KR20060057302A - 푸사리움 프로리페라툼 kgl0401 균주를 이용한지베렐린의 대량생산방법 및 용도 - Google Patents

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이진형
이인구
이인중
신용규
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    • C12P27/00Preparation of compounds containing a gibbane ring system, e.g. gibberellin

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Abstract

본 발명은 푸사리움 프로리페라툼 KGL0401 균주를 이용한 지베렐린의 대량생산방법 및 용도에 관한 것으로, 꽈리 뿌리로부터 지베렐린 생산능이 있는 푸사리움 프로리페라툼KGL0401 균주를 분리 동정한 결과 종래의 지베렐린 생산균주보다 월등히 높은 GA1, GA3, GA4, GA7, GA9, GA20, GA24 생산율을 보임을 확인하고 상기 균주를 대량으로 배양함으로써 생물학적으로 활성이 있는 GA1, GA3, GA4 GA7 및 GA9를 대량으로 제공할 수 있어 이를 상품화할 수 있는 매우 뛰어난 효과가 있다.
지베렐린, 푸사리움 프로리페라툼 KGL0401균주, 식물생장촉진용 조성물

Description

푸사리움 프로리페라툼 KGL0401 균주를 이용한 지베렐린의 대량생산방법 및 용도{Method of producing gibberellic acids in bulk using Fusarium proliferatum KGL0401 strain and the use thereof}
도 1은 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401의 rDNA의 스몰 서브유닛(small subunit) 코딩 유전자의 염기 서열을 나타낸다.
도 2는 하겜(Hagem) 배지에서 배양된 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 균주를 나타내는 사진도이다.
도 3은 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401과 지베렐라 푸지쿠로이(Gibberella fujikuroi)의 크자벡스(Czapek`s) 액체배지 배양액을 와이토-씨(waito-c) 볍씨에 처리한 후 7일 경과 사진이다.
본 발명은 푸사리움 프로리페라툼 KGL0401 균주를 이용한 지베렐린의 대량생산방법 및 용도에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 꽈리 뿌리에서 분리 동정된 지베렐린 생산능이 있는 푸사리움 프로리페라툼 KGL0401 균주를 배양하여 지베렐린을 대량생산하는 방법 및 상기 균주를 포함하는 식물생장촉진용 조성물에 관 한 것이다.
지베렐린(Gibberellin)은 디터르페노이드(diterpenoid) 복합체로 녹색식물과 곰팡이 그리고 세균에서 생산되며(B. Tudzynski, 1999) 식물의 생장과 종자의 발아, 줄기의 신장, 잎의 성장, 개화촉진 그리고 과육의 성숙을 조절한다고 알려져 있다(Neil Olszewski et al. 2002 ; Rademacher, 1997). 1935년 야부타(Yabuta)는 벼가 웃자라는 벼키다리병(bakana disease)의 원인균인 지베렐라 푸지쿠로이(Gibberella fujikuroi)를 분리하였으며 이 균이 생산하는 이차대사산물이 바로 지베렐린(이하 GAs)이었다(Peter Heedden, 1999). 지금까지 130종류의 GAs가 있다고 알려져 있으며 그 중에서 GA1, GA3, GA4 그리고 GA7이 생물학적으로 활성이 높은 것으로 알려져 있다(Hedden and Phillips, 2000 ; Masatomo kabayashi, 2000). 이러한 GAs는 상업적으로 널리 이용되는데 대부분이 GA3이며 포도 종자의 성장과 감귤류의 외피를 부드럽게 하기도하고 과피의 상태를 좋은 상태로 유지하여 노화를 억제하며 해충 및 다른 환경요소들로부터의 훼손을 막아 상품성을 높이기도 한다. 