KR20080105881A - Metal tolerating methylotrophic bacteria reduces cadmium toxicity and promotes plant growth of tomato - Google Patents

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Abstract

A methylotrophic bacterium is provided to reduce the toxicity of cadmium in tomatoes and to promote the growth of plants. A methylotrophic bacterium is used to reduce the toxicity of cadmium and to promote the growth of plants. Preferably the methylotrophic bacterium is Methylobacterium oryzae sp. nov. (KACC 11585). Preferably the Methylobacterium oryzae sp. nov. is separated from the stem of rice and is a novel microorganism capable of producing ACC deaminase.

Description

토마토에서 카드뮴의 독성감소와 성장 촉진을 위한 메탄올자화균의 용도{ Metal tolerating methylotrophic bacteria reduces cadmium toxicity and promotes plant growth of tomato }Metal tolerating methylotrophic bacteria reduces cadmium toxicity and promotes plant growth of tomato}

도1은 80μM CdCl2의 존재 하에 메탄올자화균 균주인 Methylobacterium oryzae 균주 CBMB20(a 및 c)와 Burkholderia sp. 균주 CBMB40(b 및 d)의 성장기 세포(a 및 b)와 휴지기 세포(c 및 d)에서 Cd2+의 축적그래프1 is 80μM CdCl methanol magnetization bacteria strains in the presence of 2 Methylobacterium oryzae strain CBMB20 (a and c) and Burkholderia sp. Accumulation graph of Cd 2+ in growth phase cells (a and b) and resting cells (c and d) of strain CBMB40 (b and d)

도2는 M.oryzae CBMB20 및 Burkholderia sp. CBMB40으로 접종한 생장 파우치에서 Cd의 존재 하에 성장한 토마토 묘목에 의한 에틸렌 생성을 나타내는 그래프2 shows M.oryzae CBMB20 and Burkholderia sp. Graph showing ethylene production by tomato seedlings grown in the presence of Cd in growth pouches inoculated with CBMB40

도3은 2mM CdCl2의 부재시 및 존재시 성장한 토마토 식물의 화분 혼합물에서 ICP-OES에 의해 측정한 Cd2+의 분석그래프3 is an analysis graph of Cd 2+ measured by ICP-OES in a pollen mixture of tomato plants grown in the absence and presence of 2 mM CdCl 2 .

도4는 메탄올자화균 M.oryzae CBMB20 및 Burkholderia sp. CBMB40의 존재시 또는 부재시, 2mM CdCl2의 존재 하에 화분 배양으로 성장한 토마토 줄기 및 뿌리에서의 중금속 결합 시험그래프Figure 4 shows M.oryzae CBMB20 and Burkholderia sp. Heavy Metal Binding Test Graphs in Tomato Stem and Roots Grown in Pollen Culture in the Presence or Absence of CBMB40 in the Presence of 2 mM CdCl 2

본 발명은 토마토에서 카드뮴의 독성감소와 성장촉진을 위한 메탄올자화균의 용도에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2006년 1월 6일 일자로 농업생명공학연구원 KACC에 기탁된 신규미생물인 메틸로박테리아 오리재에스피. 노브. (Methylobacterium oryzae sp. nov.)(일명 CBMB20)(기탁번호 KACC 11585)의 용도에 관한 것이다The present invention relates to the use of methanol magnetization bacteria to reduce the toxicity and growth of cadmium in tomato, more specifically as of January 6, 2006 A new microorganism, methylobacterial ducky sp, deposited with KACC, KACC. Knob. (Methylobacterium oryzae sp.nov.) (Aka CBMB20) KACC 11585)

문명의 특질인 산업화와 기술적 진보는 환경으로의 중금속 배출을 증가시켰고, 이것은 그들의 독성, 먹이사슬에의 축적 및 자연에서의 영속성 때문에 환경 및 공중보건에 상당한 위협이 되고 있다. 살아 있는 식물을 사용하여 환경으로부터 위험 물질을 제거, 파괴 또는 격리하려는 식물학적 오염토양 정화법(Phytoremediation)이 토양의 중금속 오염을 다루는 유망한 방법으로 고려되고 있다(Cunningham 등, 1996). 어떤 식물은 기지 및 미지의 생물학적 기능을 갖는 금속을 축적하는 능력을 가지며, 토양의 중금속 오염을 개선하는데 효과적으로 이용되었다. 그러나, 높은 농도의 중금속은 일반적으로 대부분의 식물에 독성이어서, 식물의 대사를 손상시켜 식물성장을 감소시킨다. 미생물과 식물 뿌리의 경계면(근권, rhizosphere)이 영양분 흡수의 증가와 금속 독성의 감소 모두에 큰 영향을 미칠 수 있다고 보고 되고 있다(Smith, 1994). 그래서, 근권 미생물을 사용하여 식물에 대한 중금속의 독성을 줄이려는 대안적 방식이 조사되었다(Burd 등, 1998; Rajkumar 등, 2006; vivas 등, 2006). 미생물에 의한 식물의 중금속 독성의 개선은 식물에 의한 금속 흡수의 감소(Vivas 등, 2006)에 의한 것이거나, 또는 중 금속 흡수에 대한 효과는 없지만 중금속에 의해 유도된 유해 스트레스 에틸렌 양의 감소(Burd, 1998; Rajkumar 등, 2006)에 의한 것일 수 있다. 한편, 식물성장 촉진 특성을 가진 금속 내성 미생물은 가용화 또는 동원화를 통해 식물 흡수에 있어 중금속의 이용성을 개선할 수 있으며, 식물학적 오염토양 정화법에 효과적으로 이용될 수 있다(Abou-Shanab 등, 2003; Shing 및 Xia, 2006). The characteristics of civilization, industrialization and technological advances have increased heavy metal emissions to the environment, which poses a significant threat to the environment and public health because of their toxicity, accumulation in the food chain, and permanence in nature. Botanical contaminated soil purification (Phytoremediation), which uses live plants to remove, destroy or sequester dangerous substances from the environment, is considered a promising way to deal with heavy metal contamination of soil (Cunningham et al., 1996). Some plants have the ability to accumulate metals with known and unknown biological functions and have been effectively used to improve heavy metal contamination of the soil. However, high concentrations of heavy metals are generally toxic to most plants, impairing plant metabolism and reducing plant growth. It is reported that the interface between microorganisms and plant roots (rhinosphere) can have a significant effect on both increased nutrient absorption and reduced metal toxicity (Smith, 1994). Thus, alternative ways to reduce the toxicity of heavy metals to plants using rhizosphere microorganisms have been investigated (Burd et al., 1998; Rajkumar et al., 2006; vivas et al., 2006). The improvement of the heavy metal toxicity of plants by microorganisms may be due to the reduction of metal uptake by plants (Vivas et al., 2006), or the reduction of the amount of harmful stress ethylene induced by heavy metals with no effect on heavy metal uptake. , 1998; Rajkumar et al., 2006). On the other hand, metal-resistant microorganisms having plant growth promoting properties can improve the availability of heavy metals in plant absorption through solubilization or mobilization, and can be effectively used for botanical contaminated soil purification (Abou-Shanab et al., 2003; Shing and Xia, 2006).

중금속 중에서도 카드뮴(Cd)이 식물독성인 것으로 여겨진다. Cd는 식물에서 미지의 생물학적 기능을 가진 원소인데, Cd는 성장저해와 심지어 식물의 죽음, 활성 산소 대사의 변경 및 세포 교란까지도 야기하는 강한 식물독소이다(Sandalio 등, 2001). 광합성의 변화, 잎말이병, 백화현상 그리고 다량영양소 및 미량영양소 흡수 및 분포의 교란이 또한 식물에서의 Cd 독성과 관련된다고 보고 되었다(Gussarson 등, 1996; Toppi 및 Gabbrielli, 1999). 따라서 식물성장 촉진 특성을 갖는 메탄올자화성(methylotropic) 균주의 이들 두 금속 대한 내성을 연구할 필요가 있게 되었다. Among heavy metals, cadmium (Cd) is considered to be phytotoxic. Cd is an element of unknown biological function in plants, which is a strong phytotoxic agent that causes growth inhibition and even plant death, altered free radical metabolism and cell disturbances (Sandalio et al., 2001). Changes in photosynthesis, leaf blight, bleaching and disturbances of macronutrient and micronutrient uptake and distribution have also been reported to be associated with Cd toxicity in plants (Gussarson et al., 1996; Toppi and Gabbrielli, 1999). Therefore, there is a need to study the resistance to these two metals of methanolotropic strains having plant growth promoting properties.

