KR20090048775A

KR20090048775A - 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키는 방법과 그에따른 식물체

Info

Publication number: KR20090048775A
Application number: KR1020070114810A
Authority: KR
Inventors: 김영철; 조송미; 이장훈
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-05-15
Also published as: KR100943414B1

Abstract

본 발명은 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키는 방법과 그에 따른 식물체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부탄디올(butanediol)을 식물체에 처리하는 단계를 포함하는 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키는 방법; 상기의 방법에 의해 제조된 가뭄 및 고염 내성이 증가된 식물체; 상기 식물체의 종자; 부탄디올을 유효 성분으로 포함하는 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키기 위한 조성물에 관한 것이다.

가뭄, 고염, 부탄디올, 2R,3R-butanediol, 내성, 조성물

Description

식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키는 방법과 그에 따른 식물체{Method of enhancing systemic resistance against drought and high salt stress of plant and plant produced by the same}

본 발명은 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키는 방법과 그에 따른 식물체에 관한 것이다.

식물은 다양한 식물병원균의 침입 뿐만 아니라, 가뭄이나 저온 스트레스 등 다양한 스트레스 등에 의해서도 식물의 생산성이 크게 감소한다. 아직까지 가뭄 등 환경 스트레스에 의한 식물을 보호하는 방법에 대해서는 뚜렷한 진전이 없으나, 식물병원균의 침입으로부터 식물을 보호하는 방법으로는 화학농약을 사용하는 방법 이외에 최근에 식물병이 오기 이전에 식물에 병 저항성을 유도하는 미생물을 식물에 처리함으로서 식물로 하여금 병에 대한 저항성을 갖게 하여 병에 걸리지 않게 하는 예방법도 있다[Van Loon 등, 1998]. Pseudomonas chlororaphis O6균주도 세균병, 바이러스병, 곰팡이병 등 다양한 식물병원균으로부터 식물의 병 저항성을 유도하여 식물병의 발생을 억제하는 능력이 있는 균주로 알려져 있다 [Spencer 등, 2003]. 또한 O6 균주는 휘발성 물질인 2R, 3R-부탄디올(2R, 3R-butanediol)이 생산 하여 식물의 생장을 촉진할 뿐만 아니라 세균성 무름병에 대해서도 저항성을 유도하는 유도물질로 알려져 있다 [Han 등, 2006]. 식물병 저항성을 유도하는 방어 활성 물질로서 아시벤조라-S-메틸[Kunz 등, 1997], 2,6-디클로로 이소니코틴 산[Metraux 등, 1991], 살리실 산[Sticher 등,1997], 프로베나졸[Watanabe 등, 1973], 베타-아미노 뷰틴산[Tosi 등, 1998], 시클로 프로판 카복실 산 유도체[Michael 등, 2001]등도 식물병 저항성을 유도하는 것으로 알려져 있다.

본 발명에서 사용된 슈도모나스 크로로라피스 O6은 식물이 식물병이나 가뭄과 고염에 대해 저항성을 유도하여 식물병원균의 침입이나 가뭄에 대한 예방효과를 갖게 하는 기능을 보유하는 것으로 알려진 미생물로서[한국특허 제0521744호], 기존의 식물병 저항성 유도물질 생성과는 무관하게 휘발성 물질인 2R, 3R-부탄디올이 식물병 저항성을 유도한다고 보고되고 있다 [Han 등, 2006]. 하지만 아직까지 슈도모나스 크로로라피스 O6의 어떠한 대사물질이 식물가뭄 내성을 유도하고 어떠한 방법으로 유도하는지 밝혀진 바가 없다.

대한민국 등록특허 제0521744에는 슈도모나스 크로로라피스 06 균주 및 이를 이용한 식물병 방제 및 가뭄 피해 감소 방법이 기재되어 있으나, 본 발명의 가뭄 및 고염 내성에 대한 개시는 없다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 안출된 것으로서, 본 발명은 식물의 가뭄 에 대한 저항성을 유도하는 식물 근권 미생물인 슈도모나스 크로로라피스 O6가 생산하는 대사산물인 2R,3R-부탄디올 물질을 애기장대에 처리하여 가뭄과 고염 내성이 향상된 사실을 밝힘으로서, 2R,3R-부탄디올이 가뭄 및 고염 내성 유도 신규물질로 사용될 수 있는 효과를 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 부탄디올(butanediol)을 식물체에 처리하는 단계를 포함하는 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 상기의 방법에 의해 제조된 가뭄 및 고염 내성이 증가된 식물체를 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 상기 식물체의 종자를 제공하고자 한다.

