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Sesquiterpenoids Bioconversion Analysis by Wood Rot Fungi

  • Lee, Su-Yeon;Ryu, Sun-Hwa;Choi, In-Gyu;Kim, Myungkil
    • 한국균학회소식:학술대회논문집
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    • 한국균학회 2016년도 춘계학술대회 및 임시총회
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    • pp.19-20
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    • 2016
  • Sesquiterpenoids are defined as $C_{15}$ compounds derived from farnesyl pyrophosphate (FPP), and their complex structures are found in the tissue of many diverse plants (Degenhardt et al. 2009). FPP's long chain length and additional double bond enables its conversion to a huge range of mono-, di-, and tri-cyclic structures. A number of cyclic sesquiterpenes with alcohol, aldehyde, and ketone derivatives have key biological and medicinal properties (Fraga 1999). Fungi, such as the wood-rotting Polyporus brumalis, are excellent sources of pharmaceutically interesting natural products such as sesquiterpenoids. In this study, we investigated the biosynthesis of P. brumalis sesquiterpenoids on modified medium. Fungal suspensions of 11 white rot species were inoculated in modified medium containing $C_6H_{12}O_6$, $C_4H_{12}N_2O_6$, $KH_2PO_4$, $MgSO_4$, and $CaCl_2$ for 20 days. Cultivation was stopped by solvent extraction via separation of the mycelium. The metabolites were identified as follows: propionic acid (1), mevalonic acid lactone (2), ${\beta}$-eudesmane (3), and ${\beta}$-eudesmol (4), respectively (Figure 1). The main peaks of ${\beta}$-eudesmane and ${\beta}$-eudesmol, which were indicative of sesquiterpene structures, were consistently detected for 5, 7, 12, and 15 days These results demonstrated the existence of terpene metabolism in the mycelium of P. brumalis. Polyporus spp. are known to generate flavor components such as methyl 2,4-dihydroxy-3,6-dimethyl benzoate; 2-hydroxy-4-methoxy-6-methyl benzoic acid; 3-hydroxy-5-methyl phenol; and 3-methoxy-2,5-dimethyl phenol in submerged cultures (Hoffmann and Esser 1978). Drimanes of sesquiterpenes were reported as metabolites from P. arcularius and shown to exhibit antimicrobial activity against Gram-positive bacteria such as Staphylococcus aureus (Fleck et al. 1996). The main metabolites of P. brumalis, ${\beta}$-Eudesmol and ${\beta}$-eudesmane, were categorized as eudesmane-type sesquiterpene structures. The eudesmane skeleton could be biosynthesized from FPP-derived IPP, and approximately 1,000 structures have been identified in plants as essential oils. The biosynthesis of eudesmol from P. brumalis may thus be an important tool for the production of useful natural compounds as presumed from its identified potent bioactivity in plants. Essential oils comprising eudesmane-type sesquiterpenoids have been previously and extensively researched (Wu et al. 2006). ${\beta}$-Eudesmol is a well-known and important eudesmane alcohol with an anticholinergic effect in the vascular endothelium (Tsuneki et al. 2005). Additionally, recent studies demonstrated that ${\beta}$-eudesmol acts as a channel blocker for nicotinic acetylcholine receptors at the neuromuscular junction, and it can inhibit angiogenesis in vitro and in vivo by blocking the mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway (Seo et al. 2011). Variation of nutrients was conducted to determine an optimum condition for the biosynthesis of sesquiterpenes by P. brumalis. Genes encoding terpene synthases, which are crucial to the terpene synthesis pathway, generally respond to environmental factors such as pH, temperature, and available nutrients (Hoffmeister and Keller 2007, Yu and Keller 2005). Calvo et al. described