특히, 사과에서는 외피의 적갈색의 반점들을 조절하여 맛을 좋게 하고, 일반적으로 꽃이 피지 않는 계절에 꽃의 개화를 유도하여 장식용으로도 이용되고 있다. 때때로 몇몇 식물에서는 종종 개화에 문제가 있을 수도 있는데 이러한 곳에도 GAs가 적용되고 있다(Lewis N. mander, 2003). GAs를 생산한다고 알려져 있는 균으로는 지베렐라 푸지쿠로이(Gibberella fujikuroi)(Takahashi et al, 1955 ; Hanson, 1967; B. Tudzynski, 1999)를 비롯하여 스페이스로마 마니호티콜라(Spaceloma manihoticola)(Rademacher and Graebe 1978), 뉴로스포라 크라사(Neurospora crassa)(Kawanabe et al. 1983), 파애오스패리아 에스피(Phaeosphaeria sp.) L487(Sassa et al, 1989 ; Kawaide et al. 1995), 스포리소리시움 레일리아눔(Sporisorisium reilianum)(Matheussen et al, 1990) 등이 있으나 아직까지 상업적으로 이용되는 균은 지베렐라 푸지쿠로이(Gibberella fujikuroi) 외에는 알려져 있지 않다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 점을 고려하여 농업과 원예학에 매우 유용한 GAs를 생산하는 새로운 균을 찾기 위하여 꽈리 뿌리에서 GAs 생산균을 분리 및 동정하였으며, 여러 종류의 GAs중 활성이 있다고 알려진 GA1, GA3, GA4, GA7와 GA9 그리고 GA20, GA24의 생산량을 분석함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 꽈리 뿌리에서 분리동정된 지베렐린 생산능이 있는 푸사리움 프로리페라툼 KGL0401 균주를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 푸사리움 프로리페라툼 KGL0401 균주를 배양하여 지베렐린을 대량생산하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기에서 분리 동정된 지베렐린 생산능이 있는 푸사리움 프로리페라툼 KGL0401 균주 배양액을 유효성분으로 포함하는 식물생장촉진용 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 상기 목적은 꽈리의 뿌리로부터 지베렐린 생산능이 뛰어난 미생물을 분리하여 동정하고, 이 중 GA1, GA3, GA4 또는 GA9의 생산능이 뛰어난 균주를 푸사리움 프로리페라툼 KGL0401으로 명명하고, 이를 대량으로 배양하여 생물학적으 로 활성이 있는 지베렐린을 대량생산하고, 상기 균주의 배양액을 유효성분으로 포함하는 식물생장촉진용 조성물을 제조함으로써 달성하였다.
본 발명은 꽈리 뿌리에서 지베렐린 생산능이 있는 미생물을 분리 동정하는 단계; 생물학적으로 활성이 있는 지베렐린 생산 균주를 확인하는 단계; 상기 균주를 배양하여 지베렐린을 대량생산하는 단계; 상기 균주를 포함하는 식물생장촉진용 조성물을 제조하는 단계로 구성된다.
본 발명 꽈리 뿌리에서 분리 동정된 지베렐린 생산능이 뛰어난 푸사리움(Fusarium) 속 미생물은 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401임을 특징으로 한다.
본 발명 꽈리 뿌리에서 지베렐린 생산능이 있는 푸사리움 속 균주의 분리 동정은 베이만 비. 등(Bayman B. et al.)의 방법을 변형하여 실시하였으며 그 방법은 다음과 같다:
식물의 뿌리에 계면활성제인 트윈(Tween) 80을 처리한 후 증류수로 세척하고, 표백제인 퍼클로르산{Perchloric acid(1%)}에 뿌리를 완전히 침전시킨 뒤 살균한 다음 멸균수로 세척시키고, 멸균 가위로 상기 뿌리를 일정 길이로 자른 후 물기를 제거하고 하겜(Hagem) 배지에서 24℃ 조건에서 계대배양하여 균주를 순수분리함.
본 발명은 상기와 같은 방법으로 분리된 균주 중 생물학적으로 활성이 높은 지베렐린의 생산능이 가장 우수한 균주를 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401로 명명하였다.