메탄올자화균은 메탄올이나 포름알데히드와 같은 1-탄소 화합물 상에서 성장할 수 있는데, 이것이 이들의 유일한 탄소원이며, 이들 대부분은 분홍색-착색성 임의 메탄올자화균(PPFM)인 메틸로박테리움 속의 일원이다. 이들은 흔히 육생식물 및 수생식물과 결합하여 그 뿌리, 잎 표면 및 다른 부분들에 군락을 이룬다. Methanol magnetization can grow on 1-carbon compounds such as methanol or formaldehyde, which is their only carbon source, most of which is a member of the genus Methylobacterium, a pink-coloring random methanolysis (PPFM). They often combine with carnivorous and aquatic plants and colonize their roots, leaf surfaces and other parts.

메틸로박테리움 종과 식물의 결합은, 박테리아가 식물로부터의 폐대사물질인 메탄올을 이용하고, 그 다음 식물성장을 촉진하는 화합물을 생성하는 공생관계인 것으로 추정된다. 인돌-3-아세트산(IAA) 같은 식물성장 호르몬, 시토키닌의 생산, 에틸렌 수준의 조절에 연관되는 ACC 디아미나제의 존재 그리고 메틸로박테리움에 의한 식물성장의 촉진이 조사된 바 있고(Madhaiyan 등, 2006; Madhaiyan 등, 2007), 또한, 메틸로박테리움 종은 어떤 범위의 독성 유기 화학물질과 독성 폭발성 물질을 대사하는 것으로 알려져 있다(예를 들어, McDonald 등, 2001; Van Aken 등, 2004 참조). 더욱이, 메틸로박테리움은 카드뮴, 크롬, 수은 및 납과 같은 극도로 높은 농도의 중금속에 내성을 나타내는 것으로 보고 되었다(Marco 등, 2004).The combination of the methyllobacterium species and the plant is believed to be a symbiotic relationship where bacteria use methanol, a lung metabolite from the plant, and then produce compounds that promote plant growth. Plant growth hormones such as indole-3-acetic acid (IAA), the production of cytokinin, the presence of ACC deaminase involved in the regulation of ethylene levels, and the promotion of plant growth by methyllobacterium have been investigated (Madhaiyan et al. 2006; Madhaiyan et al., 2007). Also, methyllobacterium species are known to metabolize a range of toxic organic chemicals and toxic explosives (see, eg, McDonald et al., 2001; Van Aken et al., 2004). . Moreover, methyllobacterium has been reported to be resistant to extremely high concentrations of heavy metals such as cadmium, chromium, mercury and lead (Marco et al., 2004).

따라서 본 발명의 목적은 높은 수준의 Cd의 존재하에서 메탄올자화균에 의한 박테리아 세포성장 및 중금속 결합을 증명함으로서 신규미생물인 CBMB20이 중금속 존재 하에서 토마토에서 금속 독성을 감소시키고 식물성장을 촉진할 수 있다는 용도를 제공함에 그 목적이 있다.Therefore, an object of the present invention is to demonstrate that bacterial microbial growth and heavy metal binding by methanol magnetizing bacteria in the presence of high levels of Cd, the new microorganism CBMB20 can reduce metal toxicity and promote plant growth in tomato in the presence of heavy metals. The purpose is to provide.

상기와 같은 본 발명의 목적을 당성하기 위해 본 발명은 토마토에서 니켈과 카드뮴의 독성감소와 성장 촉진을 위해 신규미생물인 메틸로박테리아 오리재에스피. 노브 균주인 CBMB20(KACC 11585)의 용도를 제공한다.The present invention for the purpose of the present invention as described above to reduce the toxicity and growth of nickel and cadmium in tomato, microbial methylobacterial duckjae sp. The use of the knob strain CBMB20 (KACC 11585) is provided.

이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments.

[실시예1] 박테리아 균주 및 성장조건.Example 1 Bacteria Strain and Growth Conditions.

Methylobacterium Oryzae 균주 CBMB20T (KACC 11585) 및 Burkholderia 종 균주 CBMB40(KACC 91210P)은 각각 벼 조직으로부터 분리된 분홍색 착색성 및 비착색 성 메탄올자화균이다. 본 발명에서는 통상적으로, 균주 CBMB20은 0.5% 메탄올을 넣은 암모늄 무기염(AMS) 최소 배지 중에서 배양했고(Whittenbury 등, 1970), 균주 CBMB40은 트리스-완충 저-인산염(TLP) 배지 중에서 배양했다. Methylobacterium Oryzae strain CBMB20 T (KACC 11585) and Burkholderia spp. Strain CBMB40 (KACC 91210P) are pink colored and non-colored methanol magnetizing bacteria isolated from rice tissue, respectively. Typically in the present invention, strain CBMB20 was cultured in minimal ammonium mineral salt (AMS) medium with 0.5% methanol (Whittenbury et al., 1970) and strain CBMB40 was cultured in Tris-buffered low-phosphate (TLP) medium.

TLP 배지는 Trizma 염기, 6.06; NaCl, 4.68; KCl, 1.49; NH4Cl, 1.07; Na2SO4 0.43; MgCl2ㅇ6H2O, 0.2; CaCl2ㅇ2H2O, 0.03; Na2HPO4ㅇ12H2O, 0.23; Fe(III)(NH4) 구연산염, 0.005를 함유했고, 미량금속(리터 당 미량금속 스톡용액 1mL, 스톡용액은 FeSO4ㅇ7H2O, 0.2; ZnSO4ㅇ7H2O, 0.01; MnCl2ㅇ4H2O, 0.003; CoCl2ㅇ6H2O, 0.02; CuCl2ㅇ6H2O, 0.001; NiCl2ㅇ6H2O, Na2MoO4ㅇ2H2O, 0.5; H3BO3, 0.03으로 구성됨) 및 0.2% 글루콘산 나트륨으로 보충했다(단위 g/L). 고체 배지로서 2%(wt/vol) Bacto 한천(Difco Laboratories, 미국 미시간 디트로이트)을 첨가했다. 종자 접종을 위하여 박테리아 균주를 30℃, 0.1mM NiCl2/CdCl2로 보충한 배지(Sigma-Aldrich Chemical Co., St. 미국 미주리 세인트루이스) 중에서 만기 대수증식기까지 성장시켰다. 원심분리하여(25,000xg, 10분) 세포를 펠릿으로 만들고 멸균 증류수로 2번 세척한 다음, 증류수로 세포 농도 1x106(OD600nm 0.2)로 조정했으며, 이것은 미리 결정한 검정곡선(γ=600nm)을 이용하여 종자 침지처리에 필요한 농도를 구한 것이다.TLP medium contains Trizma base, 6.06; NaCl, 4.68; KCl, 1.49; NH 4 Cl, 1.07; Na 2 SO 4 0.43; MgCl 2 ˜6H 2 O, 0.2; CaCl 2 O 2 H 2 O, 0.03; Na 2 HPO 4 -12H 2 O, 0.23; Fe (III) (NH 4 ) citrate, 0.005, containing trace metals (1 mL of trace metal stock solution per liter, stock solution containing FeSO 4 ㅇ 7H 2 O, 0.2; ZnSO 4 ㅇ H 2 O, 0.01; MnCl 2 ㅇ 4H 2 O, 0.003; CoCl 2 6H 2 O, 0.02; CuCl 2 6H 2 O, 0.001; NiCl 2 6H 2 O, Na 2 MoO 4 ○ 2H 2 O, 0.5; H 3 BO 3 , 0.03 ) And 0.2% sodium gluconate (unit g / L). 2% (wt / vol) Bacto Agar (Difco Laboratories, Detroit, Mich.) Was added as a solid medium. For seed inoculation, bacterial strains were grown to maturation in a medium supplemented with 30 ° C., 0.1 mM NiCl 2 / CdCl 2 (Sigma-Aldrich Chemical Co., St. St. Louis, Missouri, USA). The cells were pelleted by centrifugation (25,000 × g, 10 min) and washed twice with sterile distilled water and then adjusted to a cell concentration of 1 × 10 6 (OD 600 nm 0.2) with distilled water, which adjusted the predetermined calibration curve (γ = 600 nm). The concentration necessary for the seed immersion treatment was obtained.