the effect of major nutrients, carbon and nitrogen, on the synthesis of secondary metabolites (Calvo et al. 2002). P. brumalis did not prefer to synthesize sesquiterpenes under all growth conditions. Results of differences in metabolites observed in P. brumalis grown in PDB and modified medium highlighted the potential effect inorganic sources such as $C_4H_{12}N_2O_6$, $KH_2PO_4$, $MgSO_4$, and $CaCl_2$ on sesquiterpene synthesis. ${\beta}$-eudesmol was apparent during cultivation except for when P. brumalis was grown on $MgSO_4$-free medium. These results demonstrated that $MgSO_4$ can specifically control the biosynthesis of ${\beta}$-eudesmol. Magnesium has been reported as a cofactor that binds to sesquiterpene synthase (Agger et al. 2008). Specifically, the $Mg^{2+}$ ions bind to two conserved metal-binding motifs. These metal ions complex to the substrate pyrophosphate, thereby promoting the ionization of the leaving groups of FPP and resulting in the generation of a highly reactive allylic cation. Effect of magnesium source on the sesquiterpene biosynthesis was also identified via analysis of the concentration of total carbohydrates. Our current study offered further insight that fungal sesquiterpene biosynthesis can be controlled by nutrients. To profile the metabolites of P. brumalis, the cultures were extracted based on the growth curve. Despite metabolites produced during mycelia growth, there was difficulty in detecting significant changes in metabolite production, especially those at low concentrations. These compounds may be of interest in understanding their synthetic mechanisms in P. brumalis. The synthesis of terpene compounds began during the growth phase at day 9. Sesquiterpene synthesis occurred after growth was complete. At day 9, drimenol, farnesol, and mevalonic lactone (or mevalonic acid lactone) were identified. Mevalonic acid lactone is the precursor of the mevalonic pathway, and particularly, it is a precursor for a number of biologically important lipids, including cholesterol hormones (Buckley et al. 2002). Farnesol is the precursor of sesquiterpenoids. Drimenol compounds, bi-cyclic-sesquiterpene alcohols, can be synthesized from trans-trans farnesol via cyclization and rearrangement (Polovinka et al. 1994). They have also been identified in the basidiomycota Lentinus lepideus as secondary metabolites. After 12 days in the growth phase, ${\beta}$-elemene caryophyllene, ${\delta}$-cadiene, and eudesmane were detected with ${\beta}$-eudesmol. The data showed the synthesis of sesquiterpene hydrocarbons with bi-cyclic structures. These compounds can be synthesized from FPP by cyclization. Cyclic terpenoids are synthesized through the formation of a carbon skeleton from linear precursors by terpene cyclase, which is followed by chemical modification by oxidation, reduction, methylation, etc. Sesquiterpene cyclase is a key branch-point enzyme that catalyzes the complex intermolecular cyclization of the linear prenyl diphosphate into cyclic hydrocarbons (Toyomasu et al. 2007). After 20 days in stationary phase, the oxygenated structures eudesmol, elemol, and caryophyllene oxide were detected. Thus, after growth, sesquiterpenes were identified. Per these results, we showed that terpene metabolism in wood-rotting fungi occurs in the stationary phase. We also showed that such metabolism can be controlled by magnesium supplementation in the growth medium. In conclusion, we identified P. brumalis as a wood-rotting fungus that can produce sesquiterpenes. To mechanistically understand eudesmane-type sesquiterpene biosynthesis in P. brumalis, further research into the genes regulating the dynamics of such biosynthesis is warranted.

