KR101917898B1 - 식물들에서 스트레스 경감을 위한 조성물 및 방법 - Google Patents

식물들에서 스트레스 경감을 위한 조성물 및 방법 Download PDF

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Abstract

고온들과 같은 환경적으로 스트레스성 성장 조건들 하에서 성장된 식물들에서 식물 자가포식 (autophagy) 및/또는 새로 발생하는 세포들의 세포사멸 (apoptosis)을 경감하는 조성물 및 방법. 사이토키닌, 바람직하게는 키네틴 (kinetin)의 식물 뿌리들 또는 본엽들 (예로, 꽃들 및 잎들) 둘 중 하나에게로 외인성 적용은 개화 동안 또는 직전에 적용될 때 자가포식을 극복하거나, 적어도 실질적으로 경감하는 것으로 발견되었다. 실험적 결과들은 고온-유도성 자가포식, 및 이어지는 새로운 세포사멸이 식물 조직들에서 사이토키닌 결핍의 결과인 점을 가리킨다. 사이토키닌과 함께 포타슘의 저농도들의 적용은 자가포식을 감축시키고 곡물 생산성을 증가시키도록 사이토키닌의 효과를 증폭시켜서 상승적 효과를 제공하는 것으로 보인다.

Description

식물들에서 스트레스 경감을 위한 조성물 및 방법 {Composition and method for stress mitigation in plants}
본 발명은 일반적으로 고온들과 같은 스트레스성 조건들 하에서 새로운 식물 세포들의 발생 (예로, 개화) 동안 일어날 수 있는, 결핍성 새로-형성되는 식물 세포들에게 영양분들을 공급하도록 식물 자가포식 (autophagy) 또는 늙은 식물 세포들의 분해를 경감하는 방법 및 이를 위한 조성물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 발생 및 성장 동안 환경적으로 스트레스성 성장 조건들을 겪은 작물 식물들을 포함하는 식물로부터 종자들의 증진된 발생, 및 결론적으로 수확가능한 곡물들의 증가된 수율에 관한 것이다.
통상적으로, 무기질 비료들이 성장하는 작물 식물들에게 우세하게 적용되어 왔다. 그러나, 외부적 스트레스들이 특히 곡물 또는 종자 작물들 및/또는 다른 작물들의 성공적인 식물 발생을 방해할 때 어려움들이 생긴다. 너무 낮거나 너무 높은 환경적 온도들에 의해 주어진 것들과 같은 물리적인 스트레스들, 상세하게는 고온들이 특히 문제가 된다. 더우기, 현 기술 상태의 농경법의 관행은 자가포식 (예로, 세포 영양분들의 부족을 보충하도록 새로 형성된 세포들에 의한 이전에 형성된 식물 세포들의 살상)을 예방하기에 충분한 양들의 영양분들 예로 당들을 생산하는 데 있어, 이러한 스트레스들로 인한 식물의 어려움을 도와주도록 식물 성장 조절인자들을 사용하지 않는다. 무기질 비료들이 작물 성장 및 발생에 필요한 16가지의 무기질들을 제공하는 점은 잘 알려져 있다. 식물 성장 조절인자들 또는 기타 다른 분자들과 같은 신호전달 분자들은 소정의 유전자들의 발현을 통하여 작물 생산성을 증진하는 것으로 알려져 있다. 또한, 많은 연구가 식물 성장 조절인자들의 사용 그리고 식물 성장 및 발생에 미치는 그들의 효과들에 관하여 수행되어 왔다. 그러나, 본 명세서에서 본 발명의 기재가 될 때까지, 소정의 "신호전달 분자들"의 적용이 높은 성장 온도들과 같은 환경적 스트레스들에 의해 초래되는 식물 자가포식을 경감하여 식물 생산성을 개선하는 점은 전혀 보고되지 않았다.
식품 생산을 개선하는 기법들 및 조성물들에 관한 적은 양의 연구뿐만 아니라 지수적 인구 집단 성장을 먹여살리는 더 많은 식품 생산의 계속된 필요성을 고려하여, 식물 생산성들을 개선하도록 특히 더 높은 환경적 온도들 및 기타 더 가혹한 성장 조건들의 측면에서 개선된 방법들 및 조성물에 대한, 오래 느껴왔던 충족되지 않은 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 다음의 하나 이상을 달성하는 것이다:
작물 식물들의 생산성 및 성장을 증진하는 방법 및 조성물이 제공된다;
가혹한 환경적 스트레스들 하에서 성장된 작물 식물들의 생산성 및 성장을 증진하는 방법 및 조성물이 제공된다;
고온 조건들 하에서 성장된 작물 식물들의 생산성 및 성장을 증진하는 방법 및 조성물이 제공된다;
식물에 의한 영양분들의 합성을 증가시키는 방법 및 조성물이 제공된다;
식물 자가포식 (autophagy) 및/또는 세포사멸 (apoptosis)을 경감하는 방법 및 조성물이 제공된다;
작물 성장의 생식적 단계들 이전에, 작물 성장의 무성생식 단계들 동안 생산성 및 작물 성장을 증진하는 방법 및 조성물이 제공된다;
곡물 크기화 (sizing)를 위해 물의 입수가능성을 증가시켜서 고온 스트레스 하에 곡물 작물들의 종자 크기, 및 이에 따른 작물 수율을 증진하는 방법 및 조성물이 제공된다.
본 발명의 다른 목적들, 특징들, 및 장점들은 당업자에게라면 다음의 상세한 설명 및 도면들로부터 명확해질 것이다.