[실시예2] 박테리아 균주에 의한 중금속 내성Example 2 Heavy Metal Resistance by Bacterial Strains

평판 및 액체배지 분석법에 의해 CdCl2의 농도를 증가시키면서 균주의 성장 능력을 시험했다. 최소저해농도(MIC)를 결정하기 위하여, 1.0에서 10mM까지의 CdCl2로 보충한 한천평판 위에 균주를 파종하고, 적합한 배양 후에 이들의 성장을 체크했다. 액체배지 분석에서는 중금속이 없는 배지 중의 예비-배양물을 사용하여 상이한 농도(0.1 내지 1.0mM)의 CdCl2를 함유하는 배지를 접종했다. 30℃에서 진동(200rpm) 하에 48시간 배양한 후의 성장을 600nm에서 흡광도를 측정하여 기록했다.The growth capacity of the strains was tested by increasing the concentration of CdCl 2 by plate and liquid medium assays. To determine the minimum inhibitory concentration (MIC), strains were seeded on agar plates supplemented with CdCl 2 from 1.0 to 10 mM and their growth was checked after appropriate incubation. In the liquid medium assay, pre-cultures in medium free of heavy metals were used to inoculate medium containing CdCl 2 at different concentrations (0.1-1.0 mM). The growth after incubation for 48 hours at 30 ° C. under vibration (200 rpm) was recorded by measuring absorbance at 600 nm.

[실시예3] 성장기 세포 및 휴지기 세포에서 중금속 결합Example 3 Heavy Metal Binding in Growing Cells and Resting Cells

중금속이 없는 배지 중에서 미리 배양된 각 배양물 1mL씩을 일련의 25mL 배지에 접종하고 진동(30℃) 하에 24~48시간 성장시켰다. 배양물의 OD600이 약 0.6에 도달했을 때(중기 지수 성장기), 80μM CdCl2/NiCl2(최종 농도)를 각 플라스크에 가했다. 화합물 첨가 후에 상이한 간격으로 샘플을 Cd 결합을 분석했다. 1 mL of each culture previously incubated in a medium free of heavy metals was inoculated into a series of 25 mL media and grown for 24 to 48 hours under vibration (30 ° C.). When the OD 600 of the culture reached about 0.6 (medium exponential growth), 80 μM CdCl 2 / NiCl 2 (final concentration) was added to each flask. Samples were analyzed for Cd binding at different intervals after compound addition.

유도결합 플라즈마 광학발광 분광기(ICP-OES, Optima 5300DV, Perkin Elmer, 미국) 분석(APHA, 1992)에 의해, 각 시간 지점에서의 샘플의 세포 밀도를 측정하고, 세포에 결합된 중금속을 측정했다. 각 데이터 지점에서 각 플라스크로부터 3개의 샘플을 취했다. By inductively coupled plasma photoluminescence spectroscopy (ICP-OES, Optima 5300DV, Perkin Elmer, USA) analysis (APHA, 1992), the cell density of the sample at each time point was measured and the heavy metal bound to the cells was measured. Three samples were taken from each flask at each data point.

휴지기 세포에서의 중금속 결합을 측정하기 위하여, 상기와 같이 제조한 예비-배양물을 중금속을 보충하지 않은 100mL 최소 배지에 접종했다. 세포를 48시간 성장시키고 20분간 얼음으로 냉각한 후, 4℃, 3,000rpm에서 30초 원심분리했다.In order to measure heavy metal binding in resting cells, the pre-culture prepared as above was inoculated in 100 mL minimal medium not supplemented with heavy metals. The cells were grown for 48 hours, cooled in ice for 20 minutes, and then centrifuged at 4 ° C. and 3,000 rpm for 30 seconds.

세포 펠릿을 50mM 트리스 염화물 완충액(pH 7.4)으로 세척하고 동일한 완충 액에 다시 현탁시켰다. 세포 현탁액에 CdCl2(80μM)를 가하고 진동 없이 배양했다(Wu 등, 2006a). 상이한 간격으로 샘플을 취하고, 상기와 같이 세포에 결합된 중금속을 분석했다.The cell pellet was washed with 50 mM Tris Chloride Buffer (pH 7.4) and suspended again in the same buffer. CdCl 2 (80 μM) was added to the cell suspension and incubated without vibration (Wu et al., 2006a). Samples were taken at different intervals and the heavy metals bound to the cells were analyzed as above.

[실시예4] 뿌리 신장 및 에틸렌 측정을 위한 기지균외 무감염 상태 식물 분석Example 4 Non-bacterial Non-Infected Plant Analysis for Root Elongation and Ethylene Determination

토마토 종자(Lycopersicon esculentum L. cv Mairoku, Sokata Korea, 대한민국 서울 서초동)는 처리 당 약 0.2g을 70% 에탄올로 1분 그리고 2% 차아염소산 나트륨(NaOCl)으로 10분 표면 살균한 후 멸균 증류수로 5회 이상 헹구었다. 다음에, 이 종자를 멸균 증류수(대조군) 또는 박테리아 현탁액 중에서 4시간 실온 배양했다. Tomato seeds (Lycopersicon esculentum L. cv Mairoku, Sokata Korea, Seocho-dong, Seoul, Korea) were sterilized approximately 0.2 g per treatment with 70% ethanol for 1 minute and 2% sodium hypochlorite (NaOCl) for 10 minutes and then sterilized with distilled water. Rinse more than times. This seed was then incubated for 4 hours at room temperature in sterile distilled water (control) or bacterial suspension.

종자를 무균 상태로 어떤 중금속도 없는 증류수 또는 상이한 농도의 CdCl2로 보충된 증류수 20mL로 채운 성장 파우치(125x157mm)(CYG™ 종자 발아 파우치, Mega International Manufacturer, 미국)로 옮긴 후, 121℃에서 30분간 고압멸균했다. 20ㅁ1℃로 유지된 성장 챔버에서 12/12시간 암/명 사이클로 파우치(10개 파우치/처리)를 배양했다. 성장 15일째에 주 뿌리 및 줄기의 길이를 측정했고, 그 결과를 내성지수 TI로 나타낸다. TI = RLm/RLc, 여기서 RLm은 첨가된 특정 금속의 존재 하에 성장한 식물의 뿌리 길이이고, RLc는 그 금속의 부재 하에 성장한 식물의 뿌리 길이이다(Wilkins, 1978)Seeds were transferred to a growth pouch (125x157 mm) (CYG ™ seed germination pouch, Mega International Manufacturer, USA) filled with 20 mL of distilled water supplemented with different concentrations of CdCl 2 or aseptically without any heavy metals, followed by 30 minutes at 121 ° C. Autoclaved. Pouches (10 pouches / treatment) were incubated with a 12/12 hour dark / light cycle in a growth chamber maintained at 20 × 1 ° C. At 15 days of growth the length of the main roots and stems was measured and the results are expressed as resistance index TI. TI = RL m / RL c , where RL m is the root length of a plant grown in the presence of the specific metal added, RL c is the root length of a plant grown in the absence of the metal (Wilkins, 1978)

15 일째에, 기지 중량의 묘목(약 50 내지 60개의 모??)을 고무 마개를 씌운 120mL 바이알에 넣어 4시간 배양한 후, 각 바이알로부터 상부공간 1mL를 샘플링하여, 불꽃 이온화 검출기가 장착된, 70℃에서 Poropak-Q 칼럼으로 충진된 기체 크로마토그래피(GC)(DS6200, Donam Instruments Inc., 대한민국)에서 에틸렌 함량을 측정했다. 캐리어 가스는 60mL/분 유속의 N2, 연소가스는 50mL/분 유속의 H2, 연소-보조 가스는 500mL/분 유속의 공기였다. 모의실험으로 0.2nmol 에틸렌/L를 함유하는 공기를 칼럼에 60분간 통과시켜 에틸렌 포획 칼럼 용량을 체크한 바, 이들 조건에서는 에틸렌이 100% 포획되었다. On day 15, seedlings of about 50 to 60 seed weights (about 50 to 60 seedlings) were placed in a rubber stoppered 120 mL vial and incubated for 4 hours, after which 1 mL of the upper space was sampled from each vial, and equipped with a flame ionization detector. Ethylene content was measured in gas chromatography (GC) (DS6200, Donam Instruments Inc., South Korea) packed with Poropak-Q column at 70 ° C. The carrier gas was N 2 at 60 mL / min flow rate, the combustion gas was H 2 at 50 mL / min flow rate, and the combustion-assistant gas was air at 500 mL / min flow rate. By simulation, air containing 0.2 nmol ethylene / L was passed through the column for 60 minutes to check the ethylene capture column capacity. Under these conditions, 100% ethylene was captured.

