KR102081976B1 - 가뭄저항성 증진용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 유효성분으로 포함하는 가뭄저항성 증진용 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 조성물은 가뭄에 대한 저항성을 증진시키면서, 작물의 생장억제는 최소화할 수 있다. 따라서, 작물 생리조절제로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
[화학식 1]

Description

가뭄저항성 증진용 조성물 {Composition for enhancing drought resistance and their uses}

본 발명은 가뭄저항성을 증진시키기 위한 조성물 및 상기 조성물을 사용한 식물체의 가뭄저항성 증진 방법에 관한 것이다.

고등식물은 이동이 불가하기 때문에 그들의 일생동안 다양한 환경 요인들, 예컨대, 가뭄, 고염(high salt), 중금속, 냉해, 열충격 및 오존과 같은 환경적 스트레스에 직면하게 된다. 이러한 비생물학적 스트레스는 작물의 생장과 발달의 제한 요인이 되며, 비생물적 환경 스트레스에 의한 작물의 생산량 손실이 지대하여 가능한 생산량의 반 이상이 비생물학적 스트레스에 의해 손실됨이 확인되고 있다. 더욱이 최근에는 국지적이나마 급격한 환경 변화가 기록되고 있어 이에 따른 작물의 피해 정도가 더욱 우려되고 있다.

이들 비생물학적 스트레스 중에서 수분 부족은 작물생산 감소의 주요 원인으로 여겨지는 가장 심각한 환경 요인이다. 세계적으로 물의 소비는 계속적으로 증가되고 있으며, 깨끗한 물의 이용가능성은 인간에게 뿐만 아니라 고등식물에게도 중요한 문제가 될 수 있다. 식물은 단기적 또는 장기적인 물 부족에 대해 내성을 증가시키기 위해 신호 네트워크 경로를 조절하거나 스트레스-반응성 유전자들을 유도하는 등의 다양한 방어 전략을 작동시킨다. 이러한 수분 스트레스에 대한 세포적 또는 유전적 방어 메카니즘은 널리 알려져 있다(비특허문헌 1). 그러나 아직까지 고등식물에 있어서 스트레스에 대한 내성이나 민감성에 관여하는 스트레스-관련 유전자들의 생물학적 기능들에 대한 지식은 여전히 부족한 상태다.

그러므로, 작물의 생산성을 증가시키기 위해 스트레스에 대한 내성이나 민감성에 관여하는 스트레스-관련 유전자 또는 신규 화합물들에 대한 기능 연구가 중요하다.

이러한 배경아래, 가뭄저항성 증진에 관여하는 신규화합물을 선발하고자 본 발명자들은 한국 화합물 은행에서 보유 중인 화합물 중에서 식물 환경스트레스 저항성 호르몬인 ABA와 유사하게 카르복실 그룹과 페놀고리를 갖고 있으면서 분자량이 작은 화합물을 90종 선정 후 분양받았다. 그리고, 벼 원형질체와 환경스트레스 반응 리포터 시스템을 활용하여 ABA와 일부 유사 반응을 유도하는 화합물 S7을 선발하고, 상기 화합물 S7이 식물생리에 미치는 영향 및 가뭄저항성 기능을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

1. Shinozaki and Yamaguchi-shinozaki, 2007

본 발명은 가뭄저항성을 증진시키기 위한 조성물 및 상기 조성물을 사용한 식물체의 가뭄저항성 증진 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 유효성분으로 포함하는 가뭄저항성 증진용 조성물을 제공한다.

[화학식 1]

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 전술한 가뭄저항성 증진용 조성물을 식물에 처리하는 단계를 포함하는 가뭄저항성 증진 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 조성물은 가뭄에 대한 저항성을 증진시키면서, 작물의 생장억제는 최소화할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 조성물은 작물 생리조절제로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 화학식 1의 화합물 및 ABA의 처리 시, 원형질체에서 환경 스트레스 반응 리포터들의 발현 유도를 검정한 결과를 나타낸다.
도 2는 화학식 1의 화합물이 벼 유묘 생장에 미치는 영향과 ABA 수용체와 탈인산화효소간 복합체 형성에 미치는 영향을 검정한 결과를 나타낸다.
도 3은 화학식 1의 화합물이 증산작용에 미치는 영향을 검정한 결과를 나타낸다.
도 4는 화학식 1의 화합물 처리 후, 비생물학적 환경스트레스 반응 유전자 발현을 검증한 결과를 나타낸다.
또한, 도 5는 화학식 1의 화합물 처리에 의한 식물체의 가뭄 저항성 증진 효과를 검증한 결과를 나타낸다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 유효성분으로 포함하는 가뭄저항성 증진용 조성물에 관한 것이다.