본 발명 균주의 증식을 위한 하겜(Hagem) 배지의 조성은 다음과 같다:
0.5% 글루코우즈, 0.05% KH2PO4, 0.05% MgSO4·7H2O, 0.05% NH4Cl, 0.5cc FeCl3, 스트렙토마이신 80ppm 및 1.5% 아가로 구성되며, pH 5.6으로 조절됨.
본 발명 지베렐린 생산능이 우수한 균주를 분리 동정시, 지베렐린의 활성 측정은 100 mL의 플라스크를 이용하여 40 mL의 크자펙스(Czapek`s) 액체배지(1% 글루코우즈, 1% 박토펩톤, 0.1% KH2PO4, 0.05% KCl, 0.05% MgSO4·7H2 O, 0.001% FeSO4·7H2O, pH 7.3±0.2)에서 30℃, 120 rpm으로 유지하고 7일 동안 배양하여 측정한다.
본 발명 지베렐린 생산능이 우수한 KLG0401 균주를 동정하기 위하여, 상기에서 선별된 균주를 배양한 후, rDNA의 스몰 서브유닛 코딩 유전자의 염기 서열 결정 및 분석 실험 등을 수행한다.
본 발명 지베렐린 생산능이 우수한 균주는 rDNA 스몰 서브유닛 코딩 유전자의 염기서열을 이용한 분자계통분류학적 분석에서 푸사리움 속(Fusarium)에 속하는 균주로서, 99%의 상동성을 보여주는 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) 균으로 동정되며, 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401로 명명된다.
본 발명은 지베렐린 생산능이 우수한 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 균주를 하겜(Hagem) 배지에서 평판배양하고 크자벡스 액체배지(Czapek's liquid medium)에서 30℃의 온도에서 진탕배양하여 생물학적으로 활 성이 있는 GA1, GA3, GA4 또는 GA9을 대량생산하는 방법을 제공하는 특징이 있다.
또한, 본 발명은 상기 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 균주배양액을 정제, 농축 또는 동결건조하여 이를 직접 사용하거나 혹은 유효성분으로 포함하는 식물생장촉진용 조성물을 제조함으로써 식물의 생장을 촉진시킬 수 있는 조성물을 제공하는 특징이 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 방법을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 지베렐린 생산능이 있는 미생물의 분리
본 발명 지베렐린 생산능이 있는 미생물을 분리 동정하기 위해 베이만 비.(Bayman B.)의 방법을 변형하여 실시하였다.
우선, 꽈리의 뿌리부분을 절단한 후 흐르는 물에서 뿌리에 있는 흙을 모두 제거한 뒤 계면활성제인 트윈(Tween) 80을 5분간 처리하여 교반시킨 후 증류수로 세척하였다. 표백제인 퍼클로르산{Perchloric acid(1%)}에 뿌리를 완전히 침지시킨 후 5분씩 2번 살균한 뒤 멸균수로 3번 세척하였다. 멸균된 가위를 이용하여 1.5㎝ 정도로 뿌리를 자른 후 멸균 종이 위에서 물기를 완전히 제거한 뒤 하겜(Hagem) 배지에서 순수 분리한 후 계대배양하여 25℃에서 배양하였다.
균의 증식은 하겜(0.5% 글루코우즈, 0.05% KH2PO4, 0.05% MgSO4·7H2 O, 0.05% NH4Cl, 0.5cc FeCl3, 스트렙토마이신 80ppm, 1.5% 아가, pH 5.6) 배지에서 배양하였 으며 GAs의 활성을 측정하기 위해 100 mL의 플라스크를 이용하여 40 mL의 크자벡스(1% 글루코우즈, 1% 박토펩톤, 0.1% KH2PO4, 0.05% KCl, 0.05% MgSO4·7H 2O, 0.001% FeSO4·7H2O, pH 7.3±0.2) 액체배지에서 25℃, 120rpm으로 유지하면서 7일 동안 배양하였다.
