KR102633226B1 - 식물 병원성 진균의 생장을 저해하고 작물의 생장을 돕는 Massilia sp. HB5-7 균주 및 이의 활용 - Google Patents

식물 병원성 진균의 생장을 저해하고 작물의 생장을 돕는 Massilia sp. HB5-7 균주 및 이의 활용 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마실리아 속의 신규한 균주 Massilia sp. HB5-7 (KCTC14753BP) 에 관한 것 및 이를 식물 재배에 적용하여 식물의 생장 및 수확량을 증가시키는 것에 관한 것이다.

Description

식물 병원성 진균의 생장을 저해하고 작물의 생장을 돕는 Massilia sp. HB5-7 균주 및 이의 활용 {Massilia sp. HB5-7 strain having antifungal effect on plant pathogenic fungi and improves plants' growth and uses thereof}
본 발명은 식물 병원성 진균의 생장을 저해하고 다양한 유기물 분해 활성을 가짐으로써 배양토에 처리시 식물의 생장을 증진시키는 마실리아속의 신규한 균주 및 이의 용도에 관한 것이다.
최근 환경문제로 인간 활동의 모든 부분에서 친환경적인 수단을 도입하려는 노력이 시급히 요구되고 있다. 농업에서는 그간 화학비료와 농약에 의지하여 작물의 수량을 크게 증진시킬 수 있었다. 하지만 친환경적인 요구에 맞추어 식물과 유익한 상호작용을 하는 미생물들이 다수 발굴되고 있으며, 이들은 biofertilizer (생물비료)나 biocontrol agent (생물 방제제) 로 활용하려는 노력들이 계속되고 있다.
이렇게 식물의 근권에서 식물의 생장에 유익한 영향을 주는 미생물을 식물 생장 촉진 근권 미생물 (plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR)이라 하며, 이들이 식물의 생장과 활력을 증진시키고, 수량을 늘린다는 연구 결과들이 많이 발표되고 있다. 이러한 미생물들은 토양 내의 유기물을 분해하거나 식물이 이용하기 어려운 형태의 영양염을 식물이 흡수이용하기 쉬운 형태로 변환시켜 식물의 생장을 돕기도 하고, 식물에 병을 일으키는 유해균에 길항작용을 나타냄으로써 식물을 보호하기도 한다 (Olanrewaju et al. (2017) Mechanisms of action of plant growth promoting bacteria. World J Microbiol Biotechnol 33:197).
이 중 항진균 활성을 나타내고, 식물의 생장을 증진시키는 박테리아를 발굴하여 농업에 이용하기 위하여 개발된 제품들이 다수 있으나, 대부분 BacillusPseudomonas, Streptomyces 등에 한정되어 있다 (표 1).
표 1. 항진균 효과를 가지는 농용 미생물을 이용한 제품의 예
미생물 종 제품 (제조사)
Bacillus subtilis 씰러스, 그린올 (그린바이오텍), 잎살림 (흙살림), 테라스 (팜한농), 재노탄 (한국바이오), 에코제트 (신영아그로)
Pseudomonas chlororaphis 세도몬 (Cedomon, Bioagri)
Pseudomonas fluorescens 수도존 (Sudozone, Agriland Biotech)
Pseudomonas proradix 프로라딕스 (Proradix, Sourcon Padena)
Pseudomonas resinovorans 솔라나큐어 (Solanacure)
Pseudomonas syringae 바이오세이브 (Biosave, Industrial Ventilation)
Streptomyces candidus 바이오에이드 (Bioaid, BioNTech)
Streptomyces colombiensis 마이코싸이드 (Mycoside, 케이아이비씨)
Streptomyces galbus 마이코스톱 (Mycostop, 케이아이비씨)
Streptomyces goshikiensis 세이프그로 (Safegrow, 케이아이비씨)
Streptomyces griseofuscus 마이킹 (대유)
KR 10-1563349 P1 KR 10-1602772 P2
Adrangi et al. (2010) Purification and characterization of two extracellular endochitinases from Massilia timonae. Carbohydrate Research 345: 402-407 Lin et al. (2021) Multi-omics approach to identify bacterial polyynes and unveil their antifungal mechanism against Candida albicans. bioRxiv. preprint DOI: https://doi.org/10.1101/2021.03.30.437786
현재 시판되어 이용되고 있는 항진균 활성의 농업용 미생물의 균종은 극히 제한적이다. 특히, 해외에서 분리되어 개발된 균주의 제품들이 국내의 농가에서 적용 시 기대한 효과를 내지 못하는 경우가 많다. 따라서, 실제 농업 현장에서 미생물의 적용 범위를 늘리고, 효율을 높이기 위해서는 우리 토양의 다양한 환경에서 유래한 다양한 미생물 균종을 확보하고 개발할 필요가 있다 (사동민 외. 2011. (과제보고서) 미생물비료의 현장 활용증진 기술 개발에 관한 연구). 또한 이러한 균주의 식물 보호기능과 식물 생장 촉진 효과를 확인하여 농산업에 바로 적용할 수 있는 소재를 다양하게 확보 할 필요가 있다.