[실시예5] 온실 실험Example 5 Greenhouse Experiment

약 1.5kg의 공기-건조 원주-믹스 상토, 채소재배 성장배지(Nong-Kyung Co., Ltd, 대한민국 충북 진천)로 채운 플라스틱 화분(상부 직경, 220mm; 바닥 직경, 130mm; 높이 240mm)에 식물을 심었다; 성장배지는 65-75% 코코아 토탄, 15-20% 제올라이트, 10-15% 펄라이트 그리고 다량영양소(mg/L) NH4-N 150-200; NO3-N, 100-150; 유효 P2O5, 200-300을 함유한다; pH 5.7~7.0; 수분함량 40ㅁ 5%; 물 보유 용량 30ㅁ 5kPa. 화분에 250mL 증류수 또는 2mL CdCl2 용액을 주고 10일간 길렀다. 각 화분을 폴리에틸렌 백에 넣어서 토양의 수분함량을 그대로 유지시켰다. 20일 된 묘목을 각 처리를 4번씩 반복하도록 완전 무작위 설계 배치된 온실에 있는 화분들에 옮겨 심었다. 이식할 때 접종물을 화분마다 10mL의 비율(107cfu/mL)로 뿌리 영역 근처의 흙에 적용한 다음, 15일 간격으로 2번 더 적용했다. 이식한 후 45일째 에 작물 샘플을 뿌리째 채취하였고, 기록했다.Plants were placed in plastic pots (upper diameter, 220 mm; bottom diameter, 130 mm; height 240 mm) filled with approximately 1.5 kg of air-dried Wonju-Mix top soil and vegetable cultivation growth medium (Nong-Kyung Co., Ltd, Jincheon, Chungbuk, Korea). Planted; Growth media were 65-75% cocoa peat, 15-20% zeolite, 10-15% pearlite and macronutrients (mg / L) NH 4 -N 150-200; NO 3 -N, 100-150; Contains effective P 2 O 5 , 200-300; pH 5.7-7.0; Water content 40wh 5%; Water retention capacity 30 ㅁ 5kPa. 250 mL distilled water or 2 mL CdCl 2 solution was added to the pot and grown for 10 days. Each pot was placed in a polyethylene bag to maintain the soil's moisture content. 20-day-old seedlings were planted in pots in a fully randomly designed greenhouse to repeat each treatment four times. At the time of transplanting, the inoculum was applied to soil near the root area at a rate of 10 mL per pot (10 7 cfu / mL), and then applied twice more at 15 day intervals. Crops samples were taken at root 45 days after transplantation and recorded.

[실시예6] ICP-OES에 의한 중금속 분석Example 6 Heavy Metal Analysis by ICP-OES

박테리아 세포에 결합된 중금속을 분석하기 위하여, 샘플을 최대 속도(13,000rpm)에서 5분간 원심분리하여 상청액을 버렸다. 세포 펠릿을 5mM HEPES 완충액(pH 7.1) 중의 0.8% 염화나트륨으로 3번 세척하고, 65℃로 설정한 오븐에서 24시간 건조시킨 후, 진한질산 2mL에 48시간 이상 침지시켰다. 침지된 세포 펠릿에 탈이온수 18mL를 가하여 20mL로 재구성하여(Milli-Q Plus 시스템, Millipore), ICP-OES 분석에 사용했다. 데이터는 Cd의 nmol 수에 맞춰 정규화했다(mg 세포 건조 중량).To analyze the heavy metals bound to the bacterial cells, the samples were centrifuged for 5 minutes at maximum speed (13,000 rpm) to discard the supernatant. The cell pellet was washed three times with 0.8% sodium chloride in 5 mM HEPES buffer (pH 7.1), dried for 24 hours in an oven set at 65 ° C., and then immersed in 2 mL of concentrated nitric acid for at least 48 hours. 18 mL of deionized water was added to the soaked cell pellet and reconstituted to 20 mL (Milli-Q Plus system, Millipore), which was used for ICP-OES analysis. Data was normalized to nmol number of Cd (mg cell dry weight).

뜨겁게 한 평판에서 과염소산, 황산 및 증류수(10:1:2)에 침지시킨 후, 토마토의 뿌리와 줄기에서 Cd의 흡수를 측정했다(500mg 샘플). 토양 분석을 위해 건조한 고운 흙 10g(2mm 체 사용)을 0.1 N HCl 50mL와 혼합한 다음, 200rpm에서 30분간 진동시켰다. 침지 후, 샘플을 여과지(No. 6, Advantec ToYo)로 2번 여과하고, 부피 플라스크에서 부피를 100mL로 만들어, 샘플 10mL를 ICP-OES 분석에 사용했다. Perkin Elmer Life and Analytical Sciences(미국 캘리포니아 06484 쉘톤 브리지 포트 애비뉴 710)의 품질제어표준(Quality Control Standard) 21 스톡용액(5% HNO3/tr.Tart./tr.HF, 100μg/mL)를 사용했다. 탈이온화 증류수를 사용하여 1차 스톡용액으로 작업용액을 제조했다.After soaking in perchloric acid, sulfuric acid and distilled water (10: 1: 2) on a hot plate, the absorption of Cd in the roots and stems of the tomatoes was measured (500 mg sample). For soil analysis, 10 g of dry fine soil (using a 2 mm sieve) was mixed with 50 mL of 0.1 N HCl and vibrated at 200 rpm for 30 minutes. After immersion, the sample was filtered twice with filter paper (No. 6, Advantec ToYo), the volume was made up to 100 mL in a volumetric flask, and 10 mL of the sample was used for ICP-OES analysis. A Quality Control Standard 21 stock solution (5% HNO 3 /tr.Tart./tr.HF, 100 μg / mL) from Perkin Elmer Life and Analytical Sciences (06484 Shelton Bridgeport Avenue 710, California, USA) was used. . A working solution was prepared as a primary stock solution using deionized distilled water.

[실시예7] 박테리아 개체군 분석Example 7 Bacteria Population Analysis

근권토양으로부터 미생물을 추출하기 위해, 뿌리에 붙은 흙(10g)을 채집하여 90mL 멸균 증류수에 현탁했다. 시클로헥시미드(10μg/mL) 및 0.5%(v/v) 메탄올을 각각 함유한 한천 및 AMS 한천(Whittenbury 등, 1970) 15g/L로 수정한 NB (Difco Laboratories, 미국 미시간 디트로이트) 상에 연속 희석 평판하여, 전체 유기영양성 및 메탄올자화성 박테리아를 계수했다. Burkhloderia를 계수하기 위하여, 토양 현탁액을 선택적 Pseudomonas cepacia 아젤라산 트리타민(PCAT) 한천(Burbage 및 Sasser, 1982) 위에 평판하여 3시간 배양했다. Burkholderia 콜로니는 PCAT 배지 상에서 특징적인 형태를 나타냈는데, 작고(직경 약 1mm) 흰색이었으며 경계가 명확했다. In order to extract microorganisms from the rhizosphere soil, soil (10 g) attached to the root was collected and suspended in 90 mL sterile distilled water. Continuous on NB (Difco Laboratories, Detroit, Mich.) Modified with agar and AMS agar (Whittenbury et al., 1970) 15 g / L containing cycloheximide (10 μg / mL) and 0.5% (v / v) methanol, respectively Dilution plates were used to count total organotrophic and methanolic bacteria. To count Burkhloderia, soil suspensions were plated on selective Pseudomonas cepacia azela tritamine (PCAT) agar (Burbage and Sasser, 1982) and incubated for 3 hours. Burkholderia colonies showed a characteristic morphology on PCAT medium, small (about 1 mm in diameter) and white with clear borders.

[통계법]Statistics method

SAS Institute Inc.(미국 노스캘리포니아 캐리)의 SAS 패키지(버전 9.1)를 사용하여 P≤0.05에서 던칸 다중분석(DMRT: Duncan's Multiple Range Test)에 의해 데이터의 평방편차를 분석하고 평균값을 구했다. Using the SAS package (version 9.1) from SAS Institute Inc. (Cary, USA), the square deviations of the data were analyzed and averaged by Duncan's Multiple Range Test (DMRT) at P ≦ 0.05.

결과result

[카드뮴의 최소저해농도 측정][Measurement of Minimum Inhibitory Concentration of Cadmium]

메탄올자화성 균주 M. oryzae CBMB20 및 Burkholderia sp. CBMB40은 3mM까지의 CdCl2에 내성이었고, 식물에서 성장을 보였으며, 이 농도 이상에서는 성장을 관찰할 수 없었다. 그래서, 액체배지 중 CdCl2의 농도를 0.1에서 1.0mM까지 증가시키면서 교체하였고, 48시간째에 600nm에서 흡광도를 측정하여 배양물 성장을 측정했 다. 두 균주 모두 첨가된 중금속의 농도에 대해 내성이었지만, 중금속을 첨가하지 않은 배양물과 비교했을 때 성장은 감소했다. 중금속 존재 하에서의 성장임을 고려했을 때, 두 균주에 있어 첨가된 중금속 내에서는 변화는 관찰되지 않았다(데이터 나타내지 않음).Methanol magnetizable strains M. oryzae CBMB20 and Burkholderia sp. CBMB40 was resistant to CdCl 2 up to 3 mM, showed growth in plants, and growth was not observed above this concentration. Thus, the concentration of CdCl 2 in the liquid medium was changed while increasing from 0.1 to 1.0 mM, and the culture growth was measured by measuring the absorbance at 600 nm at 48 hours. Both strains were resistant to the concentration of added heavy metals, but growth was reduced when compared to cultures without the addition of heavy metals. Considering growth in the presence of heavy metals, no change was observed in the added heavy metals for both strains (data not shown).