상기에서 확인된 목적들은 본 발명의 다른 특징들 및 장점들과 함께, 더욱 생산적이고 및/또는 고온과 같은 스트레스성 성장 조건들을 회복하도록 식물들, 특히 작물 식물들을 성장시키는 방법 및 조성물 내로 통합된다. 성장 온도들이 너무 높을 때, 꽃들 및 이어지는 배아들 (종자들)의 발생은 작물 곡물들 또는 다른 유형들의 농업적 수확물의 생산성이 손상되고 작물 수율들이 극적으로 감소될 수 있는 동시적인 결과로 타협되는 것으로 알려져 있다. 고온들과 같은 극단적 성장 조건들 하에서는, 식물들은 정상적인 이화 과정들 (예로, 꽃 및 배아/종자 발생)을 시행하는 데 필요한 당들과 같은 영양분들을 생산하지 못하는 무능력을 겪는다. 이러한 영양분들의 부족을 보충하기 위하여, 이들 스트레스 조건들 하에서 성장하는 식물들은 전형적으로, 새로 형성된 세포들에게 필요한 영양분들을 보장하도록 자가포식 (autophagy), 또는 자가-살상 (self-cannibalization)을 거치게 된다.
식물 성장 조절인자/호르몬 사이토카인의 식물 캐노피 (예로, 잎들 및 꽃들)에게로 외인성 적용이 새로운 식물 세포들의 성장 (예로, 성공적이고 완전한 종자 발생)을 위해 충분한 영양분들 (예로, 당들)의 필요한 생산을 유도하여 이러한 자가포식을 방지하는 것으로 발견되어 왔다. 광합성물들 (예로, 식물 당/에너지 생산자들)의 증가된 수준들을 조절하는 유전자들은 사이토키닌 (cytokinin)의 외인성 적용에 의해 촉발되는 것으로 생각된다. 추가적으로, 사이토키닌과 함께 낮은 농도들의 포타슘의 적용도 사이토키닌의 효과를 실질적으로 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 비료-등급의 포타슘의 더 높은 적용 비율들이 정상적으로 기여하는 생리학적 효과들과는 다르기 때문에, 이러한 결과들은 이러한 낮은 포타슘 농도들로는 기대되지 않는다. 포타슘의 낮은 농도들의 적용은 사이토키닌 효과들을 발현하거나 에너지의 증진된 수준을 제공하거나 앱시스산 또는 이에 대한 반응성과 같은 증가하는 수율들에 미치는 효과를 가진 다른 호르몬들을 증진하는 유전자들과 같은 특정한 유전자들의 전사를 자극하는 데, 더욱 다른 신호전달 분자들 (예로, 호르몬들)처럼 작용하는 것으로 생각된다. 성장하는 식물들에게 포타슘 및 사이토키닌의 낮은 농도들의 적용으로부터 나온 상승효과도 역시 더 낮은 스트레스 성장 조건들 하에서 실현될 수 있다.
기재된 조성물 및 그의 적용 방법은 고온들과 같은 스트레스성 식물 성장 조건들로부터 유발되는 식물 자가포식, 및 그 결과로 생긴 어떠한 세포사멸이라도 경감하는 실제적인 접근법을 보여준다. 본 방법은 식물 개화 시작의 시점 또는 약 그의 시기에 (예로, 감수분열 동안 및 화분이 막 터질 때) 바람직하게 식물 호르몬, 주로 사이토키닌의 식물들의 본엽 및/또는 꽃들로 적용을 포함한다. 이러한 자가포식-저해 제제는 바람직하게 사이토키닌, 키네틴 (kinetin)이지만, 제아틴 (zeatin), N6-벤질 아데닌, N6-(델타-2-이소펜틸)아데닌, 1,3-디페닐 우레아, 티디아주론 (thidiazuron), 포르클로르페누론 (CPPU, forchlorfenuron) 또는 사이토키닌-유사 활성을 가진 기타 화학적 제형물들과 같은 다른 형태들의 사이토키닌이 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 바람직하게, 그러나 선택적으로, 낮은 농도의 포타슘도 역시 이전에 기술된 바와 같이 식물 호르몬의 효과들을 증진하도록 식물 호르몬과 함께 적용된다.
첫 번째 단계에서, 사이토키닌 식물 호르몬이 치료될 식물들에게로 적용을 위해 준비된다. 사이토키닌 식물 호르몬은 바람직하게 수용액으로서 식물들에게 적용된다. 따라서, 사이토키닌 식물 호르몬을 준비하는 단계는 하나 이상의 다음의 활동들을 포함할 수 있다: 사이토키닌 식물 호르몬을 적용된 혼합물/조성물에서 사이토키닌의 원하는 농도를 만들기에 충분한 물로 희석하는 단계, 낮은 농도들의 포타슘을 적용된 사이토키닌의 효과들을 증진하도록 사이토키닌 식물 호르몬에 첨가하는 단계, 포타슘이 있거나 없는 사이토키닌 식물 호르몬 (또는 그의 수용성 혼합물)을 처리될 식물들로의 이어지는 적용을 위해 스프레이기 또는 탱크 내로 로딩하는 단계, 처리될 식물들에 주는 원하는 양의 사이토키닌 식물 호르몬 혼합물을 측정하도록 스프레이기 또는 투여 적용기를 눈금을 매기는 단계, 및 포타슘이 있거나 없는 사이토키닌 식물 호르몬 (또는 그의 수용성 혼합물)을 처리될 식물들의 위치로 운반하는 단계.