본 발명은 고강도의 환경 스트레스에 노출되어 있는 식물의 근권으로부터 분리된 미생물인 기탁번호 KCTC14753BP 로 수탁된 마실리아 속 (Massilia sp.) HB5-7 균주를 제공한다.
상기 미생물은 16S rDNA 염기서열 분석 (서열번호 1)을 통해 Massilia 속으로 동정되었으며 (도 1), 식물 병원성 진균에 대한 항진균 효과를 나타냈다 (도 2).
상기 균주의 유기물 분해 활성 (도 3)과 각종 효소 활성을 나타냈으며 (도 4), 이들 효소는 토양내의 양분을 식물이 활용할 수 있는 형태로 변환할 수 있다. 또한, ammonification 활성을 나타내어, 토양 내의 유기태 질소원을 식물이 흡수 및 환원할 수 있는 이온 형태로 전환하는 질소 순환과정에 중요한 역할을 할 수 있음을 나타냈다 (도 5). 따라서, 상기 균주의 처리만으로도 식물의 생장을 증진시킬 수 있으며 (도 6), 유기질 비료와 함께 처리한 경우 식물의 생장과 수확량이 더욱 증진되는 것을 확인하였다 (도 7). 특히 건축 폐기물 토양에서 유기질 비료와 함께 처리하여 월등히 높은 생장을 나타냄으로써 생장이 불리한 토질의 재활용을 가능하게 하고, 식물의 정착능력을 높일 수 있음을 입증하였다 (도 7).
본 발명의 Massilia sp. HB5-7 균주를 식물의 재배에 이용하면, 빠른 생장과 수확량의 증가를 가져올 수 있다. 특히, 본 균주는 유기물 분해 활성과 다양한 효소 활성을 나타냄으로써, 유기질 비료와 함께 사용하여 시너지 효과를 나타낼 수 있게 한다. 본 균주의 식물 병원성 진균에 대한 생장 억제 효과는 식물병 방제제로서의 적용 가능성을 나타내며, 화학 농약을 대체할 생물 농약 소재로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 Massilia sp. HB5-7 균주의 16s rDNA 염기서열을 NCBI database내의 다른 마실리아 속 균주들 및 그와 다른 가까운 속의 염기서열과 함께 비교한 것이다. 도 1A는 계통수이고, 도 1B에는 염기서열 비교 결과에서 차이가 있는 염기서열 부분만 나타낸 것이다.
도 2는 Massilia sp. HB5-7의 식물 병원성 진균의 생장 저해 효과를 보여주는 것이다.
도 3은 본 균주의 유기물 분해 활성을 나타내는 것이다.
도 4는 API® ZYM kit를 이용해 확인한 본 균주의 효소 활성 테스트 결과이다.
도 5는 네슬러 시약 (Nessler's reagent)를 이용하여 세포의 암모니아화 활성을 확인한 것이다.
도 6는 유식물체에 본 균주를 처리했을 때 생장이 증진되는 것을 보여주는 것이다.
도 7은 본 균주를 유기질 비료인 계분과 함께 처리했을 때 식물의 생장이 더욱 증진되는 것을 보여주는 것이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명의 과정을 구체적으로 설명하기 위해 예시적인 목적으로 기술된 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되지 않으며, 당업자에 의해 본 발명의 개념과 범위 내에서 변형 및 수정될 수 있음은 자명하다.