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포장재배(圃場栽培) 수도(水稻)의 영양진단(營養診斷) -1. 지엽분석(止葉分析)에 의(依)한 진단(診斷)- (Diagnosis of the Field-Grown Rice Plant -[1] Diagnostic Criteria by Flag Leaf Analysis-)

  • 박훈
    • Applied Biological Chemistry
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    • 제16권1호
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    • pp.18-30
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    • 1973
  • 삼요소(三要素) 단순시험(單純試驗) 포장(圃場)을 대상으로 지엽(止葉) 및 하위엽(下位葉) 분석(分析)에 의(依)한 수도(水稻)의 영양진단(營養診斷) 척도(尺度)를 찾고자 하했던 바 다음과 같은 결과(結果)를 얻었다. 1. 어떤 영양(營養)이 결핍(缺定)한 토양(土壞)의 무비구(無認區) 결핍구(缺乏區) 및 시비구(施肥區)에서 유인결핍(誘引缺乏), 염계결핍(鹽界缺乏), 잠재결핍(潛在缺乏) 치사흡수(侈奢吸收) 과잉장해(過剩障害)의 제단계(諸段階) 척도(尺度)를 추정(推定)할 수 있었다. 2. 수확기(收穫期) 지엽중(止葉中) 질소함량(窒素含量)이 1% 이하(以下)이면 유인결핍(誘引缺乏)이고 $1.0{\sim}1.2%가 염계결핍(鹽界缺乏)$1.2{\sim}1.6%이 잠재결핍(潛在缺乏)$1.6{\sim}1.9%가 만족(滿足)영역으로 치사흡수단계(侈奢吸收段階)이고 1.9 이상(以上)에서 장해(障害)를 받는다. 3. 인산(燐酸)(P_2O_5)$은 각단계(各段階)가 0.3% 이하 $0.3{\sim}0.4 $0.4{\sim}0.550.55 이상으로 나타났으며 과잉장해수준(過剩障害水準)은 알 수 없었다. 4. 규산(硅酸)$(SiO_2)$은 4%이하 $4{\sim}6 $6{\sim}11및 11이상(以上)으로 나타났다. 5. 가리(加里)$(K_2O)$는 0.5% 이하(以下) $0.5{\sim}0.9 $0.9{\sim}1.2 $1.2{\sim}1.4 및 1.4 이상(以上)의 장해(障害)영역을 보였다. 6. 지엽중(止葉中) 가리(加里)는 질소(窒素)를 수생육(穗生育)에 기여케한 결과(結果)로 지엽중(止葉中) 질소함량(窒素含量)을 낮추고 지엽중(止葉中)을 줄인다. 7. 인산(燐酸)은 Mg>Si>Mn>K의 순(順)으로 하엽(下葉)에서 지엽(止葉)으로의 이동(移動)을 촉진(促進)하고 Ca>N의 순으로 저지(沮止)하는 반면 가리(加里)는 Mn>Ca의 순으로 촉진(促進)하고 Ma>Si>N의 순(順) 으로 저지(沮止)하였다. 8. 양분전류촉진지수(養分轉流促進指數)는 $(F_2L_1-F_1L_2){\cdot}100/F_1L_1$으로 계산할 수 있는데 한 양분(養分)의 시비량(施肥量)이 타양분(他養分)의 이동(移動)에 대(對)한 영향의 지표(指標)로 적합(適合)하였다. 여기서 F 와 L 은 지엽(止葉) 및 하엽중(下葉中)의 양분농도(養分濃度)를, 2는 비료(肥料)의 시비수준(施賂水準)을 의미(意味)한다. 9. 적기재배(適期栽培)에 비(比)하여 조기재배(早期栽培)는 엽중(葉中) $SiO_2$의 함량(含量)이 하엽(下葉)보다 지엽(止葉)에서 낮아 규산(珪酸)의 흡수(吸收) 및 이동(移動)이 불량(不良)한 것으로 나타났다. 10. 가리결핍답(加里缺乏畓)에서 나타난 호마엽고병(胡麻葉枯病)은 지엽중(止葉中) 가리함량(加里含量)보다 $SiO_2$ 함량(含量)에 더 깊은 관계를 보였다11. 생육(生育)이 불량(不良)한 저수답(低收沓) 수도(水稻)의 엽위별(葉位別) 분석(分析)은 주인(主脚) 영양(營養)을 밝혀를 뿐만 아니라 $2{\sim}3$개의 기타 영양장해(營養障害)가 수반되고 있음을 나타내었다. 12. 문제지역(問遷地域)의 영양장해(營養障害)는 모두 대량원소(大量元素)가 일차적(一次的) 요인(要圍)이며 미량원소(微量元素)는 이차적(二次約)일 것으로 추정(推定)되었다.