[화학식 1]

본 발명에서 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 화학식 1의 화합물 또는 S7로 표현할 수 있다.

가뭄저항성(drought resistiveness, drought resistance)은 식물이 탈수에 버틸 수 있는 성질로서, 식물이 건조 또는 가뭄상태를 견딜 수 있는 정도를 나타내는 용어이다.

종래 기술에서는, 가뭄스트레스에 관련된 유전자 조작을 통해 가뭄저항성이 증진된 작물을 개발하거나, 식물 환경스트레스 저항성 호르몬인 ABA(Abscisic acid)를 처리하는 방법으로 식물체의 가뭄저항성을 증진시켰다. 특히, ABA는 다양한 방법으로 가뭄저항성 증진에 영향을 미치는 화합물로서, 상기 화합물은 가뭄저항성 증진 효과가 우수하나, 식물의 성장에 부정적인 영향을 미치는 문제점이 존재한다.

따라서, 본 발명자들은 ABA와 유사한 구조의 화합물을 대상으로 벼 원형질체와 환경스트레스 반응 리포터 시스템을 활용하여 ABA와 일부 유사 반응을 유도하는 화합물, 즉 화학식 1의 화합물을 선정하였다 (도 1).

본 발명에 따른 화학식 1의 화합물을 포함하는 조성물은 우수한 가뭄저항성 증진 효과를 가지면서도 식물의 생장을 억제하지는 않는 우수한 특성을 가진다.

상기 조성물 내에서 화학식 1의 화합물의 농도는 1 내지 1000 μM 일 수 있으며, 구체적으로 5 내지 500 μM, 보다 구체적으로 10 내지 200 μM 또는 10 내지 100 μM일 수 있다. 전술한 범위에서 가뭄저항성 증진 효과가 우수하다. 상기 농도가 1 μM 미만이면 가뭄저항성 증진 효과가 미미하며, 1000 μM를 초과할 경우 가뭄저항성에 대해 유의미한 증진 효과를 나타내지 않으므로, 1 내지 1000 μM로 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 일실시예에서는 화학식 1의 화합물이 ABA와 같이 벼 유묘 생장억제 효과를 가지는지 또한, ABA 수용체와 탈인산화효소 복합체 형성을 매개하는지 검정하였다. 그 결과, 화학식 1의 화합물은 ABA처럼 벼 유묘의 생장을 저해하는 효과를 나타내지 않지만, 일부 ABA 수용체와 탈인산화효소와의 상호작용을 매개함을 확인하였다(도 2). 또한, 일실시예에서 화학식 1의 화합물 처리 시 ABA에 의해 발현 유도되는 마커 유전자의 발현을 확인하였다(도 4). 이와 더불어, 일실시예에서 화학식 1의 화합물이 ABA처럼 증산작용을 억제할 수 있는지 확인한 결과, 화학식 1의 화합물도 일부 증산작용 억제 효과가 있음을 확인하였고(도 3), 또한 화학식 1의 화합물이 벼의 가뭄저항성을 증진시키는지 검정한 결과, 유묘상태에서 수분 고갈 시에도 대조군에 비하여 건강한 상태를 유지할 수 있는 것을 확인하였다(도 5).

상기 실시예의 결과로부터, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물은 작물 생리 및 분자생물학적으로 ABA와 일부 유사하게 기능할 수 있음을 확인할 수 있었다. 상기 화학식 1의 화합물은 생장억제 효과는 적으면서, 증산 작용억제 및 스트레스 반응 유전자 발현 유도 효과를 가진다. 따라서, 유묘기 수분 공급 결핍시에도 가뭄저항성 증진효과를 보일 수 있다. 즉, 화학식 1의 화합물은 작물의 생장을 억제하지 않고 가뭄저항성을 증진시킬 수 있는 우수한 가뭄저항성 증진 물질이다.

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 전술한 가뭄저항성 증진용 조성물을 사용한 식물체의 가뭄저항성 증진 방법을 제공한다.