실시예 1: Massilia sp. HB5-7 균주의 분리 및 동정
식물이 정착하기 어려운 환경의 식물 근권에서 식물의 생장에 도움을 주는 토양 미생물을 분리하기 위하여, 건조한 한여름 뜨거운 열기와 햇빛에 노출되고 사람들의 발길이 빈번한 보도의 흙에서 자란 잡초 뿌리의 주변 흙을 채취하였다. 채취한 흙 (약 5mL)에 흙 부피의 약 2배 가량의 멸균수(약 10mL) 넣고 30분 가량 실온에 방치한 후 흙이 가라앉은 상층액을 멸균수에 다시 1/100, 1/500 희석하여, 각각 50 μL씩을 tryptone, ammonium sulfate, sodium nitrate가 각각 1g/L, soil extract가 1%로 포함된(이하 토양 박테리아 배지A) 평판배지에 도말하고 상온에 하룻 밤 배양하였다. 생성된 균주들은 각각 새로운 토양 박테리아 배지A에 배양한 후 동정을 위하여 (주)바이오닉스에 16S rDNA 유전자의 염기서열 분석을 의뢰하였다. 16S rDNA는 프라이머 27F (5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3')와 1492R (5'-GGTTACCTTGTTACGACTT-3')로 증폭하여 분석하였으며, 그 결과 얻어진 서열은 NCBI (National Center for Biotechnology Information)의 database (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)에서 blastn 알고리즘을 이용해, 유사한 서열을 가진 종들을 검색함으로써 Massilia 속의 박테리아로 동정하였다. 분석된 염기서열이 가장 유사한 종으로는 M. armeniaca strain ZMN-3 (CP028324.1)를 찾았으며 비교한 염기서열 범위에서 두 개의 염기서열에 차이를 보였다 (도 1B, 별표 표시 염기서열). 그 다음으로 유사한 Massilia 속의 염기서열들과, Massilia 속 다음으로 유사한 Duganella 속의 염기서열들을 비교하여 그 계통수를 1A에 나타냈다. 도 1에 비교한 염기서열들은 하기와 같다.
HB5-7: 신규 분리한 균주
Massilia armeniaca strain ZMN-3 (CP028324.1)
Massilia humi strain THG S6-8 (KM073948.1)
Massilia timonae strain U2 (EU274637.2)
Duganella sp. strain JTSBA1000-4 (OK149209.1)
Duganella radicis (LC191531.1)
실시예 2: Massilia sp. HB5-7 균주의 항균활성 검정
sucrose가 2g/L 첨가된 토양 박테리아 배지A 평판배지에 본 발명의 균주와 항균활성이 없는 negative control 균주를 횡선으로 각각 평행으로 streaking 후, 그 가운데에 식물 병원성 진균의 균사가 자라 있는 한천 조각을 올려놓아 함께 실온에 배양하였다. 식물 병원성 진균은 국립농업과학원 미생물은행 (Korean Agricultural Culture Collection, KACC)으로 부터 분양받았고, 상세 정보는 하기와 같다.
Phytophthora capsici (KACC 40158) 고추역병균
Botritys cinerea (KACC 43528) 잿빛곰팡이병
Rhizoctonia solani AG2-2 (IV) (KACC 40152) 잎집무늬마름병
Sclerotinia sclerotiorum (KACC 40457) 상추균핵병
항균 활성이 없는 negative control 균주와는 달리, 진균의 균사가 HB5-7 균주 주변으로는 자라지 못하는 것을 확인하였다 (도 2).