실시예 2: 본 발명 지베렐린 생산능이 있는 미생물의 동정
상기 실시예 1에서 분리된 KGL0401 균주를 하겜 배지(0.5% 글루코우즈, 0.05% KH2PO4, 0.05% MgSO4·7H2O, 0.05% NH4Cl, 0.5cc FeCl3, 스트렙토마이신 80ppm, 1.5% 아가, pH 5.6)에서 25℃ 조건으로 평판배양하고, 100 mL의 플라스크를 이용하여 40 mL의 크자펙스(1% 글루코우즈, 1% 박토펩톤, 0.1% KH2PO4, 0.05% KCl, 0.05% MgSO4·7H2O, 0.001% FeSO4·7H2O, pH 7.3±0.2) 액체배지에서 30℃, 120rpm으로 7일 동안 배양하였다. 배양된 균체의 스몰 서브유닛(small subunit) rDNA 유전자의 염기 서열 결정 및 분석은 윤 등 (Yoon et al., Int. J. Syst. Bacteriol., 47, 933, 1997)의 방법을 사용하였다.
KGL0401의 스몰 서브유닛(small subunit) rDNA 유전자의 염기서열 중 652 염기서열을 결정하였으며, 이 염기서열을 이용한 분자계통분류학적 분석에서 상기 균주 KGL0401는 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum)과 99%의 상동성을 보였다. 한편, KGL0401의 스몰 서브유닛(small subunit) rDNA 유전자의 염기 서열은 서열목록 서열 1에 의해서 기재됨을 확인하였다.
이상의 분자계통학적 특성에 근거하여 선별된 균주는 푸사리움 속(Fusarium)에 속하는 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum)으로 동정되었으며, 상기 선별된 균주를 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 로 명명하였다.
실시예 3: 본 발명 푸사리움 프로리페라툼( Fusarium proliferatum ) KGL0401의 지베렐린 생산량 측정 및 분석
상기 실시예 1 및 실시예 2에서 분리·동정한 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 균주의 지베렐린 생산량을 측정하였다. 지베렐린의 농도 측정은 홀브룩(Holbrook) 등이 개발한 산성 조건에서 지베렐릭 에시드(Gibberellic acid)를 지베렐레닉 에시드(Gibberellenic acid)로 전환시켜 254nm에서 흡광도를 측정하는 분광광도법(spectrophotometric method)을 이용하여 측정하였다(Holbrook et al., 1961). 지베렐린의 분석을 위하여 내생 지베렐린의 추출방법으로는 이 등의 방법(Lee et al., 1998)을 이용하였다.
7일 동안 균을 배양한 후 배양액을 멤브레인 필터(membrane filter)로 여과시킨 후 6N HCl을 이용하여 pH를 2.5로 조절하였다. 내부표준물질로는 20 ng의 [17.17-2H2] GA1, GA3, GA4, GA9 그리고 GA53을 추출하기 전 배양액에 첨가하였다. 배양액에 동일한 양의 에틸 아세테이트(ethyl acetate)를 첨가하여 3개로 나눈 후 에틸 아세테이트를 휘발시키고 60% 메탄올로 희석한 후 2N NH4OH로 pH를 8.3으로 조정하였다. 시료는 C18 컬럼 (90-130 ㎛, 60Å , pore size, Altech)을 통과시킨 후 감압농축하였다. 농축된 잔사는 셀라이트/이산화규소(Celite/SiO2) 컬럼{용매는 포름산(formic acid)으로 포화된 에틸 아세테이트(ethyl acetate)와 헥산(hexan)이 95:5로 혼합된 용액임)으로 통과시킨 여액을 감압농축하여 인산완충용액(pH 8)에 녹인 다음 2N NaOH로 pH를 8~9로 조정하고 인산완충용액을 이용하여 3회 분획한 뒤 여액(인산완충용액)에 PVPP를 가하여 1시간 동안 진탕하였다. 여과한 여액의 pH를 6N HCl을 이용하여 pH를 2.5로 조정한 후 에틸 아세테이트로 3회 분획한 후 감압농축하였다. 농축한 잔사를 메탄올로 용해하여 0.2㎛ 멤브레인 필터로 여과한 후 HPLC용 분석시료로 사용하였다.
