KR101829737B1 - Composition for enhancing salt stress tolerance of plant comprising phenol-based polymer as effective component and uses thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 페놀계 중합체를 유효성분으로 함유하는 식물의 염 스트레스 내성 증진용 조성물 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for enhancing a salt stress tolerance of a plant containing a phenolic polymer as an active ingredient, and a use thereof.
환경 스트레스는 식물의 성장을 저해하고 농업 분야에서 수확물의 생산성을 제한하는 요소로서 수분(건조) 스트레스, 저온 스트레스, 염 스트레스 등이 있다. 고염에 노출된 식물은 세포 내 Na+이온의 축척으로 인한 세포 내 이온농도의 불균형(ionic imbalance)과 삼투압의 불균형(osmotic imbalance)이 일어나게 되며, 이와 함께 영양장해, 대사장해, 광합성 장해 등이 일어나게 된다. Environmental stresses include moisture (dry) stress, cold stress, and salt stress, which impede plant growth and limit the productivity of crops in the agricultural sector. Plants that are exposed to high salt will undergo ionic imbalance and osmotic imbalance due to the accumulation of intracellular Na + ions, resulting in nutritional disorders, metabolic disorders, and photosynthetic disorders do.
환경 스트레스에 대한 식물의 적응능력은 농업생산성과 직결되기 때문에, 이에 대한 연구는 인간이 농경생활을 시작하면서부터 꾸준히 관심을 가져온 중요한 연구주제이다. 식물이 생산할 수 있는 총 생산량을 100%로 보았을 때, 실제 생산량은 21%에 불과하며, 그 중 대부분은 가뭄, 냉해, 염해 등을 비롯한 환경 스트레스에 의하여 손실되게 되며 이는 작물총생산량의 약 69%에 달한다. 이 중 고염 스트레스에 영향을 받는 지역은 전 세계 농경지 면적 중 20%에 달하며, 물을 필요로 하는 관계농업면적의 약 40% 이상이 염류에 영향을 받고 있다. 따라서 식물 환경 스트레스 저항성 및 염류저항성 관련 핵심물질 확보를 통하여 이러한 손실을 단 1%만 줄일 수 있다고 하더라도 미래 인류가 당면할 식량문제를 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.Since the ability of plants to adapt to environmental stress is directly linked to agricultural productivity, research on this subject is an important research topic that has been steadily attracting attention since the beginning of human life. When the total production of plants is taken as 100%, the actual production is only 21%, most of which is lost due to environmental stresses such as drought, cold weather and salt, which accounts for about 69% Respectively. Of these, 20% of the world's agricultural land area is affected by high salt stress and about 40% of the agricultural area requiring water is affected by salt. Therefore, it is anticipated that by securing key substances related to plant environmental stress and salt resistance, even if only 1% of this loss can be reduced, the future food problems of the future humanity can be drastically improved.
한편, 한국등록특허 제1050251호에는 락카아제와 천연 저분자 페놀 물질의 친환경 고분자화를 통한 중합체성 염료의 합성 방법에 대해 개시하고 있으며, 한국등록특허 제1648558호에는 식물체의 염 또는 건조 스트레스 저항성 관련 유전자 및 형질전환 식물체에 대해 개시하고 있다. 하지만, 본 발명의 페놀계 중합체를 유효성분으로 함유하는 식물의 염 스트레스 내성 증진용 조성물 및 이의 용도에 대해 아직까지 개시된 바가 없다.Korean Patent No. 1050251 discloses a method for synthesizing polymeric dyes through environmental polymerisation of lacquer and natural low molecular weight phenol materials. Korean Patent No. 1648558 discloses a method for producing a salt or a dry stress resistance related gene And transgenic plants. However, the composition for enhancing the salt stress tolerance of a plant containing the phenolic polymer of the present invention as an active ingredient and its use have not yet been disclosed.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명에서는 카테콜(catechol) 동종중합체(homopolymer), 바닐릭산(vanillic acid) 동종중합체 및 카테콜과 바닐릭산의 공중합체를 제조하여 NaCl(sodium chloride)과 함께 식물에 처리하였을 때, NaCl 처리를 통해 현저하게 감소된 식물체의 생장을 증진시키고, 식물의 클로로필 함량을 증가시킬 뿐만 아니라 카테콜과 바닐릭산의 공중합체를 처리한 경우, 양성대조군인 휴믹산과 유사한 효과를 나타내는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned needs, and it is an object of the present invention to provide a catechol homopolymer, a vanillic acid homopolymer and a copolymer of catechol and vanillic acid, chloride, the treatment of plants with NaCl treatment promotes significantly reduced plant growth and increases the chlorophyll content of plants, as well as the treatment of catechol and vanillic acid copolymers, as a positive control The present inventors have completed the present invention by confirming that they exhibit similar effects to humic acid.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 카테콜(catechol) 동종중합체(homopolymer), 바닐릭산(vanillic acid) 동종중합체 및 카테콜과 바닐릭산의 공중합체(copolymer)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 중합체를 유효성분으로 함유하는 식물의 염 스트레스 내성 증진용 조성물을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention relates to a catechol homopolymer, a vanillic acid homopolymer, and at least one polymer selected from the group consisting of a copolymer of catechol and vanillic acid, A composition for promoting salt stress tolerance of a plant containing as an active ingredient.