바람직하게, 미희석된 수용액에서 사이토키닌 농도는 약 0.01% 내지 약 0.10%의 범위이다. 시판되는 미희석된 사이토키닌 용액, X-Cyte (미국 스톨러 (Stoller)의 제품, 휴스톤, 텍사스주)는 약 0.04%의 바람직한 사이토키닌 농도를 공급한다. 바람직한 사이토키닌 농도에서, 사이토키닌의 미희석된 수용액이 두 번째 단계에서 성장하는 식물들의 에이커 당 약 1/4 내지 4 파인트 (pints) 사이, 더욱 바람직하게는 성장하는 식물들의 에이커 당 약 1 내지 2 파인트 사이의 용액의 비율로 처리될 식물들로 적용된다. 이러한 적용은 성장하는 식물들의 에이커 당 약 0.09 내지 약 0.76 그램 사이의 사이토키닌 (에이커 당 60 갤론의 물로 희석됨)의 비율, 더욱 바람직하게는 성장하는 식물들의 에이커 당 약 0.19 내지 약 0.38 그램 사이의 사이토키닌 (에이커 당 60 갤론의 물로 희석됨)의 비율과 동등하다. 포타슘은 사이토키닌과 함께 적용되는 경우라면, 바람직하게 매우 낮은 농도들로 적용된다. 포타슘 적용 비율은 바람직하게 에이커 당 약 1/4 lb. 내지 약 2 lbs 사이, 더욱 바람직하게는 에이커 당 약 1/2 lb. 내지 약 1 - 1/2 lbs 사이, 가장 바람직하게는 에이커 당 약 1 lb.이다. 사이토키닌 및/또는 포타슘은 상기에 진술된 바와 같이 동일한 농도들로 잎들에, 또는 토양에 적용될 수 있다. 이것은 토양에, 예를 들면 식물 뿌리들 근처의 개방된 고랑과 같이 적절한 방식이라면 모두로 적용될 수 있고, 이어서 고랑은 폐쇄될 수 있다. 이것은 또한, 무엇보다도 상부 (overhead) 또는 점적 (drip) 테이프 또는 고랑 관개와 같은 다양한 형태들의 관개로 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실행예는 선행 기술의 하나 이상의 부족한 점들을 설명하고 이전에 확인된 적어도 하나의 목적들을 통합하고 있다. 본 발명은, 고온들과 같은 스트레스성 조건들 하에서 성장된 식물들의 성장 및 생식적 부분들의 발생 (예로, 상세하게 화분)을 위한 당들과 같은 충분한 영양분들의 합성 및 전달을 적절하게 식물들에게 적용될 때 증진하는 것으로 발견되어 왔던, 식물 성장 조절인자, 바람직하게는 사이토키닌을 채용하고 있다. 본 발명의 목적들을 위해, 높은 성장 온도들은 약 섭씨 25도 (화씨 77도) 초과의 성장 온도들을 포함하지만, 더욱 보편적으로 성장 온도들은 약 섭씨 30도 (화씨 86도) 초과의 온도를 포함한다. 심지어 약 섭씨 20도 (화씨 68도) 이상의 온도들도 식물 유형 (예로, 밀, 보리 및 호밀) 및/또는 지역성 (예로, 지구의 극지들로부터 거리)에 의존하여, "높은" 온도로서 고려될 수 있다. 이러한 고온들은 작물 식물 생산성을 타협시키는 것으로 밝혀져 왔다. 이것은 고온들로 인해 식물에 있는 사이토키닌 식물 호르몬들의 감소의 결과라고 생각된다.
식물 조직들에서 사이토키닌의 수준의 감소는 생식적 발생을 위해 요구된 영양분들 제공하도록 건강한 식물 조직들의 자가포식 - 자가-살상 - 을 촉발시킨다. 자가포식의 스트레스는 종자 형성 (Cheikh et al. 1994), 생식 기관들의 구조적 강도 및/또는 물리적 특질 (및 이에 따른 성공적인 난자 수정) (Liptay et al. 1994), 세포 배열 및 기관 기능성 (Lolle et al. 1998), 세포 복제 (Takahshi et al. 2008) 및 세포 성장 (Szekeres et al. 1996)을 타협시킬 수 있다. 이들 스트레스 효과들은 이전에 언급된 식물 성장 및 발생의 다양한 과정들에서 미리-형성된 조직들의 자가포식으로 인한다. 또한, 이러한 자가포식은 잠재적인 작물 산물들의 세포사멸을 유발하고, 이에 의해 작물 수율을 유의하게 감소시킨다.
식물들의 꽃들 및 잎들 (예로, 본엽)로 사이토키닌의 외인성 적용들은 압통점 (tender) 새로운 세포들에 의한 사용을 위해 영양분들/당들의 증진된 합성에 필요한 공간적으로-요구되는 성장 조절인자 신호전달 효과를 제공한다. 사이토키닌 및/또는 포타슘은 식물들이 동일한 농도들에서 성장하는 토양에도 역시 적용될 수 있다. 이것은 토양에, 예를 들면 식물 뿌리들 근처의 개방된 고랑과 같이 적당한 방식이라면 모두로 적용될 수 있고, 이어서 고랑은 폐쇄될 수 있다. 이것은 또한, 무엇보다도 상부 또는 점적 테이프 또는 고랑 관개와 같은 관개의 다양한 형태들로 적용될 수 있다. 사이토키닌 적용을 통한 영양분 합성의 증진은 식물 생식을 위해 생물학적 조직들의 더욱 완전한 발생을 가져오는 것으로 믿어진다. 상세하게, 영양분들/에너지의 적당한 공급의 입수가능성은, 그의 발생을 책임지는 다양한 조직들 및 생물학적 신호들을 포함하는 수컷 정자의 성공적인 발생을 유도한다. 적당한 에너지원도 역시 정자가 포장 (encasement)에 의해 보호되는 화분 발생의 다양한 단계들에서 돕는다. 또한, 적당한 영양분들/에너지가 화분 낟알로부터 발생하는 화분관을 통해 난자의 수정을 위한 암컷 난소 내로의 그의 여행에서 수컷 정자를 돕도록 사용가능하다. 따라서, 사이토키닌 적용은 작물 식물의 종자 배아들 및 연관된 조직들의 성공적인 형성을 유도하고, 이에 의해 자가포식 및 그 결과로 나온 세포사멸을 극복하게 한다.
