KR102385684B1

KR102385684B1 - 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진용 조성물 및 이의 용도

Info

Publication number: KR102385684B1
Application number: KR1020190159583A
Authority: KR
Inventors: 김범기; 임선형; 이종렬; 김리경; 민명기
Original assignee: 대한민국
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2022-04-12
Also published as: EP3858139A4; KR102448554B1; EP3858139A1; CN113207276B; WO2021112352A1; KR20210069841A; US20230142026A1; CN113207276A; KR20220042091A

Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 유효성분으로 포함하는 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진용 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 조성물은 가뭄 및 삼투압 스트레스에 대한 저항성을 증진시키면서, 작물의 생장억제는 최소화할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 조성물은 작물 생리조절제로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Description

가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진용 조성물 및 이의 용도{Composition for enhancing drought and osmotic Stress resistance, and their uses}

본 발명은 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성을 증진시키기 위한 조성물 및 상기 조성물을 사용한 식물체의 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진 방법에 관한 것이다.

고등식물은 이동이 불가하기 때문에 그들의 일생 동안 다양한 환경 요인들, 예컨대, 가뭄, 고염(high salt), 중금속, 냉해, 고온 및 오존과 같은 환경적 스트레스에 직면하게 된다. 이러한 비생물학적 스트레스는 작물의 생장과 발달에 제한 요인이 되며, 비생물적 환경 스트레스에 의한 작물의 생산량 손실이 지대하여 가능한 생산량의 절반 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 작물 생산에 있어 물의 소비는 계속적으로 증가되고 있으며, 간헐적 혹은 장기간의 가뭄은 식량작물의 수득율에 큰 영향을 미친다. 식물은 물 부족에 대응하기 위해 가뭄의 인지, 신호전달 물질 생산 및 전파, 직접인지와 전달물질에 의한 신호전달 및 가뭄 스트레스 반응 유전자 발현을 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 스트레스 반응을 유도하는 신규 화합물들에 대한 기능 연구가 중요하다.

이러한 배경아래, 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진에 관여하는 신규화합물을 선발하고자 본 발명자는 한국 화합물 은행에서 보유 중인 식물 환경스트레스 저항성 호르몬인 ABA와 유사한 구조의 화합물을 90종 선정 후 분양받았다. 그리고 벼 원형질체와 환경스트레스 반응 리포터 시스템을 활용하여 ABA와 일부 유사 반응을 유도하는 화합물 S17을 선발하고, 상기 화합물 S17이 식물생리에 미치는 영향, 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 기능을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

1. Shinozaki and Yamaguchi-shinozaki, 2007

본 발명은 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성을 증진시키기 위한 조성물 및 상기 조성물을 사용한 식물체의 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다

상기의 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 유효성분으로 포함하는 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진용 조성물을 제공한다.

[화학식 1]

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 전술한 가뭄 및 스트레스 저항성 증진용 조성물을 식물에 처리하는 단계를 포함하는 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 화학식 1(S17)로 표시되는 화합물을 포함하는 조성물은 가뭄 및 삼투압 스트레스에 대한 저항성을 증진시키면서, 작물의 생장억제는 최소화할 수 있다.

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

도 1은 벼 원형질체 시스템을 이용한 화합물의 환경스트레스 반응 유도 검증결과이다: (A) pD2-M3 프로모터의 모식도, (B) 화합물 처리에 의한 fLUC 발현 확인, (C) ABA 신호전달계 이용 유무 확인, (D), S17 화합물 구조.
도 2는 S17 화합물의 가뭄저항성 증진 유도 실험 결과이다: (A) S17 처리 벼 건조 실험, (B) 건조실험에서의 생존율, (C) 건조실험 후 건조중량, (D) 화합물 처리 벼 잎의 수분 손실률 측정, (E) 화합물 처리 벼의 물 사용량.
도 3은 S17의 삼투압 스트레스 저항성 유도 검증 결과이다: (A) 삼투압 스트레스 처리 벼, (B) 물 사용량, (C) 실험 후 건조 중량.

본 발명은 하기 화학식 1(S17)로 표시되는 화합물을 유효성분으로 포함하는 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진용 조성물에 관한 것이다.

[화학식 1]

본 발명에서 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 화학식 1의 화합물 또는 S17로 표현할 수 있다.

가뭄저항성(drought restiveness, drought resistance) 및 삼투압 스트레스 저항성들은 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 것으로 알려져 있다.

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.

본 발명에 따른 화학식 1의 화합물을 포함하는 조성물은 우수한 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진 효과를 가진다.