상기 가뭄저항성 증진 방법은 상기 가뭄저항성 증진용 조성물을 식물에 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에서 상기 처리는 침지 또는 분무일 수 있다. 상기 침지의 경우 조성물을 식물체 주변의 토양 및 배지에 붓거나 또는 식물체의 종자를 조성물에 담가둘 수 있다.

상기 식물체는 특별히 제한되지 않으며, 벼, 밀, 보리, 옥수수, 콩, 감자, 팥, 귀리, 수수를 포함하는 식량 작물류; 애기장대, 배추, 무, 고추, 딸기, 토마토, 수박, 오이, 양배추, 참외, 호박, 파, 양파, 당근을 포함하는 채소작물류; 인삼, 담배, 목화, 참깨, 사탕수수, 사탕무우, 들깨, 땅콩, 유채를 포함하는 특용 작물류; 사과나무, 배나무, 대추나무, 복숭아, 양다래, 포도, 감귤, 감, 자두, 살구, 바나나를 포함하는 과수류; 장미, 글라디올러스, 거베라, 카네이션, 국화, 백합, 튤립을 포함하는 화훼류; 및 라이그라스, 레드클로버, 오차드그라스, 알팔파, 톨페스큐, 페레니얼라이그라스를 포함하는 사료 작물류일 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 화학식 1의 화합물의 환경스트레스 반응 유도 검정

식물 환경스트레스 저항성 호르몬인 ABA(Abscisic acid)에 반응하여 리포터유전자 루시퍼라아제의 발현을 유도하는 pABRE-DRE::fLUC 운반체를 벼 원형질체에 일시 형질전환 시켰다. 그 후, 다양한 화합물을 상기 벼 원형질체에 처리하여 ABA 처리 시의 리포터유전자의 발현 반응과 비교하였다.

그 결과, 화학식 1의 화합물(S7)은 반응정도는 낮지만, ABA와 유사한 효과를 나타내는 것을 확인 하였다.

이후 환경스트레스에서 pABRE-DRE::fLUC리포터와 ABA 비의존적인 반응을 유도하는 pDRE::fLUC 리포터를 이용하여, 화학식 1의 화합물 및 ABA의 처리농도에 따른 반응성을 검정하였다.

상기 검정 결과를 도 1에 나타내었다.

상기 도 1에 나타난 바와 같이, ABA 처리군에서는 ABA 농도가 증가함에 따라 pABRE-DRE::fLUC 리포터에 의한 루시퍼라아제(LUC)의 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있으나, pDRE::fLUC 리포터를 사용한 실험군에서는 루시퍼라아제의 발현에 변화가 없었다. 이에 반해, 화학식 1의 화합물을 처리한 군에서는 화합물의 처리 농도가 증가함에 따라 pABRE-DRE::fLUC 리포터와 pDRE::fLUC 리포터 모두에서 발현이 증가하고, 결과 루시퍼라아제의 발현이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2: 화학식 1의 화합물의 벼 유묘 성장에 미치는 영향과 ABA 복합체에서의 역할

ABA은 식물체가 환경스트레스에 대응하여 적응하는데 주요한 역할을 수행하나, 식물체의 유묘기 생장을 저해하는 특성을 가진다. 또한, ABA는 수용체(OsPYL/RCARs)와 특정 탈인산화효소(PP2Cs)의 결합을 매개하여 단백질 복합체를 생성하며, 이는 ABA 신호전달의 시발점이 된다. 이러한 ABA의 생리적, 분자적인 특성을 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물(S7)이 나타내는지 검정하였다.

1/2 MS(Murashige-Skoog) 고체 배지에서 발아시킨 볍씨를 ABA 또는 화학식 1의 화합물(S7)을 포함하는 1/2 MS 고체 배지에 치상하여 5일간 생육시켰다.

도 2A 및 B는 화학식 1의 화합물 및 ABA가 포함된 위의 배지에서 5일간 생육 후 벼 유묘의 생장 모습을 나타내는 사진 및 생장 정량 그래프로, 화학식 1의 화합물을 처리한 배지에서의 벼 유묘 생장은 ABA를 처리한 배지와는 달리 정상적임을 확인하였다. 상기 화학식 1의 화합물을 처리할 경우 대조군(control, 무처리군)과 유사한 수준의 생장을 나타내었다.