본 발명은 또한, 부탄디올을 유효 성분으로 포함하는 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키기 위한 조성물을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 방법을 농작물 재배에 적용하면 가뭄 및 고염에 내성을 유도함으로서 농작물의 생산성을 높일 수 있고, 슈도모나스 크로로라피스 O6 균주가 가뭄과 고염에 내성을 유도한다고 알려져 있지만 그 기작은 아직까지 밝혀지지 않았 으나, 본 발명을 통해 이 균주의 가뭄과 고염에 대한 내성이 2R, 3R-부탄디올을 생성하는데서 기인된다는 사실을 새롭게 확인함으로써 그 가치가 높다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 부탄디올(butanediol)을 식물체에 처리하는 단계를 포함하는 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키는 방법을 제공한다. 부탄디올(butanediol)은 바실러스나 슈도모나스와 같은 미생물의 혐기적 발효 과정에서 피루베이트 (pyruvate)로부터 생성되는 휘발성 물질이며, 부탄디올 탈수소효소 (butanediol dehydrogenase)가 관여하여 아세토인(acetoin)으로부터 합성된다. 부탄디올은 2R,3R-, 2S,3S-, 2R,3S-, 2S,3R-형태의 이성질체가 존재하며 이중 식물체와 상호 작용에서 생장촉진과 내병성 증진에 2R,3R-부탄디올이 활성이 있는 것으로 알려져 있다. 슈도모나스 크로로라피스 O6 균주를 식물체에 처리하였을 때 가뭄이나 고염에 대해 내성이 강화되었으므로, 이 미생물이 생산하는 휘발성 물질인 부탄디올의 2R, 3R 이성질체를 식물체에 처리한 후 가뭄 처리를 하였을 때 가뭄 내성이 강화되는지 알아보았다.

본 발명의 일구현예에 따른 방법에서 상기 부탄디올은 슈도모나스 크로로라피스 O6 균주로부터 분리된 2R, 3R-부탄디올인 것을 특징으로 한다. 슈도모나스 크로로라피스로부터 분리된 2R,3R-부탄디올은 식물병에 대해 저항성 증진과 가뭄에 대한 내성이 나타났으나, 다른 형태의 이성질체들은 식물에 뚜렷한 효과를 보이지 않았다. 본 발명에서 사용된 슈도모나스 크로로라피스 O6은 식물이 식물병이나 가뭄과 고염에 대해 저항성을 유도하여 식물병원균의 침입이나 가뭄에 대한 예방효과를 갖게 하는 기능을 보유하는 것으로 알려진 미생물이다.

본 발명의 일구현예에 따른 방법에서 상기 염의 농도는 200~300mM인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일구현예에 따른 방법에서 식물체에 대한 상기 부탄디올의 처리 부위는 잎 또는 뿌리인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일구현예에 따른 방법에서 상기의 식물체의 가뭄 및 고염 내성은 식물의 기공이 폐쇄되어 가뭄 및 고염에 대한 내성이 유도되는 것을 특징으로 한다. 이는 상기의 부탄디올 처리가 가뭄이 오면 기공의 폐쇄를 유발하여 식물의 증산작용을 억제함으로써 식물체 내의 수분 증발을 막고 결과적으로 가뭄에 내성을 유도함을 의미한다.

본 발명의 일구현예에 따른 방법에서 상기 부탄디올은 가뭄이 오기 전에 식물체에 처리하는 것을 특징으로 한다. 가뭄이 오기 전에 상기 부탄디올을 처리함으로써 가뭄 및 고염에 대한 내성이 강화된 식물체를 얻고자 하는 것이다.

본 발명은 상기의 방법에 의해 제조된 가뭄 및 고염 내성이 증가된 식물체를 제공한다. 본 발명은 2R, 3R-부탄디올을 물에 용해한 후 500 나노그램 수준으로 애기장대에 미리 처리한 후 동일 식물에 가뭄과 고염을 처리하면 80% 이상의 가뭄 및 고염 억제하는 작용을 한다. 즉, 본 발명은 슈도모나스 크로로라피스 O6 균주가 생산하는 2R, 3R-부탄디올이 식물로 하여금 가뭄과 고염에 대해 내성이 생기게 하는 예방 기능을 보유하고 있다.

본 발명의 일구현예에 따른 방법에서 상기 식물체는 애기장대일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명은 상기 식물체의 종자를 제공한다.

본 발명은 부탄디올을 유효 성분으로 포함하는 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키기 위한 조성물을 제공한다. 상기 조성물은 상기 부탄디올 이외에도 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키기 위한 당업계에 공지된 물질을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일구현예에 따른 상기 부탄디올은 슈도모나스 크로로라피스 O6 균주로부터 분리된 2R, 3R-부탄디올인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일구현예에 따른 상기 염의 농도는 200~300mM인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 가뭄 내성 유도 활성을 한국특허 제 0521744호에서 발명된 슈도모나스 크로로라피스 O6 균주와 비교하여 본 발명에 의한 가뭄 유도 저항성 활성을 조사하였다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1. 물질의 정제 및 현탁액 조제>

본 발명에 사용한 휘발성 물질인 2R, 3R-부탄디올은 기 보고된 방법에 의해 슈도모나스 크로로라피스 O6균주를 루리아 브로스(LB) 액체 배지에서 27℃ 온도조건, 150 rpm에서 60시간 배양한 후 정제되었다 [Han 등, 2006].