또한, 본 발명은 상기 식물의 염 스트레스 내성 증진용 조성물을 식물, 식물의 종자 또는 식물 식재 토양에 처리하는 단계를 포함하는 식물의 염 스트레스에 대한 내성을 증진시키는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for enhancing tolerance to salt stress in a plant, which comprises treating the plant with a plant, a plant seed or a plant cultivated soil to improve the salt stress tolerance of the plant.
본 발명의 식물의 염 스트레스 내성 증진용 조성물은 식물의 염 스트레스 내성을 증진시키는 효과가 우수하여 토양에서 발아 또는 재배되는 식물에 염 저항성을 부여할 수 있으므로, 고염 지역 및 해안 지역의 식물에 유용하게 활용될 수 있다.The salt stress tolerance enhancing composition of the present invention is excellent for enhancing the salt stress tolerance of plants, so that it can impart salt resistance to plants germinated or cultivated in the soil. Therefore, it is useful for plants in high salt and coastal areas Can be utilized.
도 1은 애기장대를 모델 식물로 하여 본 발명의 카테콜(catechol) 동종중합체(homopolymer), 바닐릭산(vanillic acid) 동종중합체 및 카테콜과 바닐릭산의 공중합체(copolymer)를 각각 처리하였을 때, 애기장대 식물체의 생장(A) 및 클로로필 함량(B)을 확인한 결과를 나타낸 것이다. Control은 아무것도 처리하지 않은 음성대조군이며, HA는 휴믹산(humic acid)으로 양성대조군이며, CA는 카테콜(catechol) 동종중합체이며, VA는 바닐릭산(vanillic acid) 동종중합체이며, CAVA는 카테콜과 바닐릭산을 중량 대비 50:50으로 희석한 후 산화 고분자화 반응을 유도한 카테콜과 바닐릭산의 공중합체를 의미한다. (B)에서 ***은 NaCl만을 처리한 대조군에 대비하여 NaCl과 휴믹산, 카테콜 동종중합체 및 카테콜과 바닐릭산의 공중합체를 함께 처리하였을 때, 클로로필 함량 증가 효과가 통계적으로 차이가 있다는 것을 의미하며, p값이 0.001 미만인 것을 의미한다. *은 NaCl만을 처리한 대조군에 대비하여 NaCl과 바닐릭산 동종중합체를 함께 처리하였을 때, 클로로필 함량 증가 효과가 통계적으로 차이가 있다는 것을 의미하며, p값이 0.05 미만인 것을 의미한다. Brief Description of the Drawings Fig. 1 shows the results obtained when the catechol homopolymer, vanillic acid homopolymer and copolymers of catechol and vanillic acid of the present invention were treated with Arabidopsis as a model plant, (A) and chlorophyll content (B) of the Arabidopsis thaliana plants. Control is a negative control with no treatment, HA is a positive control with humic acid, CA is a catechol homopolymer, VA is a vanillic acid homopolymer, CAVA is a catechol Refers to a copolymer of vanillic acid and catechol which is diluted to 50:50 by weight of vanillylic acid and induces oxidative polymerisation reaction. (B), *** indicates that the chlorophyll content increase effect is statistically different when NaCl, humic acid, catechol homopolymer, and catechol and vanillic acid copolymer are treated in comparison with the NaCl-only control group Means that the p value is less than 0.001. * Means that the chlorophyll content increasing effect is statistically different when NaCl and vanillylic acid homopolymer are treated in comparison with the control group treated only with NaCl, which means that the p value is less than 0.05.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 카테콜(catechol) 동종중합체(homopolymer), 바닐릭산(vanillic acid) 동종중합체 및 카테콜과 바닐릭산의 공중합체(copolymer)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 중합체를 유효성분으로 함유하는 식물의 염 스트레스 내성 증진용 조성물을 제공한다.In order to accomplish the object of the present invention, the present invention relates to a catechol homopolymer, a vanillic acid homopolymer, and a copolymer of catechol and vanillic acid, A composition for promoting salt stress tolerance of a plant containing a polymer as an active ingredient.