ABA는 ABA 수용체와 탈인산화효소의 상호작용을 매개하는 특성을 갖고 있다. Yeast Two Hybrid 방법을 이용하여, 화학식 1의 화합물이 ABA 수용체 및 탈인산화효소의 상호작용에 영향을 미치는지 확인하였다.

도 2C는 상기 방법을 통해 화학식 1의 화합물이 ABA 수용체와 탈인산화효소의 상호작용을 매개하는지 확인한 사진으로, 화학식 1의 화합물은 일부 ABA 수용체들과 탈인산화효소들의 상호작용을 매개하는 것을 확인할 수 있었다.

구체적으로, ABA는 거의 모든 조합에서 ABA 수용체와 탈인산화효소의 결합을 유도하였으나, 화학식 1의 화합물은 일부 조합에서 결합을 유도하는 것을 확인 할 수 있었다. OsPYL/RCAR7-OsPP2C53, OsPYL/RCAR8-OsPP2C06, OsPYL/RCAR8-OsPP2C30, OsPYL/RCAR3-OsPP2C68, OsPYL/RCAR5-OsPP2C68 및 OsPYL/RCAR5-OsPP2C51에서 확연한 결합 반응을 보이는 반면, OsPYL/RCAR1, OsPYL/RCAR6 및 OsPYL/RCAR4의 경우 ABA에 의해서만 확연한 결합반응이 일어나는 것을 확인할 수 있었다.

이를 통해 화학식 1의 화합물은 일부 ABA 수용체에 대하여 ABA와 유사한 역할을 할 수 있지만, 벼 유묘의 생장에는 영향을 미치지 않는다는 것을 최종 확인하였다.

실시예 3: 화학식 1의 화합물이 식물 증산작용에 미치는 영향

ABA는 다양한 방법으로 가뭄저항성 증진에 영향을 주지만, 그 중 주요한 요인으로는 식물의 기공 닫힘을 유도하여 식물의 수분 발산을 억제하는 방법으로 가뭄저항성 증진에 영향을 준다. 화학식 1의 화합물(S7)이 벼의 증산작용에 미치는 영향을 관찰하기 위하여, 화학식 1의 화합물을 식물체(벼 유묘)에 처리한 후 적외선(Infra-Red) 카메라를 이용하여 옆 온도를 측정함으로써 식물증산작용 정도를 관찰하였다.

그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3A는 화학식 1의 화합물 및 ABA을 처리한 직후 및 7 시간 후의 적외선 카메라 촬영 이미지이다. 상기 도 3A에 나타난 바와 같이, ABA를 처리한 식물체(ABA 처리군)는 증산이 활발한 무처리 대조군(Con.)과 비교하여, 증산 작용을 억제하여 7시간 후에는 약 1.6℃ 정도의 온도가 올라가는 것을 확인 하였다 (옆면 최저온도 측정).

화학식 1의 화합물을 처리한 식물체(화학식 1의 화합물 처리군)는 7시간 후에 ABA 처리군과 비슷하게 1℃ (10 μM 처리군), 1.5℃ (50, 100 μM 처리군) 정도의 옆면 온도가 올라가는 것을 확인하였다.

증산량은 물 사용과 밀접한 관계를 가진다. 본 발명에서는 이를 확인하기 위해 화학식 1의 화합물 처리군의 물 사용량을 확인하였다.

대조군(control)과 화학식 1의 화합물 처리군(S7) 각각 두 식물체(벼 유묘) 씩 4개의 실험군을 만들어 물 사용량을 확인하였다. 그 결과, 24시간 후의 물 사용량은 대조군 5 ml, 화학식 1의 화합물 처리군 3.4 ml이고, 96시간 후의 물 사용량은 대조군 18.4 ml, 화학식 1의 화합물 처리군 14.7 ml로, 초기 시간부터 물 사용량이 차이가 나는 것을 확인하였다(도 2B).

또한, 식물체(벼 유묘)를 화학식 1의 화합물을 포함한 yosida 용액에 24 시간 배양한 후, 그 식물체에서 분리된 잎을 이용하여 식물의 물 손실률을 측정하였다. 그 결과, 화학식 1의 화합물을 100 uM 처리한 군에서 약간의 물 손실이 저해 되는 것을 확인하였다 (도 3C).