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경사도별 3요소시용 수준이 겉뿌림 산지초지에 미치는 영향 II. 토양특성 , 목초의 무기양분함량 및 3요소 이용율의 변화 (Effects of Nitrogen , Phosphorus and Potassium Application Rates on Oversown Hilly Pasture under Different Levels of Inclination II. Changes on the properties, chemical composition, uptake and recovery of mineral nutrients in mixed grass/clover sward)

  • 정연규;이종열
    • 한국초지조사료학회지
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    • 제5권3호
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    • pp.200-206
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    • 1985
  • 유지(由地)의 경사도(傾斜度)($10^{\circ},\;20^{\circ},\;30^{\circ}$) 및 3 요소(要素)($N-P_2O_5-K_2O$)의 시용수준(施用水準)(0-0-0, 14-10-10, 28-25-25, 42-40-40kg/10a)이 겉뿌림 산지초지(山地草地)(orchardgrass, tall fescue, redtop, ladino clover 혼파(混播)의 조성(造成), 생산성(生産性), 식생(植生) 및 목초품질등(牧草品質等)에 미치는 영향(影響)을 구명(究明)하였다. 본고(本稿)에서는 토양(土壤)의 화학적(化學的) 특성(特性), 목초(牧草)의 양분함량(養分含量)과 비료(肥料)의 이용효율에 관(關)하여 검토(檢討)하였다. 1. 2년(年) 시험후(試驗后) 토양(土壤)의 화학적(化學的) 특성변화(特性變化)를 보면, 경사도(傾斜度)가 증가(增加)함에 따라서 pH, 치환성(置換性) Mg, Na함량(含量), 염기포화도(鹽基飽和度)가 낮아지고, OM, 유효$P_2O_5$함량(含量) 증가경향(增加傾向)을 보였으나, Ca함량(含量) 및 $K/\sqrt{Ca+Mg}$ 당양비(當量比) 변화(變化)는 뚜렷하지 않았다. 3. 요소(要素) 시용수준(施用水準)이 증가(增加)함에 따라서 pH, 치환성(置換性) Ca, Mg, 염기포화도(鹽基飽和度)가 낮아지고, 유효 $P_2O_5$함량(含量), 치환성(置換性) K 함량(含量), $K/\sqrt{Ca+Mg}$ 당양비(當量比)는 증가(增加)하는 경향(傾向)을 보였다. 2. 목초중(牧草中) 무기양분(無機養分)의 함량변화특성(含量變化特性)을 보면 경사도(傾斜度)가 증가(增加)함에 따라서 혼파목초중(混播牧草中) 화본과목초(禾本科牧草) 및 잡초(雜草)의 양분함량변화(養分含量變化)는 뚜렷하지 않았으나 두과목초(荳科牧草)는 급경사지(急傾斜地)에서 N, K 및 Mg 함량(含量)이 매우 낮았으며 이는 수량감소(收量減少)와 연관(聯關)된 것으로 보인다. Mg함량(含量)은 모든 초종(草種)이 기준함량(基準含量)에 크게 부족(不足)하였다. 3. 3요소수준(要素水準)이 증가(增加)함에 따라서 화본과목초(禾本科牧草)는 N, K, Na함량(含量)은 증가(增加)하고, Mg 및 Ca함량(含量)은 감소(減少)되었고, P 함량(含量)은 무비구(無肥區)보다 증가(增加)하였으나 시용수준간(施用水準間)에는 차이(差異)가 없었다. 두과목초(荳科牧草)에서는 K함량(含量)은 미약(微弱)하게 증가(增加)되었고, Mg함량(含量)은 감소(減少)되었으며, N, Ca 및 Na함량(含量)은 뚜렷한 변화(變化)가 없었다. 반면에 잡초(雜草)에서는 N함량(含量)의 미약(微弱)한 증가외(增加外)에는 변화(變化)가 뚜렷하지 않았다. 혼합목초(混合牧草)의 특성(特性)을 보면 일반적(一般的)으로 N, K 함량(含量)은 증가(增加)하고 Ca, Mg함량(含量)은 감소(減少)되며, P, Na함량변화(含量變化)는 경미(輕微)하였다. 4. 3요소(要素)의 이용율(利用率)은 경사도(傾斜度)가 증가(增加)할수록, 3요소시용수준(要素施用水準)이 증가(增加)할수록 낮아졌으며 K>N>P 순(順)으로 높았다. 3요소(要素) 혼합시비효율은 경사도(傾斜度) 및 3 요소수준(要素水準)이 증가(增加)할수록 낮아졌으나, 3요소(要素)를 혼합(混合)한 흡수시비효율은 경사도간(傾斜度間)에는 차이(差異)가 없었으나 시비수준(施肥水準)이 증가(增加)함에 따라서 다소 감소(減少)되는 경향(傾向)을 보였다.