<실시예 2. 애기 장대를 이용한 가뭄과 고염에 대한 생물학적 검증>

애기 장대 종자를 70% 에탄올과 하이포아과염소산(HClO₄)을 이용하여 표면 소독한 다음 비타민, 당, 영양 물질이 포함된 배양 접시에서 3일 동안 배양 후 종자를 발아시켰다. 배양액 조성은 다음과 같다.

Murashige & Skoog medium including vitamin 4.4 g/L

2-Morpholinoethansulfonic acid and monohydrate 0.5 g/L

Sucrose 30 g/L

Phyto gel agar 5 g/L

발아된 종자를 조직 배양접시로 옮겨 심은 후 명조건과 암조건이 각각 14시간, 10시간 되는 식물생장상에서 애기장대를 생육시켰다. 약 2주일 후 애기장대 잎이 5~6개까지 생장하였을 때 100 마이크로그램(㎍)/1 밀리리터(ml)의 물에 현탁한 2R, 3R-부탄디올을 10배로 희석하여 각각 5 마이크로리터(㎕)씩 잎이나 뿌리에 처 리한 다음 처리 1 주일 후에 식물체를 200 밀리몰(mM)이나 300 밀리몰(mM)의 고농도의 염화나트륨(NaCl)을 함유한 MS 배지에 옮긴 후 5일후까지 식물체 잎이 하얗게 변하는 것을 고염에 피해 잎으로 조사하였다. 대조구는 증류수를 사용하였으며 참조구로는 1 x 10⁸ 생균수/밀리리터 (ml)의 슈도모나스 크로로라피스 현탁액를 사용하였다.

가뭄 처리를 위해서는 발아된 종자를 멸균된 한 장의 Whatman filter paper가 놓인 조직 배양 접시로 옮겨 심은 후 명조건과 암조건이 각각 14시간, 10시간 되는 식물조직 배양실에서 배양하였다. 약 2주일 후 멸균수에 현탁된 2R, 3R-부탄디올을 잎이나 뿌리에 처리한 다음 처리 3일 후에 식물체를 멸균된 뚜껑이 없고 수분이 없는 멸균된 페트리디쉬에 방치하여 가뭄 처리를 하였다. 처리 후 6시간까지 고사한 잎을 가뭄 피해잎으로 조사하였다. 대조구는 증류수를 사용하였으며 참조구로는 1 x 10⁸ 생균수/밀리리터 (ml)의 슈도모나스 크로로라피스 현탁액를 사용하였다.

본 발명의 2R, 3R-부탄디올에 의한 가뭄 내성 유도 능력은 멸균수를 처리한 대조구는 약 20%만 가뭄 스트레스에 생존한 반면, 2R, 3R-부탄디올 500나노그램과 250 나노그램, 100나노그램, 그리고 50나노그램 처리구에서도 60%이상의 생존율을 보였다 (도 1). 1/10희석된 2R, 3R-부탄디올을 잎에 처리하였을 때에는 60%의 생존율을 보여, 참고구로 처리한 슈도모나스 크로로라피스 O6균주의 처리구의 70% 생존율과 비슷한 가뭄 내성 유도능력을 보였고, 대조구로 사용한 멸균수를 처리한 구에 서의 생존율인 20%에 비해 현저한 가뭄 내성 유도 능력을 보였다 (도 2). 또한 뿌리에 처리해 주었을 때도 2R, 3R-부탄디올 처리구와 참고구 슈도모나스 크로로라피스 O6 처리구의 가뭄 처리 생존율이 대조구 처리에 비해 현저히 높았다 (도 3). 50나노그램의 2R, 3R-부탄디올을 식물체 뿌리에 접종하였을 때는 200mM NaCl고염 처리 시 90%이상의 식물이 생존한 반면에 대조구로 접종한 멸균수 접종구와 대장균 처리구는 20 - 30%만 생존하였다 (도 4). 이상의 결과는 50나노그램의 낮은 농도 2R, 3R-부탄디올을 식물체 뿌리나 잎에 처리하였을 때, 식물체가 가뭄이나 고염에 내성이 유도됨을 나타냈다.