실시예 4: 화학식 1의 화합물에 의한 가뭄 스트레스 유도 유전자의 발현 유도

ABA는 ABA 수용체와 결합함으로써 ABA 신호전달을 유도하며, 이를 통해 가뭄 등의 환경스트레스에 반응하는 유전자들의 발현을 유도한다.

화학식 1의 화합물 역시 일부의 ABA 수용체와 결합함으로써 환경스트레스 반응 유전자 발현을 유도할 것이라 추정된다. 본 발명에서는 이를 확인하기 위해, 화학식 1의 화합물(S7) 40uM 을 식물체(벼 유묘)에 처리하고 8 시간 후, 마커 유전자의 RNA 발현을 확인하였다.

그 결과를 도 4에 나타내었다.

상기 도 4에 나타난 바와 같이, ABA 의존적으로 가뭄에 의해 발현이 유도되는 유전자인 Rab21(Rab16a)와 LEA3의 경우 8 시간 후 대조군 대비 각각 2000배, 400배 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었다(도 4A, B). 이에 반해 ABA에 의해 비의존적으로 발현되는 마커인 DREB1A의 경우 특정할 정도의 증가를 보여주지 않았다(도 4C).

실시예 5: 화학식 1의 화합물의 가뭄저항성 증진 역할

14일 된 식물체(벼 유묘)를 ABA 또는 화학식 1의 화합물(S7)을 포함하는 물에 48 시간 동안 배양한 후, 배양 용기에서 물을 제거하여 가뭄 처리하고 무처리 대조군(Control)과 비교하였다.

무처리 대조군의 경우 가뭄 처리 후 24 시간 후에는 잎이 말리는 현상이 나타났고, 30 시간 이후에는 완전히 시들어 회복불능 상태가 되었다.

ABA 처리군에서는 24 시간 후에도 식물이 정상적 상태를 유지하였고, 30 시간 이후에는 일부 시들음 현상이 발생하는 것을 확인하였다. 화학식 1의 화합물 처리군도 ABA 처리군과 유사하게 대조군에 비하여 수분 결핍상태에서도 식물상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다(그림 5A).

적외선카메라 촬영사진에서는 ABA에 비하여 화학식 1의 화합물 처리군에서 증산활동이 활발히 진행되고 있음을 알 수 있었다(그림 5B).

또한, 도 5C와 도 5D는 가뭄처리 후 수분 재공급 시 식물체의 생존 관찰 사진 및 IR 카메라 촬영사진으로, 가뭄처리 후 수분 재공급 시 ABA와 화학식 1의 화합물 처리군은 정상상태로 식물체가 회복되었으나, 대조군은 식물체가 회복하지 못하고 죽는 것을 관찰 할 수 있었다.

일련의 실험을 통하여 화학식 1의 화합물은 ABA와 마찬가지로 처리 시 수분 결핍 벼 유묘의 가뭄저항성을 증진시킴을 알 수 있었다.

Claims (4)

1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 유효성분으로 포함하며,
   상기 화합물은 증산작용을 억제하면서, 작물의 생장을 억제하지 않는 것인,
   가뭄저항성 증진용 조성물:
   [화학식 1]
   

   

   
   
2. 제 1 항에 있어서,
   화학식 1로 표시되는 화합물의 농도는 1 내지 1000 μM인 가뭄저항성 증진용 조성물.
   
3. 제 1 항에 따른 가뭄저항성 증진용 조성물을 식물체에 처리하는 단계를 포함하는 가뭄저항성 증진 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 식물체는 벼, 밀, 보리, 옥수수, 콩, 감자, 팥, 귀리, 및 수수로 이루어진 식량 작물; 애기장대, 배추, 무, 고추, 딸기, 토마토, 수박, 오이, 양배추, 참외, 호박, 파, 양파, 및 당근으로 이루어진 채소작물; 인삼, 담배, 목화, 참깨, 사탕수수, 사탕무우, 들깨, 땅콩, 및 유채로 이루어진 특용 작물; 사과나무, 배나무, 대추나무, 복숭아, 양다래, 포도, 감귤, 감, 자두, 살구, 및 바나나로 이루어진 과수; 장미, 글라디올러스, 거베라, 카네이션, 국화, 백합, 및 튤립으로 이루어진 화훼; 및 라이그라스, 레드클로버, 오차드그라스, 알팔파, 톨페스큐, 및 페레니얼라이그라스로 이루어진 사료 작물로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 가뭄저항성 증진 방법.
   

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