추가적으로, 사이토키닌과 함께 낮은 농도들의 포타슘의 적용은 식물 조직들에 미치는 사이토키닌의 효과를 실질적으로 증가시키는 것으로 밝혀져 왔다. 이러한 결과들은 예기치 못한 것이고, 전형적인 비료-등급의 포타슘의 더 높은 적용 비율들이 정상적으로 기여하는 생리학적 효과들과도 다르다. 더 높은 적용된 포타슘 농도들의 생리학적 효과들은 다음을 포함한다: 식물들에서 팽윤도를 유지하여 물 공급을 보장하는 것, 세포질의 pH를 안정화하도록 돕는 양이온들을 중성화하는 것, 및 일반적인 대사 과정들. 이들 생리학적 효과들을 유도하기 위하여, 적용된 포타슘의 농도는 전형적인 비료들과 비슷해야 한다. 신호전달 효과를 위해 채용된 본 명세서에서 기재된 포타슘의 낮은 농도들은, Nooden et al.에서 논의된 미국 특허 제 4,581,056호 또는 A. A. Csizinszky, Foliar and Soil - Applied Biostimulant Studies with Microirrigated Pepper and Tomato, 103, Proc. Fla. State Hort. Soc. 113-17 (1990)에서 기술된 것들과 같이 전형적인 칼륨 비료 적용들보다 낮은 적어도 10 퍼센트이다. 낮은 농도들로 적용된 포타슘은 적용된 사이토키닌에 반응하여 발현되는 유전자들과 같이 특정한 유전자들의 전사를 돕는 데, 더욱 다른 신호전달 분자들 (예로, 호르몬들)처럼 작용하는 것으로 생각된다. 포타슘은 사이토키닌과 함께 적용되는 경우라면, 바람직하게 에이커 당 약 1/4 lb. 내지 약 2 lbs 사이, 더욱 바람직하게는 에이커 당 약 1/2 lb. 내지 약 1 - 1/2 lbs 사이, 가장 바람직하게는 에이커 당 약 1 lb.의 매우 낮은 농도들로 적용된다. 포타슘의 신호전달 효과는 에이커 당 약 2 lbs. 이상의 포타슘 적용 비율들의 경우에 점차로 감소되는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 바람직한 시행예는 영양분들/당들의 성공적인 합성을 용이하게 하고, 이들 영양분들/당들 (예로, 화학적 에너지)은 발생하는 수컷 식물 기관들로 전달될 수 있다. 본 방법은 바람직하게 식물 개화의 시점 또는 약 그의 시기에 식물들의 본엽 및/또는 꽃들에게로 식물 호르몬, 주로 사이토키닌의 적용을 포함한다. 사이토키닌 적용의 잠재적인 효용성의 기간은 꽃 출현 이전의 여러 주로부터 꽃 출현을 포함하는 수분작용, 및 이어지는 배아 발생 동안까지의 범위에 이른다. 바람직한 시기는 수분된 어미 세포들이 분화하지 못하거나 분열하지 못하는 때인, 감수분열 동안이다. 이러한 감수분열의 시기는 쌍떡잎 식물들에서 꽃싹 (flower bud)의 분화 이후 간격 동안에 일어나지만, 꽃들이 피기 이전이다. 곡물들과 같은 외떡잎 식물들에서, 이것은 곡물 발생에서 대략 "초기 시동" 단계 (피케 (Feekes) 단계 10.0)에 해당한다. 또 다른 바람직한 시기는 화분이 막 터질 (또는 흐를) 때, 섬유판 (tapetum) 및 화분 낭들로부터 화분 방출 동안이다. 쌍떡잎 식물들에서, 이것은 일반적으로 꽃의 개화 직전으로부터 꽃이 죽고 식물을 쇠퇴시킬 때까지 범위의 기간 내에 속한다. 외떡잎 식물들에서, 화분 방출은 대략 곡물 발생에서 대략 피케 단계 (10.5.1)에 해당한다. 개화 이후에 사이토키닌의 적용은 고온 성장 조건들 하에서 배아의 발생도 역시 증진할 수 있고, 이에 의해 수율을 증가시킨다.
자가포식-저해 제제는 바람직하게 사이토키닌, 키네틴이지만, 제아틴, 제아틴의 다양한 형태들, N6-벤질 아데닌, N6-(델타-2-이소펜틸)아데닌, 1,3-디페닐 우레아, 티디아주론, 포르클로르페누론 (CPPU) 또는 사이토키닌-유사 활성을 가진 기타 화학적 제형물들과 같은 다른 형태들의 사이토키닌이 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 바람직하게, 그러나 선택적으로 낮은 농도의 포타슘도 역시 식물 호르몬, 사이토키닌의 효과들을 증진하도록 식물 호르몬과 함께 적용된다.
첫 번째 단계에서, 사이토키닌 식물 호르몬이 치료될 식물들에게로 적용을 위해 준비된다. 사이토키닌 식물 호르몬은 바람직하게 수용액으로서 식물들에게 적용된다. 농업적 화학물질들의 적용은, 이에 제한되는 것은 아니지만 분사, 점적 선들, 측면 드레싱 등을 포함하는 당업자들에게 잘 알려져 있는 여러 방식들의 어느 하나로 달성될 수 있다. 따라서, 사이토키닌 식물 호르몬을 준비하는 단계는 하나 이상의 다음의 활동들을 포함할 수 있다: 사이토키닌 식물 호르몬을 적용된 혼합물/조성물에서 사이토키닌의 원하는 농도를 만들기에 충분한 물로 희석하는 단계, 낮은 농도들의 포타슘을 적용된 사이토키닌의 효과들을 증진하도록 사이토키닌 식물 호르몬에 첨가하는 단계, 포타슘이 있거나 없는 사이토키닌 식물 호르몬 (또는 그의 수용성 혼합물)을 처리될 식물들로의 이어지는 적용을 위해 스프레이기 또는 탱크 내로 로딩하는 단계, 처리될 식물들에 주는 원하는 양의 사이토키닌 식물 호르몬 혼합물을 측정하도록 스프레이기 또는 투여 적용기를 눈금을 매기는 단계, 및 포타슘이 있거나 없는 사이토키닌 식물 호르몬 (또는 그의 수용성 혼합물)을 처리될 식물들의 위치로 운반하는 단계.