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광물탄산화 공정 이후 발생하는 잔사슬래그의 수계 내 비소 제거 기작 (Arsenic Removal Mechanism of the Residual Slag Generated after the Mineral Carbonation Process in Aqueous System)

  • 김경태;일함 압둘 라티에프;김단우;김선희;이민희
    • 자원환경지질
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    • 제55권4호
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    • pp.377-388
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    • 2022
  • 제강슬래그를 이용한 광물탄산화 공정 이후 발생하는 잔사슬래그의 비소(As) 제거 기작 규명을 위해, 전로제강슬래그(blast oxygen furnace slag: BOF)에 직접 및 간접탄산화 공정이 각각 적용된 두 종류의 잔사슬래그를 대상으로 실험실 규모의 실험을 실시하였다. 광물탄산화 공정은 잔사슬래그의 화학적-광물학적 조성변화, 용출수의 pH 저감, 표면 미세공극 형성 등 기존 제강슬래그의 특성을 변화시키는 것으로 밝혀졌다. 다양한 pH 범위의 As 인공오염수(초기농도: 203.6 mg/L)에 잔사슬래그를 반응시킨 배치실험에서, RDBOF (직접탄산화 후 BOF)는 초기 pH가 감소할수록 As 제거효율이 증가하는 경향을 보이며 초기 pH가 1인 환경에서 99.3%의 As 제거효율을 나타냈다. 이는 RDBOF 표면을 피복하던 CaCO3가 낮은 초기 pH 환경에서 용해되어 RDBOF 표면에서 철산화물의 노출 면적을 증가시킴으로 인해, 철산화물의 As 음이온 표면 흡착을 촉진한 것에서 기인한 것으로 판단되었다. 반면 RIBOF (간접탄산화 후 BOF)는 초기 pH가 높은 환경일수록 As 제거효율이 증가하며 초기 pH 10의 As 오염수에서 70.0%의 가장 높은 As 제거효율을 보였다. RIBOF의 영전하점(pH 4.5)을 고려할 때, 초기 pH 4-10 조건에서 음전하를 띠는 RIBOF의 표면에 As 음이온의 전기적 인력에 의한 표면 흡착은 발생하기 어려울 것으로 예상되었다. 다만 수용액 내 용존하는 Ca2+, Mn2+, Fe2+와 같은 2가 양이온들에 의해 As 음이온이 RIBOF 내 철산화물에 간접적으로 고정되는 양이온 가교효과(cation bridge effect)가 발생하였고, 초기 pH가 높은 환경일수록 슬래그 표면이 더 강한 음전하를 띠며 양이온 가교효과가 가속화되어, 결과적으로 많은 As가 흡착된 것으로 판단되었다. 하지만 강알칼리 (pH 10-11 이상) 조건에서는 RIBOF 표면에 생성된 칼슘침전물이 철산화물을 피복함으로써 철산화물에 의한 As 음이온 표면 흡착을 저해하는 현상이 발생하였다. 또한 배치실험 이후 회수된 잔사슬래그에 TCLP 시험을 수행한 결과, RDBOF와 RIBOF 모두 2% 미만의 As 탈착률을 보여 안정적인 형태로 As가 고정되어 있음이 확인되었다. 본 연구 결과를 통해, 잔사슬래그가 기존에 As 제거제로 활용되던 제강슬래그의 단점인 수계의 급격한 pH 상승을 억제하는 동시에, 높은 As 제거효율 및 안정성을 나타내는 저비용-친환경의 As 제거제로서의 활용 가능성을 입증하였다.