실시예 3: Massilia sp. HB5-7 균주의 유기물 분해 활성
상기 균주의 단백질, 전분, 섬유소 분해 활성을 테스트하기 위하여, 단백질 테스트를 위해서는 skim milk 1g/L, 전분은 corn starch 2g/L, 섬유소는 carboxymethyl cellulose 2g/L가 첨가된 토양 박테리아배지A 를 사용하였다. 액체상태로 배양된 Massilia sp. HB5-7 현탁액 1, 2, 4 μL, 그리고, 유기물 분해활성이 없는 negative control 균주의 배양 현택액 1, 2, 4 μL를 상기 평판배지에 각각 떨어뜨리고, 실온에 하룻 밤 배양하였다. 단백질 분해활성은 균주가 자란 콜로니 주변의 투명환의 형성을 통해 확인하였으며, 전분과 섬유소 분해 활성은 균주가 자란 평판배지에 1/5로 희석한 Lugφl solution을 부어 약 5분간 염색한 후 염색이 어느 정도 제거될 때까지 증류수로 반복하여 헹구어내고 나타나는 투명환의 여부로 확인하였다. 이들 유기물 분석 방법은 하기의 문헌을 참고 및 변형하여 실시하였다.
정제용 외. (2011) 친환경 잔디관리를 위한 가축분퇴비 중 기능성미생물의 분리 및 선발. Weed & Turf grass Science (한국잡초·잔디학회지) 6(2): 158-164
Chand et al. (2008) A rapid and easy method for the detection of microbial cellulases on agar plates using Gram's iodine. Curr Microbiol 57: 503-507
Hossain et al. (2020) Hydrolytic exoenzymes produced by bacteria isolated and identified from the gastrointestinal tract of bombay duck. Frontiers in Microbiology. doi: 10.3389/fmicb.2020.02097
Massilia sp. HB5-7 균주는 세 가지 유기물에 대해 모두 높은 분해활성을 나타냈다 (도 3).
실시예 4: API® ZYM kit를 이용해 본 균주의 다양한 효소 활성
API® ZYM kit (Biomerieux 25 200)는 미생물의 효소 활성 (19가지) 을 검사하기 위한 실험세트 (kit)로, Massilia sp. HB5-7이 가진 효소 활성을 알아보기 위해 이용하였다. kit의 스트립의 각 well에 McFarland 탁도 5에 맞춘 박테리아 배양액 65 μL를 접종하고 30도에서 약 4시간 배양하였다. 배양 후 ZYM A 시약과 ZYM B 시약을 각 well에 한 방울씩 떨어뜨리고, 상온에 약 15분 방치 후 발색의 진한 정도를 관찰하여 효소 활성을 판정하였다. Massilia sp. HB5-7 균주는 alkaline phosphatase, esterase, leucine arylamidase, valine arylamidase, acid phosphatase, 그리고 naphthol-AS-BI-phosphohydrolase의 활성을 나타냈다 (도 4).
실시예 5: Massilia sp. HB5-7 균주의 암모니아화 (ammonification) 활성
본 발명의 균주가 자란 현탁액 1mL를 원심분리하여 상층액은 따라 버리고, 세포 (균)만 펩톤수 (0.1% peptone)에 재현탁 하여 28oC에 약 2시간 배양하였다. 배양 후 다시 원심분리하여 세포가 포함되지 않은 상층액을 새 tube에 옮겨 담고, negative control (대조구)로는 세포를 배양하지 않은 펩톤수만 넣어주었다. 여기에 네슬러 시약 50μL를 첨가하여 탁한 오렌지색으로 변하는 것을 통해 세포가 펩톤수에 함유된 유기태 질소를 대사하여 암모니아로 변환한 것을 보여주었다 (도 5).
실시예 6: Massilia sp. HB5-7 균주 배양액의 식물 생장 증진 효과
케일 (맛짱케일, 아시아종묘), 상추 (시저스그린 로메인상추, 아시아종묘)의 종자를 발아시켜, 유근이 보이면 시판용 상토가 담긴 플러그판에 2 개씩 옮긴다. 본 발명의 균주는 한천이 포함되지 않은 토양 박테리아배지A 액체배지에 하룻 밤 배양하여 그 현탁액을 이용하였다.
유묘라 자라는 동안, 일주일에 2차례씩 박테리아 현탁액을 식물체가 심긴 각 well에 0.5mL씩 떨어뜨려 주었다. 약 4 주 가량 자란 유식물체의 생장량 차이는 현저했으며, 케일과 상추 모두에서 현탁액 처리구에서 빠른 생장을 확인하였다 (도 6).