바람직하게, 미희석된 수용액에서 사이토키닌 농도는 약 0.01% 내지 약 0.10%의 범위이다. 시판되는 미희석된 사이토키닌 용액, X-Cyte (미국 스톨러의 제품, 휴스톤, 텍사스주)는 약 0.04%의 바람직한 사이토키닌 농도를 공급한다. 바람직한 사이토키닌 농도에서, 사이토키닌의 미희석된 수용액이 두 번째 단계에서 성장하는 식물들의 에이커 당 약 1/4 내지 4 파인트 사이, 더욱 바람직하게는 성장하는 식물들의 에이커 당 약 1 내지 2 파인트 사이의 용액의 비율로 처리될 식물들로 적용된다. 이러한 적용은 특이적 식물/작물 종들에 의존하여, 성장하는 식물들의 에이커 당 약 0.09 내지 약 0.76 그램 사이의 사이토키닌 (분사된/적용된 용액의 경우 에이커 당 60 갤론의 물로 희석됨)의 비율, 더욱 바람직하게는 성장하는 식물들의 에이커 당 약 0.19 내지 약 0.38 그램 사이의 사이토키닌 (분사된/적용된 용액의 경우 에이커 당 60 갤론의 물로 희석됨)의 비율과 동등하다. 따라서 상기에 기재된 바와 같이, 성장하는 식물들에 적용된 사이토키닌의 양은 (에이커 당 1 내지 2 파인트의 미희석된 사이토카인 용액, 이는 에이커 당 분사된/적용된 용액의 0.1 ppm 내지 1.66 ppm 사이토카인과 동등함) 성장하는 식물들에 이전의 사이토키닌 적용들보다 훨씬 더 낮다. 사실상, 바람직한 적용 비율들은 사이토키닌 적용의 다른 보고된 범위들보다 10배 이상 더 낮고, 이는 N.G. Denny, User Guide of Plant Growth Regulators에 의해 제시된 바와 같은 약 20 ppm으로부터 약 40 ppm까지이다. 꽃 발생의 지속기간이 긴 경우라면, 적용은 새로 발생하는 꽃들을 위해 반복되는 것이 필요할 수 있다.
사이토키닌 및/또는 포타슘은 (하기에 더 자세하게 논의됨) 동일한 농도들로 식물들의 잎들에, 또는 토양에 적용될 수 있다. 이것은 토양에, 예를 들면 식물 뿌리들 근처의 개방된 고랑에서와 같이 적절한 방식이라면 모두로 적용될 수 있고, 이어서 고랑은 폐쇄될 수 있다. 이것은 또한, 무엇보다도 상부 또는 점적 테이프 또는 고랑 관개와 같은 다양한 형태들의 관개로 적용될 수 있다.
포타슘은 또한, 사이토키닌과 함께 적용되는 경우라면 바람직하게 낮은 농도들로 적용될 수 있다. (임의적으로, 포타슘은 사이토키닌의 분리된 적용 이전에 또는 이후에 적용될 수 있다. 그러나, 이러한 분리된 적용들은 더 많은 에너지 및 시간이 들기 때문에, 적합하지 않다.) 포타슘은 바람직하게 잿물 (potash)에서 발견되는 것과 같은 포타슘염으로서 적용되지만, 당업자들에게 알려져 있는 다른 형태들의 포타슘이 동등하게 채용될 수 있다. 포타슘 적용 비율들은 바람직하게 약 에이커 당 약 1/4 lb. 내지 약 2 lbs 사이 (에이커 당 분사된 용액의 약 500 ppm 내지 약 4,000 ppm 포타슘과 동등함), 더욱 바람직하게는 에이커 당 약 1/2 lb. 내지 약 1 - 1/2 lbs 사이, 가장 바람직하게는 에이커 당 약 1 lb.이다. 낮은 농도들의 포타슘과 함께 사이토키닌의 낮은 농도들을 성장하는 식물들에 적용하는 것의 상승적 효과들은 높은 스트레스 성장 조건들에 제한될 수 없고, 더 낮은 스트레스 성장 조건들 하에서도 역시 실현될 수 있다.
제한이 아닌 설명으로서, 본 발명은 첨부된 도면들을 기초로 하여 이하 본 명세서에서 자세하게 기술된다.
도 1은 고온 성장 조건들 하에서 손상된 종자/장각 발생이 영양분/당 불충분에 의해 초래되고, 이는 자가포식을 통해 새로 형성된 식물 세포들의 세포사멸을 자극할 수 있는지 여부를 테스트하는 실험적 결과들의 막대 그래프를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 획득된 결과들을 확인하는, 즉 자가포식에 의해 초래된 고온 수율 감소가 주로 식물 성장 조절인자/호르몬, 사이토키닌의 불충분으로 인하는 점의 실험적 데이타의 막대 그래프를 나타낸 것이다.
본 발명의 바람직한 시행예들은 다음의 여러 실시예들에서 좀 더 기술된다. 그러나, 이들 실시예들이 어떤 방식으로도 본 명세서에서 기재된 본 발명의 범위를 제한하도록 의미하지 않고, 그렇게 해석되어서는 안 된다.
실시예 1
실험들은 식물 성장 조절인자, 사이토키닌이, 고온 환경들에서 성장하는 식물들에 적당하게 적용될 때 식물의 에너지 결핍 부분들에 당 수준들을 증진시키고 당들의 전달을 증가시켰던 정도를 결정하도록 시행되었다. 이들 실험들은 또한 고온 스트레스 하에서 식물 조직들이 두 가지의 잠재적인 문제점들의 하나 또는 둘 다를 겪는지 여부를 결정하도록 설계되었다: 첫째, 고온 스트레스 하인지 여부와는 상관없이 식물 조직에서는 사이토키닌의 결핍이 존재한다. 둘째, 고온 스트레스 하인지 여부와는 상관없이 사이토키닌의 분해가 존재한다 (이는 식물 조직들에서 식물 성장 조절인자들의 균형을, 본 경우에는 식물 조직에서 활성을 가진 사이토키닌의 양을 감소시키는 것에 의해 조절하는 정상적 과정임).