HPLC 컬럼은 본다팩(BondaPak) C18 컬럼(3.9 ×300 mm)을 사용하였으며 각 GA는 1% 아세트산을 포함한 28% 메탄올과 100% 메탄올 용액의 농도구배로 분리하였다. 유속은 분당 1.5 mL로 유지하였으며 1.5 mL씩 총 50분획으로 나누었다. 각 GA의 정확한 머무름 시간은 각 분획당 소량(15 ㎕)을 취하여 액체 섬광분광법(liquid scintillation spectrometry)(Beckman, LS 1801)으로 3H-GA 표준물질의 유무를 확인하여 결정하였다.
가스 크로마토그래피/질량분석기(Gas Chromatography/Mass Spectrometer; GC-MS) 분석을 위하여 건조시킨 각각의 GA분획들을 100% 메탄올에 용해시킨 후 동일 GA를 포함한 분획을 합한 뒤 1 mL의 반응 바이알(reaction vial)로 옮긴 후 40 에서 질소가스로 건조시켰다. GA분획 중 불순물을 많이 함유한 분획은 NH2 프리셉 추출 카트리지(PreSep extraction cartridge)를 사용하여 GA의 불순물을 제거한 후 반응 바이알(reaction vial)로 옮겼다. 각 GA는 2차례 에테르성 디아조메탄(ethereal diazomethane)으로 메틸 에스테르로 유도한 후 질소가스로 건조하였다. 실리레이션(Silylation)이 필요한 GA는 35 ㎕의 피리딘과 35 ㎕의 N, D-비스(트리메틸 실리)-트리플루오로아세트아마이드{N, D-Bis (trimethyl silyl)-trifluoroacetamide; 1% TMCS 포함}로 65℃에서 30분간 반응시킨 후 질소가스로 건조하였다. 시료는 무수 디클로로메탄으로 녹인 후 1 ㎕를 30m ×0.25 mm (i.d.), 0.25 ㎛ 필름 두께 에이치-피 모세관 컬럼(film thickness HP-1 Capillary Column; J & W)이 장착된 GC-MS에 주입하였다.
내부 GAs의 정량을 위하여 5973 네트워크 질량 선택검출기(Network Mass Selective Detector; Hewlett Packard)가 부착된 GC-MS를 사용하였으며 데이터는 HP5970C 켐스테이션(Chemstation; Hewlett Packard)을 사용하여 처리하였다. 정성과 정량분석을 위해 탄화수소 스탠다드(Hydrocarbon standard)를 이용해 KRI를 구하였으며, 각 GA와 [2H2]GA 내부 표준물질(internal standards) (obtained from Prof. Lewis N. Mander, Australian National University, Canberra, Australia)의 3개의 주요 이온 질량(ion mass)을 비교하여 정량하였다.
그 결과, 지베렐린을 생산하는 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 균주는 식물의 생장을 촉진하는 여러 가지의 식물 생장 호 르몬 GA1, GA3, GA4, GA7, GA9, GA20, GA24을 생산할 수 있는 특징을 가지고 있으며, 기존에 알려진 지베렐린 생산균인 지베렐라 푸지쿠로이(Gibberella fujikuroi)와 지베렐린 생산량을 비교했을 때 GA1은 119%, GA3는 112%, GA4는 123% GA7은 15025% 그리고 GA9은 160% GA24는 126%를 생산하는 것으로 확인되었으므로 본 발명 균주는 지벨렐라 푸지쿠로이(Gibberella fujikuroi)를 대체하여 사용될 수 있다.
실시예 4: 본 발명 지베렐린 생산능이 있는 균주를 이용한 지베렐린 대량생산
생물학적으로 활성이 있는 지베렐린을 대량생산하기 위해 상기 실시예 1 내지 3에서 분리 동정된 본 발명 균주를 이용하였다.