실시예 7: Massilia sp. HB5-7 균주 배양액의 유기질 비료 시비 효과 증진
본엽이 한 장씩 출현한 케일과 잎들깨 (아시아종묘)의 유식물체 둘 씩을 약 3L 들이 화분에 옮겨 심었다. 배양토로는 건축폐기물 처리 후 나온 흙과 시판용 상토를 약 9:1로 섞어 사용하였다. 유기질 비료와 함께 처리한 효과를 보기 위해서는 식물체를 심기 전 계분퇴비 (압축건계분, 한성산업) 5g씩을 화분 흙 중간쯤 잠기게 넣어주었다. 액체배양한 박테리아 현탁액은, 식물 재배 첫 2주간 약 4회에 걸쳐, 한 번에 25mL씩 식물이 심긴 배양토 위에 부어주었다. 약 8주간 기른 식물체들의 생장 상태와, 수확한 잎의 무게를 도 7에 나타냈다.
한국생명공학연구원 KCTC14753BP 20211104
서열번호 1. Massilia sp. HB5-7 KCTC14753BP 의 16s rDNA 염기서열
1 TGCAAGTCGA ACGGTAACAG GGAGCTTGCT CCGCTGACGA GTGGCGAACG GGTGAGTAAT
61 ATATCGGAAC GTACCCAAGA GTGGGGGATA ACGTAGCGAA AGTTACGCTA ATACCGCATA
121 CGATCCAAGG ATGAAAGCAG GGGACCGCAA GGCCTTGTGC TCCTGGAGCG GCCGATATCT
181 GATTAGCTAG TTGGTGAGGT AAAGGCTCAC CAAGGCGACG ATCAGTAGCT GGTCTGAGAG
241 GACGACCAGC CACACTGGAA CTGAGACACG GTCCAGACTC CTACGGGAGG CAGCAGTGGG
301 GAATTTTGGA CAATGGGCGC AAGCCTGATC CAGCAATGCC GCGTGAGTGA AGAAGGCCTT
361 CGGGTTGTAA AGCTCTTTTG TCAGGGAAGA AACGGCTGTG GCTAATATCC ACGGCTAATG
421 ACGGTACCTG AAGAATAAGC ACCGGCTAAC TACGTGCCAG CAGCCGCGGT AATACGTAGG
481 GTGCAAGCGT TAATCGGAAT TACTGGGCGT AAAGCGTGCG CAGGCGGTTT TGTAAGTCTG
541 TCGTGAAATC CCCGGGCTTA ACCTGGGAAT GGCGATGGAG ACTGCAAGGC TGGAATCTGG
601 CAGAGGGGGG TAGAATTCCA CGTGTAGCAG TGAAATGCGT AGAGATGTGG AGGAACACCG
661 ATGGCGAAGG CAGCCCCCTG GGCTAAGATT GACGCTCATG CACGAAAGCG TGGGGAGCAA
721 ACAGGATTAG ATACCCTGGT AGTCCACGCC CTAAACGATG TCTACTAGTT GTCGGGTCTT
781 AATTGACTTG GTAACGCAGC TAACGCGTGA AGTAGACCGC CTGGGGAGTA CGGTCGCAAG
841 ATTAAAACTC AAAGGAATTG ACGGGGACCC GCACAAGCGG TGGATGATGT GGATTAATTC
901 GATGCAACGC GAAAAACCTT ACCTACCCTT GACATGGCAG GAATCCCTGA GAGATCGGGG
961 AGTGCTCGAA AGAGAACCTG CACACAGGTG CTGCATGGCT GTCGTCAGCT CGTGTCGTGA
1021 GATGTTGGGT TAAGTCCCGC AACGAGCGCA ACCCTTGTCA TTAGTTGCTA CGAAAGGGCA
1081 CTCTAATGAG ACTGCCGGTG ACAAACCGGA GGAAGGTGGG GATGACGTCA AGTCCTCATG
1141 GCCCTTATGG GTAGGGCTTC ACACGTCATA CAATGGTACA TACAGAGGGC CGCCAACCCG
1201 CGAGGGGGAG CTAATCCCAG AAAGTGTATC GTAGTCCGGA TTGTAGTCTG CAACTCGACT
1261 GCATGAAGTT GGAATCGCTA GTAATCGCGG ATCAGCATGT CGCGGTGAAT ACGTTCCCGG
1321 GTCTTGTACA CACCGCCCGT CACACCATGG GAGCGGGTTT ACCAG