이들 실험들로부터 얻은 데이타는 도 1 및 도 2에서 나타난 바와 같이, 그들의 개화기 동안 고온 스트레스들에 놓여있는 식물들이 겪는 문제점이 식물들의 생식 조직들에서 사이토카인의 기능부전인 점을 분명하게 가리킨다. 결과들은 본 명세서에서 기재된 바와 같이, 적당한 외인성 사이토키닌의 적용이 고온 성장 환경들에서 식물 발생 및 작물 수율들을 증가시키는 (예로, 적절하게 발생된 종자들의 수 및 품질을 증가시키고, 따라서 수확 시 수율을 증가시키는) 점을 더욱 보여주고 있다. 도 1은 고온 성장 조건들 하에서 손상된 종자/장각 발생이 영양분/당 불충분에 의해 초래되고, 이는 자가포식을 통해 새로 형성된 식물 세포들의 세포사멸을 자극할 수 있는지 여부를 테스트하는 실험적 결과들의 막대 그래프를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1에서 획득된 결과들을 확인하는, 즉 자가포식에 의해 초래된 고온 수율 감소가 주로 식물 성장 조절인자/호르몬, 사이토키닌의 불충분으로 인하는 점의 실험적 데이타의 막대 그래프를 나타낸 것이다.
이들 실험들은 모델 작물 식물, 아라비돕시스 탈리아나 (Arabidopsis thaliana)를 채용하였고, 이의 게놈은 2000년쯤에 맵핑되었다. 동일성을 입증하기 위하여, 테스트된 식물들은 그들이 개화의 시작 단계에 있고 그룹들을 통하여 꽃들의 균형잡힌 수들을 가지도록 선택되었다. 대조군 제제들뿐만 아니라 모든 테스트된 제제들은 0.01% Silwet® 슈퍼 스프래더 (제너럴 엘렉트릭사로부터 획득됨)을 포함하는 물 용액에 넣어 테스트된 식물들의 잎들 및 꽃들 (예로, 본엽)에게 적용되었다. 도 1에서 나타난 바와 같이, 0.01% Silwet® 슈퍼 스프래더의 수용액으로 구성되는 대조군 제제 (Ctrl)도 대조군 식물 그룹에게 적용되었다. 종자 형성의 어려움이 식물에서 사이토키닌 불충분으로 또는 사이토키닌을 분해하는 과다활성을 가진 효소들로 인한 것인지 여부를 테스트하도록 N-(2-클로로-피리딘-4-일)-N-페닐-우레아 (CPPU)로 구성되는 두 번째 테스트된 제제도 100 μg/mL (0.1 ppm)로 두 번째 식물 그룹에 적용되었다. 6-벤질 아데닌 (6-BA) 및 키네틴 (KIN) - 둘 다 사이토키닌들 -로 구성되는 테스트된 세 번째 및 네 번째 제제들도 각각 100 μg/mL (0.1 ppm)의 비율로 적용되었다. 마지막으로, 슈크로스 당들로 구성되는 다섯 번째 및 여섯 번째 제제들이 20 mM (SUC 20) 및 100 mM (SUC100)의 용액들에 각각 준비된-입수가능한 에너지원들로서 적용되었다.
진술된 농도들/용량들로 준비된 테스트된 제제들의 수용액들이 열 노출 1일 이전 및 다시 열 노출의 시작 이후 4일째 방출까지 아라비돕시스 탈리아나의 꽃들 및 잎들 (예로, 본엽)의 테스트 그룹들 위에 분사되었다. 열 노출의 전체 지속기간은 열나흘 (14일)이었다. 성장하는 온도들은 열여섯 (16)시간 낮 동안 섭씨 33 내지 36도 사이에서, 그리고 여덟 (8)시간 밤 동안은 약 섭씨 25도에서 유지되었다. 실험들은 폴리(메틸 메타크릴레이트)-밀봉된 선반들, 예로 플렉시글라스® (Plexiglass®)-밀봉된 선반들 위에서 4개의 이중 형광 램프들 및 자동온도조절기-조절된 환기 팬을 사용하여 시행되었다. 발생된 종자들로 채워진 종자 꼬투리들 (예로, 장각) (장각들 > 7 mm 길이 및/또는 > 1 mm 너비 및/또는 종자들을 보유함)이 시험의 시작 직전에 계수되었고, 열 노출 처리들의 열나흘 (14일) 이후에 다시 계수되었다.
도 1에서 나타난 바와 같이, 식물 성장 조절인자, 사이토키닌은 높은 성장 온도들에 의해 초래된 식물 조직들에서 당 결핍을 경감시킬 수 있어, 자가포식을 예방한다. 이러한 결과는 사이토키닌 테스트된 제제들 - 6-벤질 아데닌 (6-BA) 및 키네틴 (KIN)에서 증가된 수의 종자들 (예로, 장각들)에 의해 표시된다. 사이토키닌 테스트된 제제들로 조사된 양성적 결과들과 조합된 N-(2-클로로-피리딘-4-일)-N-페닐-우레아 (CPPU) 테스트된 제제 (예로, 사이토키닌 옥시다제 저해제)로 조사된 약간 음성적 결과들은 고온의 문제가 사이토키닌 불충분 (예로, 새로 형성되는 세포들을 위한 에너지 합성의 결여)으로 인하는 점을 가리킨다. 두 가지의 슈크로스 테스트된 제제들도 역시 당-광합성물 결핍을 완화하였고, 이에 의해 식물 자가포식을 예방하는 점을 주목해야 한다. 그러나, 슈크로스 테스트 제제들은 슈크로스가 제자리에서 신속하게 분해되기 때문에, 비싸고 일시적인 경감을 제공한다.