상기 조성물 내에서 화학식 1의 화합물의 농도는 1 내지 1000 μM 일 수 있으며, 구체적으로 1 내지 500 μM, 보다 구체적으로 1 내지 50 μM 또는 1 내지 5 μM일 수 있다. 전술한 범위에서 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진 효과가 우수하다. 상기 농도가 1 μM 미만이면 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진 효과가 미미하며, 1000 μM를 초과할 경우 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성에 대해 유의미한 증진 효과를 나타내지 않으므로, 1 내지 1000 μM로 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 일 실시예에서는 ABA 신호전달을 저해하는 탈인산화 효소인 OsPP2C51 또는 OsPP2C68 유전자와 리포터 운반체(pABRE-DRE::fLUC, pUbi10::rLUC)를 벼 원형질체에 동시에 일시 발현시킨 후 ABA와 S17 화합물을 처리하여 리포터의 발현을 확인하였다(도 1C) 또한, S17의 가뭄 저항성 유도 현상을 확인하고자 양액 재배 후 14일 된 벼에 S17을 처리한 실험구와 처리하지 않은 대조구를 비교하여 S17을 처리한 실험구가 가뭄 저항성이 증가하는 것을 확인하였다(도 2B).

또한, 만니톨을 이용한 삼투압 스트레스 조건에서 대조구와 달리 S17 처리 시 벼의 삼투압 스트레스 저항성이 증진된 효과를 확인하였다(도 3).

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 전술한 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진용 조성물을 사용한 식물체의 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진 방법을 제공한다.

상기 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진 방법은 상기 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성 증진용 조성물을 식물에 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에서 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 벼, 밀, 보리, 옥수수, 콩, 감자, 팥, 귀리, 또는 수수를 포함하는 식량 작물류; 애기장대, 배추, 무, 고추, 딸기, 토마토, 수박, 오이, 양배추, 참외, 호박, 파, 양파, 또는 당근을 포함하는 채소작물류; 인삼, 담배, 목화, 참깨, 사탕수수, 사탕무우, 들깨, 땅콩, 또는 유채를 포함하는 특용 작물류; 사과나무, 배나무, 대추나무, 복숭아, 양다래, 포도, 감귤, 감, 자두, 살구, 또는 바나나를 포함하는 과수류; 장미, 글라디올러스, 거베라, 카네이션, 국화, 백합, 또는 튤립을 포함하는 화훼류; 및 라이그라스, 레드클로버, 오차드그라스, 알팔파, 톨페스큐, 또는 페레니얼라이그라스를 포함하는 사료 작물류로 이루어진 군에서 선택되는 1종 일 수 있다.

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

실시예 1: S17 의 화합물의 환경 스트레스 반응 유도 검정

식물 환경스트레스 저항성 호르몬인 ABA(Abscisic acid)에 반응하여 리포터유전자 루시퍼아제의 발현을 유도하는 pABRE-DRE::fLUC 운반체를 벼 원형질체에 일시 형질전환 시킨 후 한국화합물 은행에서 분양받은 ABA유사구조 90종의 화합물을 처리하여 리포터의 발현을 증진시키는 화합물을 선발하고 S17으로 명명하였다.

S17 화합물의 환경스트레스 반응 유도 효과를 ABA와 비교 검증하기 위하여 pABRE-DRE::fLUC와 형질전환 마커인 pUbi10::rLUC 운반체를 벼 원형질체에 일시 발현 시킨 후, ABA와 S17 화합물을 처리하고, 15시간 후에 fLUC의 발현 정도를 확인하였다. 그 결과 S17을 처리한 실험구에서 유의미한 fLUC의 발현을 확인하였다(도 1A, 1B).

또한, 상기 S17 화합물이 활성화시키는 신호전달 과정을 파악하기 위하여 ABA 신호전달을 저해하는 탈인산화 효소인 OsPP2C51 또는 OsPP2C68 유전자와 리포터 운반체(pABRE-DRE::fLUC, pUbi10::rLUC)를 벼 원형질체에 동시에 일시 발현시킨 후 ABA와 S17 화합물을 처리하여 리포터의 발현을 검정하였다. 그 결과 ABA 처리구에서는 OsPP2C51 또는 OsPP2C68에 의해 fLUC의 발현이 저해된 반면 S17의 처리구에서는 발현이 유도되는 것을 확인하였다(도 1C).

따라서, S17은 ABA 신호전달에 의한 환경스트레스 유전자 발현 유도와는 다른 기작을 갖는다는 것을 알 수 있었다.

실시예 2: S17의 화합물이 식물 가뭄 저항성에 미치는 영향

S17의 가뭄 저항성 유도 현상을 확인하고자 양액 재배 후 14일 된 벼에 S17을 처리한 실험구와 처리하지 않은 대조구를 비교하였다. S17을 처리하고, 3일이 지난 후 실험구와 대조구 식물에 제공된 양액을 제거하여 가뭄 스트레스를 처리하였다. 식물이 마르기를 기다려(12-24 시간 동안), 대조구와 실험구에 수분을 다시 공급하여 살아남은 식물의 비율을 측정하였다(도 2A, 2B). 그 결과 대조구의 경우 평균 16.6%, 실험구(S17 처리구)는 평균 76.7%의 생존률을 보여 가뭄 저항성이 증가하였음을 확인하였다(도 2B). 실험군의 건조 중량을 확인한 결과, S17 처리구의 중량이 대조구 중량의 평균 91.5%를 보였다(도 2C). 이것은 S17 처리시 발생하는 성장 억제 효과 때문으로 생각된다.