[메탄올자화균의 성장기 세포와 휴지기 세포에 의한 중금속 결합][Binding of Heavy Metals by Methanol Growing Cells and Resting Cells]

상장시킨 배양물로 실험을 수행하여 Cd2+와 세포의 결합을 조사했다.Experiments were performed with the listed cultures to examine the binding of Cd 2+ to the cells.

성장기 M. oryzae CBMB20 세포는 Burkholderia sp. CBMB40에 비하여 Ni/Cd를 더 많은 양 축적했다(도 1a 및 도 1b). Cd는 CdCl2를 첨가하고 12시간 후에 검출할 수 있었다. 세포에 결합된 Cd의 양은 배양물이 성장함에 따라 증가했으며, M. oryzae CBMB20에서 그 농도는 Cd에 대해 각각 0.012에서 0.43으로, 그리고 0.687에서 7.45nmol(mg 세포 건조 중량)-1로 증가했다(도 1a). Burkholderia sp. CBMB40 세포는 263.69 내지 447.01pmol Cd2+(mg 세포 건조 중량)-1로 결합했다(도 1b).In the growing phase of M. oryzae CBMB20 cells, Burkholderia sp. More amount of Ni / Cd was accumulated compared to CBMB40 (FIGS. 1A and 1B). Cd could be detected 12 hours after adding CdCl 2 . The amount of Cd bound to cells increased as the culture grew, and the concentrations in M. oryzae CBMB20 increased from 0.012 to 0.43 and 0.687 to 7.45 nmol (mg cell dry weight) -1 for Cd, respectively ( 1a). Burkholderia sp. CBMB40 cells bound from 263.69 to 447.01 pmol Cd 2+ (mg cell dry weight) −1 (FIG. 1B).

첨부도면에서 도1은 CdCl2의 존재 하에 메탄올자화균 균주인 Methylobacterium oryzae 균주 CBMB20(a 및 c)와 Burkholderia sp. 균주 CBMB40(b 및 d)의 성장기 세포(a 및 b)와 휴지기 세포(c 및 d)에서 및 Cd2+의 축적을 나타낸 것으로 중금속 용액을 첨가한 후, 상이한 시간 지점에서 이 세포들에서의 Cd2+ 축적을 ICP-OES에 의하여 측정했다. 데이터는 3회 반복 실험의 평균으로 나타낸 다(P=0.05, n=3).Methanol magnetization bacteria strain Figure 1 in the accompanying drawings is in the presence of CdCl 2 Methylobacterium oryzae strain CBMB20 (a and c) and Burkholderia sp. In growth cells (a and b) and resting cells (c and d) of strain CBMB40 (b and d) And Cd 2+ accumulation in these cells at different time points after heavy metal solution was added to show accumulation of Cd 2+ was measured by ICP-OES. Data is presented as the average of three replicates (P = 0.05, n = 3).

또한, 근권 범위에 있는 박테리아 균주의 느린 성장 성질을 의태하기 위해 휴지기 세포에서 중금속 결합 실험을 수행하였다. In addition, heavy metal binding experiments were performed in resting cells to simulate the slow growth properties of bacterial strains in the rhizosphere range.

Cd2+의 농도는 M. oryzae CBMB20에서 0.271 내지 1.20 및 13.25 내지 27.68nmol(mg 세포 건조 중량)-1의 범위였다(도 1c). Burkholderia sp. CBMB40에서는 Cd2+에 대해 각각 0.384 내지 1.452 및 0.984 내지 1.857nmol(mg 세포 건조 중량)-1의 범위였다(도 1d). 일반적으로, 결합된 Cd2+의 총량은 휴지기 세포가 성장기 세포에서보다 더 많았다.The concentration of Cd 2+ ranged from 0.271 to 1.20 and 13.25 to 27.68 nmol (mg cell dry weight) −1 in M. oryzae CBMB20 (FIG. 1C). Burkholderia sp. CBMB40 ranged from 0.384 to 1.452 and 0.984 to 1.857 nmol (mg cell dry weight) −1 for Cd 2+ , respectively (FIG. 1D). In general, the total amount of bound Cd 2+ was greater in resting cells than in growing cells.

[기지균외 무감염 상태 조건에서 토마토 묘목의 내성지수 및 뿌리 신장][Tolerance Indices and Root Elongation of Tomato Seedlings in Non-Infectious Non-Infectious Conditions]

생장 파우치를 사용한 기지균외 무감염 상태 분석에서, 상이한 농도의 CdCl2의 존재 하에서 박테리아 접종을 한 것과 하지 않은 토마토 묘목의 TI를 측정했다. 그 결과, 토마토는 Cd에 매우 민감했으며, CdCl2 농도가 증가함에 따라 TI는 감소했음이 밝혀졌다. 더 높은 농도(CdCl2 10mM)에서는 박테리아 접종 여부에 관계 없이 묘목이 정착하지 못했는데, 이 결과는 고려하지 않았다. 표 1에 나타낸 TI는 얻어진 뿌리 길이로 계산한 것이며, 줄기 길이와 비교하여도 역시 유사한 결과를 얻었다(결과는 나타내지 않음). 토마토 종자에 박테리아 균주를 접종한 것은 상이한 농도에서 Cd에 대한 TI를 증가시켰다(표 1).In the analysis of non-microbial non-infectious state analysis using growth pouches, TIs of tomato seedlings with and without bacterial inoculation in the presence of different concentrations of CdCl 2 were measured. As a result, tomatoes were very sensitive to Cd, and it was found that TI decreased as the CdCl 2 concentration was increased. At higher concentrations (CdCl 2 10 mM), seedlings did not settle with or without bacterial inoculation, and this result was not considered. The TI shown in Table 1 was calculated from the obtained root lengths, and similar results were also obtained when compared to the stem lengths (results not shown). Inoculation of bacterial strains to tomato seeds increased the TI for Cd at different concentrations (Table 1).

<표1> 기지균의 무감염 성장 파우치 분석에서 상이한 농도의 Cd에 대한 토마토의 내성지수에 미치는 M.oryzae CBMB20 또는 Burkholderia sp. CBMB40의 효과TABLE 1 M.oryzae CBMB20 or Burkholderia sp. On the Tolerance Index of Tomatoes to Different Cds in Infected Growth Pouches of Known Bacteria. Effect of CBMB40

중금속농도(mM)  Heavy metal concentration (mM) 내성지수(TI)Immunity Index (TI) CdCl2 CdCl 2 No bacteriaNo bacteria CBMB20CBMB20 00 1.01.0 1.01.0 0.010.01 0.880.88 1.151.15 0.100.10 0.790.79 1.141.14 0.500.50 0.750.75 0.860.86 1.01.0 0.440.44 0.450.45 5.05.0 NGNG 0.330.33 10.010.0 NGNG NGNG

TI = RLm/RLc, 여기서 RLm은 첨가된 특정 금속의 존재 하에 성장한 식물의 뿌리 길이이고, RLc는 그 금속의 부재 하에 성장한 식물의 뿌리 길이이다. TI = RL m / RL c , where RL m is the root length of the plant grown in the presence of the specific metal added, and RL c is the root length of the plant grown in the absence of the metal.

박테리아 접종이, 접종하지 않거나 또는 중금속 개량된 대조군과 비교하여 토마토에서 뿌리 신장을 증가시켰음이 분명하다. 0.01 및 0.1mM의 CdCl2를 첨가했을 경우, M. oryzae CBMB20의 접종은 비접종 대조군 및 비접종, 비개량 대조군보다 더 긴 뿌리 길이를 기록했다. Burkholderia sp. CBMB40의 접종은 접종하지 않은 것에 비하여 CdCl2의 존재 하에 토마토의 뿌리 신장을 증가시켰다. 그러나, 0.5 및 1mM 농도의 CdCl2가 존재하는 경우, 뿌리성장은 훨씬 더 저해되었으며, 박테리아 접종은 접종하지 않은 것이 비하여 뿌리 신장을 증가시켰다(표 2). 유사하게, M. oryzae CBMB20 및 Burkholderia sp. CBMB40의 접종은 기지균외 무감염 상태 조건에서 토마토 묘목들의 바이오매스를 증가시켰다(표 2).It is evident that bacterial inoculation increased root elongation in tomatoes as compared to non-inoculated or heavy metal improved controls. When 0.01 and 0.1 mM CdCl 2 were added, the inoculation of M. oryzae CBMB20 recorded longer root lengths than the unvaccinated and uninoculated, unimproved controls. Burkholderia sp. Inoculation of CBMB40 increased tomato root elongation in the presence of CdCl 2 as compared to no inoculation. However, in the presence of 0.5 and 1 mM concentrations of CdCl 2 , root growth was much more inhibited and bacterial inoculation increased root elongation compared to no inoculation (Table 2). Similarly, M. oryzae CBMB20 and Burkholderia sp. Inoculation of CBMB40 increased the biomass of tomato seedlings under conditions known to be non-bacterial (Table 2).