본 발명에서, 상기 동종중합체 또는 공중합체는 중량평균분자량이 5,000 이하인 것을 특징으로 한다. 용어 「중량평균분자량」은 성분 분자종의 분자량을 중량 분율로 평균하여 얻어지는 평균 분자량으로, GPC(Gel Permeation Chromatograph)로 측정된 표준 폴리스티렌에 대한 환산 수치를 의미할 수 있다. 본 명세서에서는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 용어 「분자량」은 「중량평균분자량」을 의미한다.In the present invention, the homopolymer or copolymer has a weight average molecular weight of 5,000 or less. The term " weight average molecular weight " is an average molecular weight obtained by averaging the molecular weight of the component molecular species by weight percentage, and may mean a value converted to standard polystyrene measured by GPC (Gel Permeation Chromatograph). In this specification, unless otherwise specified, the term "molecular weight" means "weight average molecular weight".
본 발명에서, 상기 동종중합체 또는 공중합체는 당업계에 알려진 통상의 페놀계 화합물의 산화 중합체 제조 방법에 의해 제조가 가능하며, 이에 제한되지 않는다. In the present invention, the homopolymer or copolymer may be produced by a conventional method for producing an oxidized polymer of a phenolic compound known in the art, but is not limited thereto.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 카테콜 동종중합체는 카테콜 단량체를 산화제로 중합하여 제조될 수 있으며, 바닐릭산 동종중합체는 바닐릭산 단량체를 산화제로 중합하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the invention, the catechol homopolymer may be prepared by polymerizing the catechol monomer with an oxidizing agent, and the vanillic acid homopolymer may be prepared by polymerizing the vanillic acid monomer with an oxidizing agent, but is not limited thereto .
또한, 상기 카테콜과 바닐릭산의 공중합체는 카테콜 단량체와 바닐릭산 단량체를 산화제로 중합하여 제조될 수 있으며, 바람직하게는 카테콜 단량체와 바닐릭산 단량체를 1:10 내지 10:1 중량비로 혼합하여 제조될 수 있으며, 더 바람직하게는 카테콜 단량체와 바닐릭산 단량체를 1:1 중량비로 혼합하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The copolymer of catechol and vanillylic acid may be prepared by polymerizing a catechol monomer and a vanillic acid monomer with an oxidizing agent. Preferably, the catechol monomer and the vanillic acid monomer are mixed at a weight ratio of 1:10 to 10: 1 And more preferably the catechol monomer and the vanillic acid monomer are mixed in a weight ratio of 1: 1, but the present invention is not limited thereto.
상기 카테콜 또는 바닐릭산은 상업적으로 합성/분리되어 파는 물질에 국한되는 것이 아니며, 상기 물질을 다량 함유한 식물류에서 추출한 천연 추출물을 사용할 수 있다. 이러한 천연 추출물의 예로, 포도씨, 살구씨, 복숭아씨, 포도 껍질, 사과 껍질 등 과일류의 씨앗 및 껍질을 활용할 수 있다. 이러한 과일 껍질 및 씨를 바탕으로 한 천연 추출물을 사용할 경우, 좀 더 값싸게 전구물질을 확보할 수 있으며 보다 친환경적으로 식물의 염 스트레스 내성을 증진시킬 수 있다.The catechol or vanillic acid is not limited to substances which are commercially synthesized / separated and can be used, and natural extracts extracted from plants containing a large amount of the above substances can be used. Examples of such natural extracts include grape seeds, apricot seeds, peach seeds, grape skin, apple peel seeds and bark. Using these fruit peels and seed-based natural extracts can provide cheaper precursors and improve the salt stress tolerance of plants in a more environmentally friendly manner.
상기 산화제로는 염화구리(Ⅰ), 과산화황산암모늄, 과요오드산나트륨, 염화칼륨 및 산화효소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 산화효소는 퍼옥시데이즈 및 락카아제일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The oxidizing agent may include copper (I) chloride, ammonium peroxodisulfate, sodium periodate, potassium chloride and oxidase. In addition, the oxidizing enzyme may be peroxidase and laccaridine, but is not limited thereto.