또한, ABA(5 μM)와 S17을 다양한 농도(10, 20 μM)로 하루 동안 처리한 실험구와 대조구 벼의 3번째 잎을 잘라 수분 손실률을 비교하였다. ABA 처리구와 유사하게 S17 처리구에서도 수분 손실률이 감소하는 것을 볼 수 있었다(도 2D). 14일 동안 양액 재배한 동진 벼 3개체를 50 ml 튜브에서 2일 동안 사용한 물의 양을 측정하였다. 대조구의 경우 2일 동안 평균 19.9g의 물을 사용하였고, ABA(5 μM)을 처리한 구에서는 8.7g을 S17을 10과 20 μM 처리한 구에서는 각각 14.7, 12.5g의 물을 사용하였다(도 2E). ABA 보다는 적지만 S17 처리구에서도 물 사용량이 줄어드는 것을 확인하였다.

실시예 3: 화학식 1의 화합물이 식물 삼투압 스트레스 저항성에 미치는 영향

앞서 S17가 ABA 신호전달과 무관하게 환경스트레스 반응 유전자 발현을 유도하는 것을 벼 원형질체 시스템을 이용하여 확인하였으므로 삼투압 스트레스에 대한 S17의 효과를 확인하고자 하였다. S17 처리 후 14일 된 벼에 만니톨을 이용하여 삼투압 스트레스를 유도하였다. S17을 5 μM, 10 μM로 처리한 실험구와 처리하지 않은 대조구에 만니톨 0 mM, 100 mM, 200 mM를 처리하고 이들 식물의 생장을 관찰한 결과 삼투압 스트레스 시 유도되는 잎 말림현상이 현저하게 감소되는 것을 확인하였다(도 3A).

또한, 삼투압 스트레스 생육 증진효과를 확인하기 위하여 S17을 처리한, 14일 된 벼에 만니톨을 이용하여 삼투압 스트레스를 유도하였다. S17을 5 μM, 10 μM로 처리한 실험구와 처리하지 않은 대조구에 만니톨 0 mM, 100 mM, 200 mM를 처리하고 이들 식물의 물 사용량과, 실험 후 건조 중량을 측정하였다(도 3). S17을 5, 10 μM 처리 시 대조구와 비교하여 97.5%, 78%의 물 사용량을 보였다. 만니톨의 농도가 높을수록 삼투압 스트레스로 인하여 식물의 물 사용량은 감소하였다. S17은 식물의 생장을 다소 억제하는 효과가 있으므로 처리 농도가 증가할수록 물 사용량이 감소하였다. 그러나, 만니톨 100 mM 처리 시, S17을 처리하지 않은 대조구와 S17 처리구(5, 10 μM)를 비교하면, S17 처리구에서 각각 120%, 106%의 물 사용량이 증가된 것을 보이며, 만니톨 200 mM 처리 시, S17을 처리하지 않은 대조구와 S17 처리구(5, 10 μM)를 비교하면, 각각 119%, 128%의 물 사용량이 증가한 것을 확인하였다(도 3, B).

실험 후 건조중량을 측정한 결과, 물 사용량의 변화와 비슷한 결과를 보였다. 만니톨을 처리하지 않은 대조구에서는 S17의 농도가 증가할수록 S17 0 μM 처리구와 비교할 때 97%(5 μM), 82%(10 μM)로 중량의 감소현상이 보인 반면, 100 mM 만니톨 처리구에서는 101%(5 μM), 104%(10 μM), 200 mM 만니톨 처리구에서는 106% (5 μM), 112% (10 μM)로 증가하는 것을 확인하였다(도 3C).

따라서 S17 처리에 의해 삼투압 스트레스에 대한 저항성이 증가되는 것을 확인하였다.

일련의 실험을 통하여 S17 화합물은 ABA와 마찬가지로 처리 시 수분 결핍 벼 유묘의 가뭄저항성을 증진시키고 삼투압 스트레스에 대한 저항성을 증진시키는 것을 알 수 있었다.

Claims

하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 유효성분으로 포함하는 벼의 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성을 증진시키는 조성물.
[화학식 1]
제 1 항에 있어서,
화학식 1로 표시되는 화합물의 농도는 1 내지 1000 μM인 벼의 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성을 증진시키는 조성물.
제 1 항에 따른 가뭄저항성 증진용 조성물을 식물체에 처리하는 단계를 포함하는 벼의 가뭄 및 삼투압 스트레스 저항성을 증진시키는 방법.
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