<표2> 기지균 외 무감염 성장 파우치에서 상이한 농도의 Cd가 존재하는 경우 묘목 생장에 대한 M. oryzae CBMB20 또는 Burkholderia sp. CBMB40의 영향TABLE 2 M. oryzae CBMB20 or Burkholderia sp. On seedling growth when different concentrations of Cd were present in non-bacterial growth pouches. Impact of CBMB40

중금속농도(mM)  Heavy metal concentration (mM) 뿌리신장(cm)Root height (cm) CdCl2 CdCl 2 No bacteriaNo bacteria CBMB20CBMB20 CBMB40CBMB40 00 9.27±0.219.27 ± 0.21 11.78±0.3811.78 ± 0.38 10.21±0.2910.21 ± 0.29 0.10.1 8.12±0.408.12 ± 0.40 10.59±0.4010.59 ± 0.40 9.53±0.329.53 ± 0.32 0.100.10 7.30±0.337.30 ± 0.33 10.63±0.3310.63 ± 0.33 8.02±0.348.02 ± 0.34 0.500.50 6.92±0.146.92 ± 0.14 7.92±0.147.92 ± 0.14 7.74±0.267.74 ± 0.26 1.01.0 4.10±0.134.10 ± 0.13 4.10±0.134.10 ± 0.13 7.31±0.177.31 ± 0.17 5.05.0 -- 3.05±0.163.05 ± 0.16 1.25±0.531.25 ± 0.53 10.010.0 -- -- -- 건조물질†Dry matter † 00 96.02±4.9596.02 ± 4.95 113.81±8.73113.81 ± 8.73 98.52±3.9998.52 ± 3.99 0.010.01 81.44±9.4981.44 ± 9.49 107.44±9.49107.44 ± 9.49 93.16±4.7193.16 ± 4.71 0.100.10 74.43±3.7174.43 ± 3.71 101.43±3.71101.43 ± 3.71 90.00±5.2090.00 ± 5.20 0.500.50 48.68±3.2848.68 ± 3.28 95.68±3.2895.68 ± 3.28 78.42±4.8678.42 ± 4.86 1.01.0 38.64±4.9938.64 ± 4.99 68.64±4.9968.64 ± 4.99 54.00±5.2054.00 ± 5.20 5.05.0 55.35±2.5155.35 ± 2.51 -- 10.010.0 34.55±2.0534.55 ± 2.05 --

60개 묘목의 평균 건조 중량: 2일째에 발아하지 못한 종자를 표시하고, 이들 종자로부터 생장한 뿌리는 측정하지 않았다. 데이터는 평균ㅁ SE로 나타낸다. 15일된 토마토 묘목의 평균 뿌리 길이는 60개의 묘목을 측정한 것으로부터 뿌리 신장 분석에 의하여 평가했다(성장 파우치 당 6개 종자; 1회 당 10개 성장 파우치; 2회 반복) Average dry weight of 60 seedlings: Seeds that did not germinate on day 2 and roots grown from these seeds were not measured. Data are expressed as mean W SE. The average root length of 15-day-old tomato seedlings was assessed by root elongation analysis from the measurement of 60 seedlings (6 seeds per growth pouch; 10 growth pouches per time; 2 replicates).

[에틸렌 생성][Ethylene production]

성장 용액으로서 0.01 내지 10mM의 CdCl2를 첨가한 것은 토마토 묘목에서 스트레스 에틸렌을 증가시켰다. 박테리아 접종은 중금속 존재 하에서 스트레스 에틸렌 수준을 감소시켰다. 그러나, 더 높은 농도의 CdCl2(5 및 10mM)이 존재하는 경우, 묘목은 비접종 및 접종 조건에서 모두 정착할 수 없었다. M. oryzae CBMB20 및 Burkholderia sp. CBMB40 현탁액으로 종자를 처리하여 기지균외 무감염 상태 분 석했을 때, 상이한 농도의 CdCl2로 처리한 경우, 방출된 에틸렌 양은 0.77-2.51pmol/h(gFw)-1의 범위였으며, 이것은 M. oryzae CBMB20[0.47-2.35 pmol/h(gFw)-1] 또는 Burkholderia sp. CBMB40[0.572-1.136 pmol/h(gFw)-1]을 접종했을 때 감소했다.The addition of 0.01-10 mM CdCl 2 as the growth solution increased the stress ethylene in tomato seedlings. Bacterial inoculation reduced stress ethylene levels in the presence of heavy metals. However, when higher concentrations of CdCl 2 (5 and 10 mM) were present, the seedlings could not settle under both uninoculated and inoculated conditions. M. oryzae CBMB20 and Burkholderia sp. When the seeds were treated with CBMB40 suspension for analysis without extramicrobial status, when treated with different concentrations of CdCl 2 , the amount of ethylene released ranged from 0.77-2.51 pmol / h (gFw) −1 . oryzae CBMB20 [0.47-2.35 pmol / h (gFw) −1 ] or Burkholderia sp. Decreased when inoculated with CBMB40 [0.572-1.136 pmol / h (gFw) −1 ].

[화분 배양에서 중금속 축적 및 식물성장 촉진][Heavy metal accumulation and plant growth promotion in pot culture]

화분 실험에서는 성장 파우치 실험에서보다 고농도의 CdCl2(2mM)가 토마토의 뿌리 및 줄기 길이를 눈에 띄게 저해하는데 필요했으며, 그 결과는 가변적이었다. 그러나, 바이오매스 생산(줄기 및 뿌리 모두)은 중금속의 존재 하에 대단히 감소했는데, 토양 적용에 의한 박테리아의 적용은 중금속 용액의 존재 하에서 토마토의 바이오매스를 상당히 증가시켰다(표 3). 상이한 처리를 받은 전체 유기영양성 개체군은 토양 중에 105 내지 106 cfug-1의 범위였으며, 최대 개체군은 M. oryzae CBMB20 적용된 토양에 존재했다. 총 박테리아 개체군은 중금속 적용시 감소했고, 박테리아 균주의 적용시에는 개체군이 증가했다(표 3). M. oryzae CBMB20의 적용을 포함하는 처리시 PPFM 개체군이 더 많이 유지되었으며, CBMB40 처리시에도 상당한 수를 관찰할 수 있었다. PCAT 한천 평판에서 관찰했을 때는, Burkholderia sp. CBMB40 처리시에만 상당수의 Burkholderia가 존재했다(표 3).In pollen experiments, higher concentrations of CdCl 2 (2 mM) were required to significantly inhibit the root and stem lengths of tomatoes than in growth pouch experiments, and the results were variable. However, biomass production (both stem and root) was greatly reduced in the presence of heavy metals, and application of bacteria by soil application significantly increased the biomass of tomatoes in the presence of heavy metal solutions (Table 3). The total organotrophic populations treated with different treatments ranged from 10 5 to 10 6 cfug −1 in soil, with the largest population present in M. oryzae CBMB20 applied soil. The total bacterial population decreased with heavy metals and increased with bacterial strains (Table 3). More PPFM populations were maintained in treatments involving the application of M. oryzae CBMB20, and a significant number could be observed in CBMB40 treatments. When observed on a PCAT agar plate, Burkholderia sp. Only a significant number of Burkholderia were present at CBMB40 treatment (Table 3).

상이한 처리를 하기 위하여 토마토 수확시 토양에 존재하는 Cd의 양을 측정했다. 토양 적용에 의한 박테리아의 접종은 토양 중의 중금속 농도를 대단히 감소 시켰다. Cd2+의 양은 M. oryzae CBMB20 및 Burkholderia sp. CBMB40 접종시 6.808mg/kg에서 1.755 및 2.078mg/kg으로 각각 감소했다. The amount of Cd present in the soil at tomato harvest was measured for different treatments. Inoculation of bacteria by soil application significantly reduced the concentration of heavy metals in the soil. The amount of Cd 2+ was found in M. oryzae CBMB20 and Burkholderia sp. CBMB40 inoculation decreased from 6.808 mg / kg to 1.755 and 2.078 mg / kg, respectively.