상기 동종중합체 또는 공중합체의 제조방법은 바람직하게는 The process for preparing the homopolymers or copolymers is preferably
a) 카테콜, 바닐릭산 또는 이들의 혼합물을 알코올이 함유된 아세트산 나트륨 완충액(sodium acetate buffer)에 용해시키는 단계; 및a) dissolving catechol, vanillic acid or a mixture thereof in an alcohol-containing sodium acetate buffer; And
b) 락카아제를 상기 완충액에 배합하여 반응시키는 단계;를 포함하는 제조방법에 의해 제조할 수 있다.b) reacting the lactacase with the buffer solution and reacting the mixture.
상기 a) 단계에서 알코올이 함유된 아세트산 나트륨 완충액은 바람직하게는 에탄올이 함유된 아세트산 나트륨 완충액일 수 있으며, 더 바람직하게는 25%(v/v) 에탄올이 함유된 100mM 아세트산 나트륨(pH 5.0) 완충액일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The sodium acetate buffer solution containing alcohol in the step a) may preferably be a sodium acetate buffer solution containing ethanol, more preferably a 100 mM sodium acetate (pH 5.0) buffer solution containing 25% (v / v) But is not limited thereto.
또한, 상기 b) 단계는 락카아제를 첨가하여 반응시키는 과정으로서, 상업화된 락카아제 또는 고체 상태에서 균류 배양을 통해 얻을 수 있는 락카아제를 포함한다. 반응은 실온에서 교반기를 통해 이루어질 수 있으며, 산소의 원활한 공급을 위해 산소 가스 주입이 병행될 수 있다. 이러한 산소의 공급은 락카아제의 촉매 작용을 극대화시킬 수 있다.In addition, the step (b) includes a step of adding a lactase and reacting it with a commercialized lactase or a lactase obtained through fungal culture in a solid state. The reaction can be carried out at room temperature through a stirrer, and oxygen gas injection can be performed in parallel for smooth supply of oxygen. This supply of oxygen can maximize the catalysis of the lactacase.
상기 b)단계에서 사용한 락카아제는 트라메테스 베르시콜로르(Trametes versicolor), 포메스 포멘타리우스(Fomes fomentarius), 카에토미움 써모필레(Chaetomium thermophile), 뉴로스포라 크라사(Neurospora crassa), 콜로리우스 베르시콜(Colorius versicol), 보트리티스 시네레아(Botrytis cinerea), 리기도포러스 리그노수스(Rigidoporus lignosus), 가노데르마 루시둠(Ganoderma lucidum), 코리오루스 히르수투스(Coriolus hirsutus), 루술라 델리카(Russula delica), 플루로토스 오스트레아투스(Pleurotos ostreatus), 아스퍼질러스 니둘란스(Aspergillus nidulans) 등의 미생물에서 유래된 것일 수 있으며, 바람직하게는 트라메테스 베르시콜로르(Trametes versicolor)에서 유래된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The lacquer used in step b) may be selected from the group consisting of Trametes versicolor , Fomes < RTI ID = 0.0 > fomentarius ), Chaetomium ( Chaetomium thermophile , Neurospora crassa , Colorius versicol , Botrytis < RTI ID = 0.0 > cinerea , Rigidoporus lignosus ), Ganoderma lucidum , Coriolus hirsutus , Russula delica , Pleurotos ostreatus), Aspergillus nidul lance (Aspergillus nidulans , and the like. Preferably, it may be derived from Trametes versicolor , but is not limited thereto.
본 발명은 또한, 상기 식물의 염 스트레스 내성 증진용 조성물을 식물, 식물의 종자 또는 식물 식재 토양에 처리하는 단계를 포함하는 식물의 염 스트레스에 대한 내성을 증진시키는 방법을 제공한다. The present invention also provides a method for enhancing tolerance to salt stress in a plant, comprising the step of treating the plant with a salt stress tolerance enhancing composition to a plant, plant seed or plant cultivation soil.
상기 식물의 염 스트레스에 대한 내성을 증진시키는 방법으로는 상기 조성물을 식물에 침지하거나 관주, 즉, 분무하여 수행할 수 있다. 침지하는 방법의 경우, 조성물을 식물체 주변의 토양에 붓거나 또는 종자를 조성물에 담가둘 수 있다.