<110> PARK, Seunghye <120> Massilia sp. HB5-7 strain having antifungal effect on plant pathogenic fungi and improves plants' growth and uses thereof <130> HB5-7 <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 1365 <212> DNA <213> Unknown <220> <223> Massilia sp. HB5-7 <400> 1 tgcaagtcga acggtaacag ggagcttgct ccgctgacga gtggcgaacg ggtgagtaat 60 atatcggaac gtacccaaga gtgggggata acgtagcgaa agttacgcta ataccgcata 120 cgatccaagg atgaaagcag gggaccgcaa ggccttgtgc tcctggagcg gccgatatct 180 gattagctag ttggtgaggt aaaggctcac caaggcgacg atcagtagct ggtctgagag 240 gacgaccagc cacactggaa ctgagacacg gtccagactc ctacgggagg cagcagtggg 300 gaattttgga caatgggcgc aagcctgatc cagcaatgcc gcgtgagtga agaaggcctt 360 cgggttgtaa agctcttttg tcagggaaga aacggctgtg gctaatatcc acggctaatg 420 acggtacctg aagaataagc accggctaac tacgtgccag cagccgcggt aatacgtagg 480 gtgcaagcgt taatcggaat tactgggcgt aaagcgtgcg caggcggttt tgtaagtctg 540 tcgtgaaatc cccgggctta acctgggaat ggcgatggag actgcaaggc tggaatctgg 600 cagagggggg tagaattcca cgtgtagcag tgaaatgcgt agagatgtgg aggaacaccg 660 atggcgaagg cagccccctg ggctaagatt gacgctcatg cacgaaagcg tggggagcaa 720 acaggattag ataccctggt agtccacgcc ctaaacgatg tctactagtt gtcgggtctt 780 aattgacttg gtaacgcagc taacgcgtga agtagaccgc ctggggagta cggtcgcaag 840 attaaaactc aaaggaattg acggggaccc gcacaagcgg tggatgatgt ggattaattc 900 gatgcaacgc gaaaaacctt acctaccctt gacatggcag gaatccctga gagatcgggg 960 agtgctcgaa agagaacctg cacacaggtg ctgcatggct gtcgtcagct cgtgtcgtga 1020 gatgttgggt taagtcccgc aacgagcgca acccttgtca ttagttgcta cgaaagggca 1080 ctctaatgag actgccggtg acaaaccgga ggaaggtggg gatgacgtca agtcctcatg 1140 gcccttatgg gtagggcttc acacgtcata caatggtaca tacagagggc cgccaacccg 1200 cgagggggag ctaatcccag aaagtgtatc gtagtccgga ttgtagtctg caactcgact 1260 gcatgaagtt ggaatcgcta gtaatcgcgg atcagcatgt cgcggtgaat acgttcccgg 1320 gtcttgtaca caccgcccgt cacaccatgg gagcgggttt accag 1365

Claims (5)

  1. 서열번호 1의 16S rDNA 염기서열을 가지는 식물 생장 촉진 및 수확량 증진 효과 또는 식물 병원성 진균에 대한 항균 활성을 가지는 마실리아 (Massilia sp.) HB5-7 균주(기탁번호 KCTC14753BP).
  2. 제 1항의 Massilia sp. HB5-7 (KCTC14753BP) 균주 또는 이의 배양물을 유효성분으로 함유하는 식물 생장 촉진용 또는 식물 병 방제용 조성물로,
    상기 식물 생장 촉진은 엽채류인 상추, 케일, 또는 들깨의 생장 촉진과 수확량 증진이며,
    상기 식물 병은 식물 병원성 진균인 잎집무늬마름병균(Rhizoctonia solani), 잿빛곰팡이병(Botrytis cinerea), 상추균핵병균(Sclerotinia sclerotiorum), 또는 고추역병균(Phytophthora capsici)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 식물병원균에 의한 병을 특징으로 하는 조성물.

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