<표3> 중금속 및 상이한 처리를 받은 근권 개체군의 존재 하에 화분 배양 조건에서 토마토의 식물성장 및 Cd의 축적에 대한 메탄올자화균의 영향Table 3 Effect of methanol magnetization on plant growth and Cd accumulation of tomato in pollen culture conditions in the presence of heavy metals and different treated rhizosphere populations

처리 process 식물키Plant height 건조물질생상량Dry matter yield 토양개체군Soil population 줄기stem 뿌리Root 줄기stem 뿌리Root 총유기영양생물Total Organic Nutrients PPFMsPPFMs BurkholderiaBurkholderia 대조군Control 79.35±4.52 ba79.35 ± 4.52 ba 48.33±11.78 ba48.33 ± 11.78 ba 8.13±0.88 bc8.13 ± 0.88 bc 1.25±0.22 de1.25 ± 0.22 de 5.87±0.21 cb5.87 ± 0.21 cb -- -- CBMB20단독CBMB20 alone 81.83±4.17 ba81.83 ± 4.17 ba 65.00±2.31 ba65.00 ± 2.31 ba 9.30±2.07 bac9.30 ± 2.07 bac 1.31±0.15 dec1.31 ± 0.15 dec 6.19±0.11 a6.19 ± 0.11 a 4.03±0.07 a4.03 ± 0.07 a -- CBMB40단독CBMB40 alone 84.33±3.08 a84.33 ± 3.08 a 69.33±13.37 ba69.33 ± 13.37 ba 8.70±1.44 bac8.70 ± 1.44 bac 1.42±0.31 bdec1.42 ± 0.31 bdec 5.62±0.13 e5.62 ± 0.13 e 3.10±0.06 b3.10 ± 0.06 b 4.13±0.084.13 ± 0.08 CdCl2단독CdCl2 alone 74.67±3.27 b74.67 ± 3.27 b 52.27±7.77 ba52.27 ± 7.77 ba 7.25±0.35 c7.25 ± 0.35 c 1.24±0.01 de1.24 ± 0.01 de 5.73±0.13 cde5.73 ± 0.13 cde -- -- CBMB20+CdCl2CBMB20 + CdCl2 84.33±1.76 a84.33 ± 1.76 a 69.67±12.39 ba69.67 ± 12.39 ba 10.81±2.15 a10.81 ± 2.15 a 2.01±0.12 ba2.01 ± 0.12 ba 5.81±0.24 cd5.81 ± 0.24 cd 3.96±0.09 a3.96 ± 0.09 a -- CBMB40+CdCl2CBMB40 + CdCl2 80.00±1.73 ba80.00 ± 1.73 ba 60.67±12.55 ba60.67 ± 12.55 ba 8.50±0.89 bac8.50 ± 0.89 bac 1.81±0.11 bdac1.81 ± 0.11 bdac 5.85±0.26 cd5.85 ± 0.26 cd -- 4.10±0.074.10 ± 0.07 LSD(P=0.05)LSD (P = 0.05) 9.309.30 30.3630.36 2.452.45 0.620.62 0.180.18 0.200.20 --

수치는 3회 반복 실험의 평균ㅁSE이다. 각 칼럼의 수치와 그 뒤의 동일한 문자는 피셔 최소 유의차 검정에 따랐을 때 통계적으로 차이가 없는 것이다(P>0.05). -측정되지 않음.Values are mean W SE of 3 replicates. The values in each column and the same letter following it are statistically insignificant (P> 0.05) according to Fisher's least significant difference test. -Not measured.

중금속의 존재 하에 접종 및 비접종 조건에서 토마토 뿌리 및 줄기에 의해 Cd2+의 흡수를 ICP-OES 분석에 의하여 측정했다. Cd2+의 양은 줄기보다 뿌리에서 더 많이 유지되었는데, 토마토 뿌리는 Cd2+를 약 75.95mg(kg 건조 중량)-1로 유지했다. 박테리아 균주의 적용은 토마토 뿌리와 줄기에 축적된 중금속을 상당히 감소시켰으며, M. oryzae CBMB20이 Burkholderia sp. CBMB40보다 더 잘 감소시켰다(도 4참조). 이들 결과는 메탄올자화균 균주가 토마토 줄기와 뿌리에서 Cd2+의 격리를 줄임으로써 중금속 존재에 대한 보호 효과를 부여한다는 것을 시사한다.Uptake of Cd 2+ by tomato roots and stems in inoculated and non-inoculated conditions in the presence of heavy metals was measured by ICP-OES analysis. The amount of Cd 2+ was kept more in the roots than the stems, while the tomato roots maintained about 75.95 mg (kg dry weight) −1 of Cd 2+ . Application of bacterial strains significantly reduced heavy metals accumulated in tomato roots and stems, and M. oryzae CBMB20 was found in Burkholderia sp. Better reduction than CBMB40 (see FIG. 4). These results suggest that methanol magnetization strains impart a protective effect on the presence of heavy metals by reducing the sequestration of Cd 2+ in tomato stems and roots.

국제보건기구에 따르면 Cd는 환경에 가장 즉각적으로 관여하는 금속에 속한다(Zatar 등, 2006). Cd는 또한 식물독성이기 때문에, 식물의 성장을 저해하고, 영양분 흡수 및 다른 대사과정과 생리학적 과정에 교란을 일으킨다고 보고 되었다(Toppi 및 Gabbrielli, 1999; Molas, 2002). 본 발명에서는 상기한 바와 같이 기지균외 무감염 상태 및 화분 배양 실험을 통하여 메탄올자화균 균주인 M. oryzae CBMB20과 burkholderia sp. 균주 CBMB40이 고농도의 Cd에 의해 야기되는 성장저해로부터 토마토 식물을 매우 효과적으로 보호할 수 있음이 밝혀졌다. According to the International Health Organization, Cd is one of the most immediate metals involved in the environment (Zatar et al., 2006). Since Cd is also phytotoxic, it has been reported to inhibit plant growth and disrupt nutrient absorption and other metabolic and physiological processes (Toppi and Gabbrielli, 1999; Molas, 2002). In the present invention, M. oryzae CBMB20 and burkholderia sp. It has been found that strain CBMB40 can very effectively protect tomato plants from growth inhibition caused by high concentrations of Cd.

박테리아 균주 M. oryzae CBMB20 및 Burkholderia sp. 균주 CBMB40은 성장 배지 중에서 고농도의 CdCl2의 존재에 대해 내성을 가진다. 미생물에서의 중금속 내성은 대체로 세포벽이나 단백질 및 세포외 고분자에 의한 금속결합, 불용성 금속 황화물 형성, 휘발 및 세포로부터의 증진된 확산을 포함한다(Huges 및 Poole, 1989). 본 발명에서 사용된 균주는 휴지기 조건과 성장기 조건 모두에서 상량량의 Cd2+가 세포와 결합한다. 더욱이, 이들 균주는 또한 식물성장 호르몬 및 ACC 디아 미나제를 생산하는데, 이런 특성들은 식물성장을 촉진하는데 도움이 된다(Madhaiyan 등, 2006; Poonguzali 등, 2007). 이들 고유한 특성과 관련하여, 용액 중에서 금속 이온과 강하게 상호작용하는 표면을 지닌 미생물은 토양 용액으로부터 독성 이온을 흡수하여 고정시키는 금속 이용성에 있어 상당한 역할을 할 수 있었기 때문에, 본 발명에서는 이들 균주가 토마토 식물에서 Cd의 식물독성 효과에 기여할 수 있는지를 조사하고자 했다.Bacterial strains M. oryzae CBMB20 and Burkholderia sp. CBMB40 strain has a resistance to high concentrations of CdCl 2 in the presence of growth medium. Heavy metal resistance in microorganisms generally includes metal binding by cell walls or proteins and extracellular polymers, insoluble metal sulfide formation, volatilization and enhanced diffusion from cells (Huges and Poole, 1989). The strain used in the present invention binds a large amount of Cd 2+ cells with both resting and growing conditions. Moreover, these strains also produce plant growth hormone and ACC diaminase, which properties help to promote plant growth (Madhaiyan et al., 2006; Poonguzali et al., 2007). With respect to these inherent properties, microorganisms with surfaces that interact strongly with metal ions in solution could play a significant role in the metal availability of absorbing and immobilizing toxic ions from the soil solution. The purpose of this study was to investigate whether tomato plants might contribute to the phytotoxic effects of Cd.