도 2는 이전의 시험의 경우 (도 1)에 획득된 결과들을 강요하는 추가적인 한 벌의 실험 결과들을 제시한다. 두 번째 실험은 CPPU 적용을 제외하고는 동일한 방식으로 첫 번째 실험과 동일한 대조군 및 테스트된 제제 농도들을 사용하여 시행되었다. 따라서, 첫 번째 실험에서 사용된 바와 같은 각각의 수용액들이 CPPU 적용을 제외하고는, 열 노출 1일 이전 및 다시 열 노출의 시작 이후 4일째 방출까지 아라비돕시스 탈리아나 본엽의 테스트 그룹들 위에 분사되었다. 열 노출의 전체 지속기간은 열나흘 (14일)이었다. 성장하는 온도들은 열여섯 (16)시간 낮 동안 섭씨 33 내지 36도 사이에서, 그리고 여덟 (8)시간 밤 동안은 약 섭씨 25도에서 유지되었다. 실험들은 폴리(메틸 메타크릴레이트)-밀봉된 선반들, 예로 플렉시글라스®-밀봉된 선반들 위에서 4개의 이중 형광 램프들 및 자동온도조절기-조절된 환기 팬을 사용하여 시행되었다. 발생된 종자들로 채워진 종자 꼬투리들 (예로, 장각) (장각들 > 7 mm 길이 및/또는 > 1 mm 너비 및/또는 종자들을 보유함)이 시험의 시작 직전에 계수되었고, 열 노출 처리들의 열나흘 (14일) 이후에 다시 계수되었다. 두 번째 실험의 결과들은 첫 번째 실험의 결과들과 유사하게 해석될 수 있고, 이에 의해 식물 성장 조절인자, 사이토키닌은 높은 성장 온도들에 의해 초래된 식물 조직들에서 당 결핍을 경감시킬 수 있어, 자가포식을 예방한다.
실시예 2
본 실시예에서는, 개화의 시작 시점에 및 이후 2 내지 4주째 캘리포니아주, 구스틴의 밭에서 성장된 콩들 (예로, 리마 콩들)에 적용된 식물 성장 조절인자 사이토키닌, 상세하게는 키네틴의 효과가 관찰되었다. 대략 섭씨 35도까지의 성장 온도들이 기록되었다. 포 2 (하기)는 이러한 반복된, 무작위 실험의 결과들을 제공한다. 리마 콩들의 수율들은 키네틴의 수용액이 개화 직전에 리마 콩 본엽에게로 에이커 당 1 파인트 또는 에이커 당 2 파인트의 비율로 적용되었을 때 유의하게 증가되었다 (예로, 더 적은 종자들이 자가포식, 및 종자 사망 또는 붕괴로 죽었다). 5%의 "t" 테스트의 차이가 유의하다.
표 1는 0 pt/에이커, 1/2 pt/에이커, 1 pt/에이커 및 2 pt/에이커의 비율들의 경우 개화 시점의 키네틴 용액 적용에 대한 작물 수율을 나타낸다.
Figure 112013097345174-pct00001
실시예 3
본 실시예에서는, 낮은 농도들의 포타슘과 함께 적용된 식물 성장 조절인자/호르몬, 사이토키닌의 효과가 관찰되었다. 밭에 적용된 사이토키닌은 이전에 기재된 바와 같이, X-Cyte이었다. 3년 기간 동안 오하이오주에서 시행된 이들 미반복된 밭 시도들에서, 에이커 당 1/2 lb 내지 1 lb로의 포타슘 및 에이커 당 1 파인트로의 사이토키닌이 밭 옥수수에 적용되었다. 사이토키닌에 추가하여, 포타슘을 적용하는 것에 의해 획득된 수율의 평균 증가는 에이커 당 대략 십오 (15) 부쉘이었다.
실시예 4
본 실시예에서는, 식물 성장 조절인자 사이토키닌, 상세하게는 키네틴의, 성장의 생식적 단계들 이전의 여러 시간대에서 적용된 효과가 관찰되었다. 표 2에서, V7, V10, V13, 및 V16는 옥수수 작물의 성장의 단계들을 말한다. V7은 7번째 잎의 경령 (collar)이 가시적인 성장 단계를 말하고, V10은 10번째 잎의 경령이 가시적인 성장 단계를 말하며, V13은 13번째 잎의 경령이 가시적인 성장 단계를 말하고, V16은 16번째 잎의 경령이 가시적인 성장 단계를 말한다. V16은 또한 성장의 생식적 단계 직전이다. 옥수수 작물들은 텍사스주, 웨슬라코 지역에서 성장되었다. 물 수준들은 전혀 없거나 (예로, 건조땅이라고 언급되는 단순한 비) "점적 테이프"를 통한 점적 (예로, 충분한 물이 작물의 더욱 최적의 성장을 위해 적용되는 점적 관개)이었다. 결과들이 수율 (에이커 당 부쉘로 측정됨), 및 종자의 무게 (1,000개 낟알 당 그램들로 측정됨)로 주어진다. T 테스트들은 차이들이 존재하는지 여부를 가리킨다. 외인성 사이토키닌 (본 경우에 키네틴)으로의 모든 처리들은 매우 유의한 방식으로 수율을 증진시켰다. 종자 크기는 일반적으로 미처리된 대조군 및 외부적으로 적용된 사이토키닌 둘 다의 경우에 더욱 최적의 물 공급과 거의 동일하게 증가하였다. 그러나, 건조땅 조건들 하에서는 (추가된 물 또는 관개 전혀 없음) 사이토키닌 처리가 매우 유의한 방식으로 미처리된 대조군과 대비하여 종자 크기를 증가시켰다.
표 2는 작물 수율 (에이커 당 곡물의 부쉘로 측정됨) 및 종자 크기 (1,000개의 종자 핵들 당 그램으로 측정됨)에 미치는 처리의 효과에 관한, 사이토키닌, 본 경우에 키네틴으로의, 성장의 생식적 단계 이전에 밭에서 성장된 옥수수 작물들의 처리.
Figure 112013097345174-pct00002
본 개시의 요약은 기술적 개시의 본질 및 요점을 대강의 조사로부터 신속하게 결정하는 수단으로 미국 특허 및 상표청 및 대중에게 제공하기 위해 전적으로 작성되고, 이것은 한 가지 바람직한 시행예를 나타내고, 전체로서 본 발명의 본질을 가리키지는 않는다.