As a method for enhancing tolerance to salt stress of the plant, the composition can be carried out by immersing the plant in the plant or by cross-linking, i.e., spraying. For the method of soaking, the composition may be poured into the soil around the plant or the seed may be soaked in the composition.
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되지 않는다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are merely illustrative of the present invention and that the scope of the present invention is not limited thereto.
제조예Manufacturing example 1. 페놀계 중합체의 제조 1. Preparation of Phenolic Polymer
본 발명에서는 5㎎/㎖의 카테콜(CA, catechol)과 5㎎/㎖의 바닐릭산(VA, vanillic acid)을 각각 25%(v/v)의 무수에탄올이 포함된 100mM의 아세트산 나트륨 완충액(sodium acetate buffer, pH 5.0)에 완전히 용해시켰으며, 카테콜 및 바닐릭산 혼합물(CAVA, catechol/vanillic acid)은 2.5㎎/㎖의 카테콜과 2.5㎎/㎖의 바닐릭산을 혼합하여 상기 완충액에 용해시켰다. 상기 완충액에 완전히 용해시킨 CA, VA 및 CAVA 각각에 트라메테스 베르시콜로르(Trametes versicolor) 유래의 락카아제를 첨가한 후, 고분자화를 유도하여 본 발명의 페놀계 중합체를 제조하여 하기 실시예 1에 사용하였다. 휴믹산(humic acid)은 양성대조군으로 증류수에 용해시켜 사용하였다.
In the present invention, 5 mg / ml of catechol (CA, catechol) and 5 mg / ml of vanillic acid were dissolved in 100 mM sodium acetate buffer solution containing 25% (v / v) (CAVA, catechol / vanillic acid) was prepared by mixing 2.5 mg / ml catechol and 2.5 mg / ml vanillylic acid and dissolving in the buffer . To each of CA, VA and CAVA completely dissolved in the buffer, Trametes versicolor- derived lactacase was added, and then the macromolecularization was induced to produce the phenol-based polymer of the present invention and used in the following Example 1. Humic acid was used as a positive control and dissolved in distilled water.
실시예Example 1. One. 페놀계Phenolic 중합체의 식물의 염 스트레스 내성 증진 효과 확인 Confirming the effect of polymer on the stress tolerance of plants
멸균된 야생형 애기장대(Col-0) 종자를 MS 배지에 5일 동안 배양한 후, 250mM의 NaCl의 처리유무에 따라 카테콜 동종중합체(CA), 바닐릭산 동종중합체(VA) 및 카테콜/바닐릭산 공중합체(CAVA)가 포함된 MS 배지에 옮겼으며, 배양 5일 후, 애기장대 식물체의 생장을 확인하였다. 또한, 식물의 클로로필 함량을 측정하기 위해, 애기장대 식물을 80%(v/v) 아세톤에 밤새동안 침지시킨 후, 분광광도계를 이용하여 식물의 클로로필 함량을 측정하였다. 그 결과, 도 1에 개시한 바와 같이 NaCl만을 처리한 대조군(Control)에 비해 NaCl과 페놀계 중합체인 CA, VA 및 CAVA를 함께 처리하였을 때, NaCl 처리를 통해 현저하게 감소된 식물체의 생장을 증진시키고, 클로로필 함량이 증가되었으며, 특히 카테콜/바닐릭산 공중합체를 처리하였을 경우, 양성대조군인 휴믹산을 처리하였을 때와 유사하게 식물체의 생장 정도 및 클로로필 함량이 증가되는 것을 확인할 수 있었다.The seeds of sterile wild type Arabidopsis thaliana (Col-0) were cultured in MS medium for 5 days and then cultured in the presence of 250 mM NaCl in the presence of catechol homopolymer (CA), vanillic acid homopolymer (VA) and catechol / (CAVA), and the growth of Arabidopsis thaliana plants was confirmed 5 days after the culture. In addition, to determine the chlorophyll content of plants, Arabidopsis plants were soaked in 80% (v / v) acetone overnight, and the chlorophyll content of the plants was measured using a spectrophotometer. As a result, when the NaCl and the phenolic polymers CA, VA and CAVA were treated together as compared with the control (Control) treated with NaCl alone as shown in Fig. 1, the NaCl treatment significantly promoted plant growth And the chlorophyll content was increased. Especially, when the catechol / vanillylic acid copolymer was treated, the growth of the plant and the chlorophyll content were increased similarly to the case of treatment with humic acid, which is a positive control.
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