기지균외 무감염 상태 분석에서는, 성장 파우치에서 토마토를 성장시키기 전에 토마토 종자에 박테리아 적용한 것은 뿌리 신장을 촉진시켰고, 기지균외 무감염 상태 조건에서 다양한 농도의 Cd에 대한 TI를 증가시켰다. 그러나, 이전 보고서(Safronova 등, 2006)와 마찬가지로, 접종 효과는 접종된 박테리아 균주에 따라 변했다. 중금속의 존재는 일반적으로 부딪히는 스트레스이며, 식물은 더 많은 수준의 에틸렌을 합성함으로써 상이한 환경적 스트레스에 반응하고(Abeles 등, 1992), 그 결과 식물성장이 감소된다. 그럼에도, 식물성장 촉진 박테리아가 ACC 디아미나제 효소를 함유할 때, 그것은 식물에서 에틸렌의 수준을 조절하는 작용을 할 수 있다. In the non-microbial uninfected condition analysis, bacterial application to tomato seeds prior to growing tomatoes in the growth pouch promoted root elongation and increased TI for various concentrations of Cd under non-microbial conditions. However, as in previous reports (Safronova et al., 2006), the inoculation effect varied with the bacterial strains inoculated. The presence of heavy metals is a commonly encountered stress, and plants respond to different environmental stresses by synthesizing higher levels of ethylene (Abeles et al., 1992), resulting in reduced plant growth. Nevertheless, when plant growth promoting bacteria contain the ACC deaminase enzyme, it can act to regulate the level of ethylene in the plant.

우리는 이전 연구에서 Methylobacterium에서 식물성장 호르몬과 ACC 디아미나제의 생산을 수반하고, 캐놀라에서 에틸렌 수준을 저하시키는 모델을 제안했었다. In a previous study, we proposed a model involving the production of plant growth hormone and ACC deaminase in Methylobacterium and lowering ethylene levels in canola.

ACC 디아미나제 활성을 가진 박테리아는 식물에서 에틸렌의 조기 전구체인 ACC의 터전으로서 작용하며, ACC를 α-케토부티레이트 및 암모니아로 전환시킴으로 써 ACC 및 에틸렌의 수준을 감소시키고, 뿌리성장에 대한 에틸렌의 저해효과를 감소시켰다(Madhaiyan 등, 2006). ACC 디아미나제 활성을 가진 식물성장 촉진 박테리아가 식물에서 합성되는 스트레스 에틸렌을 감소시킴으로써 중금속의 존재 하에서도 식물성장을 촉진한다는 것은 잘 문서화되어 있다(Burd 등, 1998; Safronova 등, 2006; Rajkumar 등, 2006). 이들 결과와 동시에, 본 발명에서는 중금속 존재 하에서 에틸렌 방출의 증가가 기지균외 무감염 상태 실험에서 박테리아의 접종으로 인해 감소되었다.Bacteria with ACC deaminase activity act as a precursor to ACC, an early precursor of ethylene in plants, and by converting ACC to α-ketobutyrate and ammonia to reduce levels of ACC and ethylene, Inhibitory effects were reduced (Madhaiyan et al., 2006). It is well documented that plant growth promoting bacteria with ACC deaminase activity promote plant growth even in the presence of heavy metals by reducing stress ethylene synthesized in plants (Burd et al., 1998; Safronova et al., 2006; Rajkumar et al., 2006). Simultaneously with these results, in the present invention, the increase in ethylene release in the presence of heavy metals was reduced due to the inoculation of bacteria in the non-microbial uninfected state experiment.

반면에, 본 발명에서는, 화분 배양 조건 하에서 Cd 오염 토양에서 M. oryzae CBMB20 및 Burkholderia sp. CBMB40을 사용하여 토마토의 뿌리와 줄기에서 중금속 흡수를 감소시키고, 또한 토양에서 이들의 이용성을 감소시키는 것으로 나타났고 이번 결과와 유사하게, 식물성장 촉진 박테리아의 접종은 보리 식물에서 Cd 흡수를 감소시켰는데, 그것은 아마 근권에서 Cd가 박테리아 고정되기 때문인 것 같다. 더욱이, 식물에 식물성장 촉진 박테리아 균주의 접종은 또한, 이들 균주의 생물흡착 및 생물축적으로 인하여 금속 부하를 공유함으로써 금속의 식물독성 효과를 감소시키는데 기여할 수 있다(Zaidi 및 Mussarat, 2004). In contrast, in the present invention, M. oryzae CBMB20 and Burkholderia sp. CBMB40 was used to reduce heavy metal uptake in the roots and stems of tomatoes, and also to reduce their availability in the soil. Similarly, the inoculation of plant growth promoting bacteria reduced Cd uptake in barley plants. , It is probably because Cd is bacteria fixed in the rhizosphere. Moreover, inoculation of plant growth promoting bacterial strains into plants can also contribute to reducing the phytotoxic effect of metals by sharing metal loads due to the biosorption and bioaccumulation of these strains (Zaidi and Mussarat, 2004).

본 발명에 따르면, 접종된 균주와 일치한 개체군이 근권토양에서 관찰되며, 중금속에 대한 내성 증가가 오염된 환경에 경쟁적인 이점을 제공할 수 있었다. 금속에 대해 개량된 미생물은 그들이 오염된 토양에서 군락을 이루는데 있어서 몇 가지 전략을 가지는 것으로 나타난다(Meharg 및 Cairney, 2000). 접종된 박테리아 균주는 식물 뿌리와 금속 부하를 공유함으로써 토양에서 Cd의 수준을 감소시키고, 따라서 식물은 초기 성장단계 도중에 정착되었다. 더욱이, 토양에 묘목이 정착된 후, 이들 균주는 또한 중금속의 존재 하에서 최적의 식물성장을 위하여 식물이 충분한 식물성장 호르몬 및 다른 영양소를 획득하도록 돕는다(Zaibi 등, 2006). 토마토 뿌리와 줄기에서 흡수 감소는 박테리아 균주가 이들 금속을 생물흡착하고 이들 금속이 식물로 전위되는 것을 방지하기 때문인 것 같다. According to the present invention, a population consistent with the inoculated strain is observed in the rhizosphere soil, and increased resistance to heavy metals could provide a competitive advantage in contaminated environments. Microorganisms improved on metals appear to have several strategies for colonizing their soils (Meharg and Cairney, 2000). Inoculated bacterial strains reduce the level of Cd in the soil by sharing metal loads with the plant roots, and thus the plant settles during the early growth phase. Moreover, after seedlings have settled in the soil, these strains also help the plants acquire sufficient plant growth hormone and other nutrients for optimal plant growth in the presence of heavy metals (Zaibi et al., 2006). The decrease in absorption in tomato roots and stems is likely due to bacterial strains biosorbing these metals and preventing them from translating to plants.

본 발명에 따르면 결국, 선택된 박테리아의 접종이 스트레스 에틸렌을 감소시키는 것에 의해서 뿐만 아니라, 식물에 의한 흡수와 식물로의 전위를 감소시켜 중금속의 유해 효과를 감소시키는 것을 통해서 식물성장을 개선하고, 토마토에서 Cd 독성을 감소시킨다는 것을 시사한다. According to the present invention, eventually, the inoculation of selected bacteria not only reduces stress ethylene, but also improves plant growth and reduces the harmful effects of heavy metals by reducing the uptake by plants and potential transfer to plants, Suggests a decrease in Cd toxicity.

이번 결과는 또한 식물성장 촉진 Methylobacterium 및 Burkholderia가 식물에서 유도되는 중금속 스트레스를 완화할 수 있었다는 것을 최초로 제시할 수 있게 되었다.The results are also the first to show that plant growth-promoting Methylobacterium and Burkholderia have been able to alleviate heavy metal stress induced in plants.

Claims (3)

카드뮴 독성을 감소시키고 식물성장을 촉진시키기 위한 용도로 사용됨을 특징으로 하는 메탄올자화균.Methanol magnetization bacteria, characterized in that it is used to reduce cadmium toxicity and promote plant growth. 제1항에 있어서 상기 메탄올자화균은 메틸로 박테리아 오리재에스피. 노브(Methylobacterium oryzae sp. nov.; KACC 11585)임을 특징으로 하는 메탄올자화균.The method according to claim 1, wherein the methanol magnetization bacteria is methyl duck duck SP. Methanol magnetization bacteria characterized in that the knob (Methylobacterium oryzae sp. Nov .; KACC 11585). 제3항에 있어서 상기 메틸로 박테리아 오리재에스피.노브는 벼의 줄기로부터 분리된 것이며 ACC디아미나제를 생산할 수 있는 신규미생물임을 특징으로 하는 메탄올자화균.4. The methanol magnetization bacterium according to claim 3, wherein the methylobacterial duck sp. Knob is isolated from the stem of rice and is a novel microorganism capable of producing ACC diminase.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113265478A (en) * 2021-04-20 2021-08-17 河南师范大学 Kit and method for rapidly detecting cadmium content in aquatic product
CN115997791A (en) * 2022-12-30 2023-04-25 华南农业大学 Application of Burkholderia cepacia in promoting saline-alkali tolerance of plants and reducing heavy metal cadmium content

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