본 발명의 일정 시행예들이 자세하게 설명되어 왔던 한편, 본 발명은 확인된 시행예들에 제한되지는 않는다: 기재된 시행예들의 변형들 및 적응들이 당업자들에게는 생길 수 있다. 이러한 변형들 및 적응들은 이하 본 명세서의 청구항들에서 개시된 본 발명의 정신 및 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 식물에게로 적용을 위해 식물 호르몬을 준비하는 단계로서, 상기 식물 호르몬은 주요한 성분으로서 사이토키닌을 가지는 단계;
    수용액 중의 상기 식물 호르몬을 개화 동안 또는 직전에 상기 식물에게로 적용하는 단계로서, 상기 수용액은 0.01 wt% 내지 0.1 wt% 사이의 사이토키닌의 농도를 가지며, 상기 수용액은 상기 식물에게로 에이커(4,047 평방 미터) 당 1/4 파인트(0.118 리터) 내지 4 파인트(1.892 리터)의 비율로 적용되는 단계; 및
    포타슘을 상기 식물의 잎 또는 꽃에게로 또는 상기 식물이 성장하는 토양으로 에이커(4,047 평방 미터) 당 1/4 lb.(113 그램) 내지 2 lbs.(907 그램) 사이의 포타슘의 비율로 적용하는 단계
    를 포함하는, 높은 스트레스 환경적 조건 하에서 성장된 식물의 식물 자가포식을 경감시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 높은 스트레스 환경적 조건은 섭씨 30도보다 높은 낮시간 온도인, 식물 자가포식을 경감시키는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 섭씨 30도보다 높은 낮시간 온도는 개화 동안 또는 직전에 생기는, 식물 자가포식을 경감시키는 방법.
  4. 성장하는 식물에게로 적용을 위한 자가포식-저해 제제를 준비하는 단계로서, 상기 자가포식 저해 제제는 식물 호르몬으로 구성되고, 상기 식물 호르몬은 사이토키닌을 포함하는 단계,
    상기 성장하는 식물에게로의 적용을 위한 포타슘 염을 준비하는 단계, 및
    수용액에 넣은 상기 자가포식-저해 제제 및 상기 포타슘 염을, 개화 동안 또는 직전에, 상기 성장하는 식물의 잎 또는 꽃에게로 또는 상기 식물이 성장하는 토양으로 적용하는 단계로서, 상기 수용액은 성장하는 식물의 에이커(4,047 평방 미터) 당 0.09 그램 내지 0.76 그램 사이 범위의 사이토키닌이 적용되도록 상기 성장하는 식물에게로 적용되고, 상기 포타슘 염은 상기 성장하는 식물의 잎 또는 꽃에게로 또는 상기 식물이 성장하는 토양으로, 에이커(4,047 평방 미터) 당 1/4 lb.(113 그램) 내지 2 lbs.(907 그램)의 포타슘 염의 비율로 적용되는 단계
    를 포함하는 경작 방법.
  5. 섭씨 20도 초과의 평균 낮시간 온도에서 성장하는 식물의 잎 또는 꽃에게로의 적용을 위해 식물 호르몬 및 포타슘을 준비하는 단계로서, 상기 식물 호르몬은 주요한 성분으로서 사이토키닌을 가지는 단계, 및
    상기 식물 호르몬 및 상기 포타슘의 수용액을, 개화 동안 또는 직전에, 상기 식물의 잎 또는 꽃에게로 또는 상기 식물이 성장하는 토양으로 적용하는 단계로서, 상기 사이토키닌이 에이커(4,047 평방 미터) 당 0.09 그램 내지 에이커(4,047 평방 미터) 당 0.76 그램 사이의 비율로 상기 식물에게로 적용되고, 상기 포타슘은 상기 식물의 잎 또는 꽃에게로 또는 상기 식물이 성장하는 토양으로, 에이커(4,047 평방 미터) 당 1/4 lb.(113 그램) 내지 2 lbs.(907 그램)의 포타슘의 비율로 적용되는 단계
    를 포함하는 식물을 성장시키는 방법.
  6. 주요한 성분으로서 사이토키닌을 포함하는 식물 호르몬, 및 500 ppm 내지 4,000 ppm 사이의 포타슘 염의 농도로 존재하는 포타슘 염을 포함하는 조성물로서, 상기 사이토키닌은 상기 조성물의 수용액에 0.1 ppm 내지 3.4 ppm 사이의 사이토키닌의 농도로 존재하고, 상기 조성물은 섭씨 30도 초과의 평균 낮시간 성장 온도 하에서 식물 자가포식을 감소시키는 데 효과적인 양인, 성장하는 식물에서 환경적 스트레스를 경감시키는 조성물.
  7. 성장하는 식물에서 환경적 스트레스를 감소시키기 위한 조성물로서,
    사이토키닌을 주요한 성분으로서 가지는 식물 호르몬으로서, 상기 사이토키닌은 상기 조성물이 적용될 때 0.09 그램 내지 0.76 그램 사이의 사이토키닌이 상기 성장하는 식물의 에이커(4,047 평방 미터) 당 적용될 수 있는 농도로 상기 조성물의 수용액에 존재하고, 상기 조성물은 섭씨 30도 초과의 평균 낮시간 성장 온도 하에서 식물 자가포식을 감소시키는 데 효과적인 양인 식물 호르몬, 및
    1/4 lb.(113 그램) 내지 2 lbs.(907 그램) 사이의 포타슘 염이 상기 조성물이 이와 같이 적용될 때 상기 성장하는 식물의 에이커(4,047 평방 미터) 당 적용될 수 있는 농도로 상기 조성물의 상기 수용액에 존재하는 포타슘 염
    을 포함하는, 성장하는 식물에서 환경적 스트레스를 감소시키기 위한 조성물.
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