이를 위해, 본 발명 지베렐린 생산능이 우수한 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 균주를 하겜 배지에서 평판배양하고 크자펙스 액체배지에서 30℃의 온도에서 진탕배양하여 상기 균주의 배양물은 정제, 농축 또는 동결건조하였다.
실시예 5: 본 발명 지베렐린 생산능이 있는 균주를 이용한 식물생장촉진용 조성물의 제조
본 발명 지베렐린 생산능이 있는 균주를 이용하여 식물생장촉진용 조성물을 제조하기 위해, 상기 실시예 4에 따라 본 발명 균주를 대량으로 배양한 다음, 이로부터 얻은 배양액을 정제, 농축 또는 동결건조하고 이를 직접 사용하거나 혹은 유 효성분으로 포함하는 식물생장촉진용 조성물을 제조하였다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명 푸사리움 프로리페라툼 KGL0401 균주를 이용한 지베렐린의 대량생산방법 및 용도는 꽈리 뿌리로부터 지베렐린 생산능이 있는 푸사리움 프로리페라툼KGL0401 균주를 분리 동정한 결과 종래의 지베렐린 생산균주보다 월등히 높은 GA1, GA3, GA4, GA7, GA9, GA20, GA24 생산율을 보임을 확인하고 상기 균주를 대량으로 배양함으로써 생물학적으로 활성이 있는 GA1, GA3, GA4 GA7 및 GA9를 대량으로 제공할 수 있어 이를 상품화할 수 있는 매우 뛰어난 효과가 있으므로 농산업상 매우 유용한 발명인 것이다.
<110> Kyungpook National University <120> Method of producing gibberellic acids in bulk using Fusarium proliferatum KGL0401 strain and the use therof <160> 1 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 648 <212> DNA <213> Fusarium proliferatum KGL0401 <400> 1 gcccgacgtc gcatgctccc ggccgccatg gcggccgcgg gaattcgatt tcctccgctt 60 attgatatgc ttaagttcag cgggtattcc tacctgatcc gaggtcaaca ttcagaagtt 120 gggggtttaa cggcttggcc gcgccgcgta ccagttgcga gggttttact actacgcaat 180 ggaagctgca gcgagaccgc cactagattt cggggccggc ttgccgcaag ggctcgccga 240 tccccaacac caaacccggg ggcttgaggg ttgaaatgac gctcgaacag gcatgcccgc 300 cagaatactg gcgggcgcaa tgtgcgttca aagattcgat gattcactga attctgcaat 360 tcacattact tatcgcattt tgctgcgttc ttcatcgatg ccagaaccaa gagatccgtt 420 gttgaaagtt ttgatttatt tatggtttta ctcagaagtt acatatagaa acagagttta 480 ggggtcctct ggcgggccgt cccgttttac ccgggagcgg gctgatccgc cgaggcaaca 540 attggtatgt tcacaagggt ttgggagttg taaactcggt aatgatccct ccgcaggttc 600 acctaccgga atcactagtg aattcgcggc cgctgcaggt cgaccatt 648

Claims (4)

  1. 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 균주를 배양하여 지베렐린을 대량생산하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 지베렐린은 지베렐린 1(GA1), 지베렐린 3(GA3), 지베렐린 4(GA4), 지베렐린 7(GA7), 지베렐린 9(GA9), 지베렐린 20(GA20), 지베렐린 24(GA24)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상임을 특징으로 하는 지베렐린을 대량생산하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 균주의 배양은 먼저 하겜(Hagem) 배지에서 평판배양하고 크자펙스 액체배지(Czapek's liquid medium)에서 30℃의 온도로 진탕배양하는 것임을 특징으로 하는 지베렐린을 대량생산하는 방법.
  4. 푸사리움 프로리페라툼(Fusarium proliferatum) KGL0401 균주 배양액을 유효성분으로 포함함을 특징으로 하는 식물생장촉진용 조성물.
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