<실시예 3. 애기장대를 이용한 가뭄과 고염에 대한 조직학적 검증>

실시예 2의 방법으로 애기장대를 생육시킨 다음, 동일한 방법으로 O6균주와 2R, 3R-부탄디올을 처리한 다음, 식물의 기공을 최대한 열리도록 아주 강한 빛(100μE/m2/s)의 조직배양실에 3시간동안 방치한 다음, 잎을 사프라닌 오 (Safranin O, 0.5%) 염색약으로 30초에서 1분동안 염색한 후 멸균수로 3번 씻어낸다. 시료는 광학현미경 (Zeiss, Model DE/AXIOLAB-POI에서 관찰하여 기공의 개폐 여부를 조사하였다. 또는 주사전자현미경 (Hitachi)하에서 기공 개폐 여부를 조사하였다.

두 번째 방법으로는 상기의 방법으로 처리한 다음 완전히 전개된 잎으로부터 표피세포를 볏겨낸 다음 슬라이드 그라스위에 올려 논 다음, 2R, 3R-부탄디올이나 멸균수에 현탁된 균주로 처리한 다음 기공 개폐율을 광학현미경이나 주사전자현미경하에서 조사하였다.

본 발명의 2R, 3R-부탄디올에 의한 가뭄 내성 유도 능력은 본 물질이 기공을 폐쇄하여 가뭄이나 고염에 내성을 유도하는 것으로 나타났다. 대조구인 물을 처리한 식물체는 약 20%의 기공이 폐쇄되어 있었으나, 50 나노그램 2R, 3R-부탄디올을 잎에 처리하였을 때에는 50%정도의 기공이 폐쇄되어 있었고, 참고구로 처리한 슈도모나스 크로로라피스 O6균주의 처리한 식물체는 70% 정도의 기공이 폐쇄되어 있었다 (도 5). 또한 뿌리에 처리해 주었을 때도 2R, 3R-부탄디올 처리구와 참고구 슈도모나스 크로로라피스 O6 처리한 식물체의 기공은 폐쇄되어 있었으나, 대조구의 기공은 열려 있었다 (도 6).

이상의 결과를 통해 본 발명 2R, 3R-부탄디올이 애기 장대에서 슈도모나스 크로로라피스 O6가 식물의 가뭄과 고염에 내성을 나타내는 주요 대사물질이었음을 의미하였고, 이 물질과 O6균주 처리가 기공을 폐쇄하여 가뭄과 고염에 내성을 유도하였다.

참고문헌

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도 1은 슈도모나스 크로로라피스 O6균주가 생산하는 가뭄내성 유도 물질 2R, 3R-부탄디올의 농도별 처리에 의해 가뭄 내성 유도능력을 나타내는 도표이다.

도 2는 가뭄 내성 유도 물질 2R, 3R-부탄디올의 애기장대 잎에 처리 시 가뭄 내성 유도를 나타낸 도표이다.

도 3은 가뭄 내성 유도 물질 2R, 3R-부탄디올의 애기장대 뿌리에 처리 시 가뭄 내성 유도를 나타낸 도표이다.

도 4는 가뭄 내성 유도 물질 2R, 3R-부탄디올의 애기장대 뿌리에 처리 시 고염 (200mM NaCl)에 내성을 나타내는 도표이다.

도 5는 가뭄 내성 유도 물질 2R, 3R-부탄디올처리 후 애기장대 잎 기공 폐쇄를 유도하는 도표이다.

도 6은 가뭄 내성 유도 물질 2R, 3R-부탄디올처리 후 애기장대 잎 기공 폐쇄정도를 나타내는 그림이다.

Claims

2R, 3R-부탄디올을 식물체에 처리하는 단계를 포함하는 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키는 방법.
제1항에 있어서, 상기 2R, 3R-부탄디올은 슈도모나스 크로로라피스 O6 균주로부터 분리된 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 염의 농도는 200~300mM인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 식물체에 대한 상기 2R, 3R-부탄디올의 처리 부위는 잎 또는 뿌리인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기의 식물체의 가뭄 및 고염 내성은 식물의 기공이 폐쇄되어 가뭄 및 고염에 대한 내성이 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 2R, 3R-부탄디올을 가뭄이 오기 전에 식물체에 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 가뭄 및 고염 내성이 증가된 식물체.
제7항에 있어서, 상기 식물체는 애기장대인 것을 특징으로 하는 식물체.
제8항에 따른 식물체의 종자.
2R, 3R-부탄디올을 유효 성분으로 포함하는 식물체의 가뭄 및 고염 내성을 증가시키기 위한 조성물.
제10항에 있어서, 상기 2R, 3R-부탄디올은 슈도모나스 크로로라피스 O6 균주로부터 분리된 것을 특징으로 하는 조성물.
제10항에 있어서, 상기 염의 농도는 200~300mM인 것을 특징으로 하는 조성물.