch 발병과 관련 이 있을 수 있다고 사료된다.
근권은 식물 뿌리와 토양 미생물이 서로의 신호를 주고 받으며 끊임없이 상호반응하는 역동적인 장소이다. 근권 주위에서 식물의 생장과 생산성에 유익한 토양 미생물을 식물생장촉진근권미생물(Plant Growth Promoting Rhizobacteria, PGPR)이라 칭하며, 이 PGPR은 식물 전 생장기간동안 생물학적 및 비생물학적 스트레스에 대한 저항성, 식물 호르몬 조절, 영양분의 흡수와 이용 등에 영향을 끼침으로써 식물의 생장과 발달, 면역, 생산력 등 중요한 생명 과정에 관여한다. 그리고, PGPR은 식물 생장을 유도하는 2차 대사산물이나 휘발성 유기 화합물을 생산하고, 식물의 뿌리 역시 식물 유해한 인자 혹은 병원성 인자에 대항하여 자신을 보호하거나 토양 성질 개선을 위해, PGPR을 유인하고 정착시키기 위한 물질을 생산, 분비한다. 그러므로, 식물과 PGPR 사이의 상호작용은 필수적이면서도 상호의존적이다. 현재까지, PGPR에 대한 많은 연구는 직간접적 개념에 대하여 공통적 또는 다양한 조건들에서 여러 방식으로 PGPR의 기능을 밝히는 방향으로 전개되어 왔다. 본 총설에서는 세포분열과 팽창, 분화에 의한 식물의 생장과 발달의 촉진, 식물생장조절인자와 호르몬의 유도, 영양물질의 고정, 용해, 무기화를 촉진하기 위한 PGPR의 역할과 전략을 소개하였다. 또한 PGPR와 토양 미생물군의 효과에 대한 현재까지의 연구 정보를 요약하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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