식물을 이해하는 또 다른 방법 -함께 사는 미생물, 마이크로바이옴-
요약
1. 식물과 공생하는 마이크로바이옴
마이크로바이옴이란 식물, 동물 등과 더불어 살아가는 미생물 전체로 이들의 유전정보까지 포함한 개념이다. 미생물이 서식하는 장소는 인체, 식물, 토양 등 없는 곳이 없는데 서식지 환경에 맞추어 마이크로바이옴이 자리 잡게 된다.
식물과 밀접한 관계에 있는 미생물에는 대표적으로 세균, 진균, 바이러스 등이 있으며 식물과 공생한다. 마이크로바이옴의 영역은 크게 근권, 내권, 엽권으로 나눌 수 있는데, 근권은 살아있는 뿌리가 영향을 주는 토양 영역, 내권은 식물체 내부, 엽권은 주로 잎에 사는 미생물의 서식지를 뜻한다.
식물은 미생물에게 안전하고 먹거리가 풍부한 환경을 제공하고 미생물은 안락한 보금자리를 찾아 정착한다. 식물은 발달시기, 환경조건에 따라 특정한 물질을 뿌리 분비물로 배출함으로써 식물 생육에 필요한 미생물을 초대한다.
2. 마이크로바이옴의 잠재능력
최근 마이크로바이옴이 주목받고 있는 기능을 살펴보면 첫째, 식물은 성장과정 중에 다양한 스트레스 상황에 직면하는데, 식물 마이크로바이옴은 이런 스트레스 감소에 기여한다. 둘째, 식물도 동물처럼 면역체계를 가지고 있는데 식물 마이크로바이옴은 식물의 면역력 높이기도 한다. 셋째, 일반적으로 토양에 유기물이 증가하면 식물 주변 미생물이 활발해져 병원균의 생장을 억제한다. 넷째, 식물체와 상호작용하는 마이크로바이옴 조성에 따라 개화시기가 현저하게 차이나는 사례가 보고되기도 했다. 다섯째, 식물이 생육을 저해하는 특정 미생물의 특성을 이용하여 잡초의 생물학적 방제에 적용하기도 한다. 여섯째, 석유, 중금속, 농약 등에 오염된 토양 복구에 미생물의 상호작용을 이용하면 정화 효율을 높일 수 있다. 마지막으로 텃밭 활동 등으로 식물과 마이크로바이옴에 자주 노출되고 미생물이 풍부한 농산물을 먹게 되면 건강에도 긍정적 영향을 미친다.
3. 시사점
미생물은 지구상에서 가장 수가 많고 생태계의 근간을 이루기도 하는 마이크로바이옴의 가치와 활용도를 잘 인식해야한다. 또한 농업의 지속가능성을 지켜 줄 수 있는 기술로 미생물을 활용한 농업기술이 크게 주목받고 있는데 이를 단순한 농업기술이 아닌 농업의 패러다임으로 이해해야 한다. 국외에 비해 R&D예산 비율이 낮고, 인력과 인프라가 약하므로 이를 극복할 수 있는 일점 집중 타격전략이 필요하다.
목차
Ⅰ. 식물과 공생하는 마이크로바이옴 ················· 1
Ⅱ. 마이크로바이옴의 잠재능력 ···························· 10
Ⅲ. 시사점 ······································································· 15
마이크로바이옴이란 식물, 동물 등과 더불어 살아가는 미생물 전체로 이들의 유전정보까지 포함한 개념이다. 미생물이 서식하는 장소는 인체, 식물, 토양 등 없는 곳이 없는데 서식지 환경에 맞추어 마이크로바이옴이 자리 잡게 된다. 식물과 밀접한 관계에 있는 미생물에는 대표적으로 세균, 진균, 바이러스 등이 있으며 식물과 공생한다.
기주와 마이크로바이옴을 합쳐 메타유기체(meta-organism)라고 부르기도 하는데, 이는 기주와 마이크로바이옴을 하나의 연합체로 보는 개념
장내 마이크로바이옴(intestinal microbiome)은 그 수와 다양성이 매우 커서 제2의 인간 유전체(second genome)라고도 함
장내 미생물은 모두 유익균?
인체에 서식하는 대부분의 미생물은 인간에게 어떤 해도 끼치지 않으면서 존재하는 공생균(commensal microorganism)으로 특히 장에서 쉽게 관찰
근권(rhizosphere), 내권(endosphere), 엽권(phyllosphere)
뿌리 주변 토양 1 그램(g)당 세균은 1만 종 이상, 세포 수로는 100억 개 이상
긴 실모양의 균사를 통해 식물 뿌리가 닿지 않는 곳까지 확장하여 양분, 무기질, 물을 흡수하여 식물을 돕는 역할
라이조비움(Rhizobium)과 브래디라이조비움(Bradyrhizobium) 등
항생물질 생산에 흔히 쓰이는 슈도모나스(Pseudomonas), 바실러스(Bacillus), 스트렙토마이세스(Streptomyces) 등이 대표적
세계 각국에서 비료 대신 사용할 목적으로 연구 중인 미생물로 인산가용화균을 비롯한 다양한 명칭이 있으며 생물비료라고 부르기도 함
마이크로바이옴의 생활사를 연애스타일로 비교하면??
일편단심형: 당신 없이 못살아! (절대성: obligate)
나쁜남자형: 내 마음? 니가 하는거 봐서! (조건성: facultative)
기회주의형: 언젠가 당신 마음을 뺏고야 말겠어! (기회성: opportunistic)
에틸렌과 자스몬산은 식물이 실제로 어려운 상황에 빠진 것처럼 착각하게 하여 병원균의 공격에 미리 대비하도록 하는 일종의 ‘예방주사’와 같은 역할
엽권미생물의 스트레스 적응을 위한 숨겨둔 필살기
외부 자극으로부터 이겨내기 위한 강력한 방어 능력, 비바람이 몰아쳐도 떨어지지 않는 악바리 근성과 남다른 이동능력
애써서 만든 광합성 산물을 식물은 왜 근권으로 배출할까?
식물은 근권미생물을 고용함으로써 스스로 움직이지 못하는 단점을 극복
균근균은 식물 뿌리세포와 공생관계를 맺고 있는 곰팡이의 일종으로 식물로부터 유기영양분을 공급받고, 무기영양소와 수분 흡수를 도와줌
토양에 있는 수많은 미생물 중에서 식물은 어떻게 공생균을 감지할까?
대표적인 공생균인 라이조비움과 균근의 경우 신호전달 물질인 Nod와 Myc 단백질을 분비하는데 식물은 이들 물질을 인지하여 공생균이 식물체 내에 자리 잡도록 도와줌
외부로 분비하는 다당류(세포외다당류)의 경우는 토양의 수분 유지, 식물 내 단백질과 당 함량, 항산화 효소의 활성을 증가
식물·미생물이 자체적으로 병원균을 인식하게 되면, 식물호르몬 시스템을 조절하여 병해충 저항성을 유도할 수 있음(유도저항성)
식물생육증진미생물이란?
식물 주변에 서식하면서 식물 생장에 유익한 영향을 주는 미생물
미생물이 분비하는 리포펩타이드(lipopeptide, suffactin, fengicin, iturin 등)는 낮은 농도에서 강력한 면역유도
식물은 아프면 미생물에 SOS를 보낸다!
식물은 해충 공격을 받으면 잎에서 뿌리까지 신호를 전달해 해충을 죽이는 흙속 미생물 끌어 들임(식물은 똑똑하다, 폴커 아르츠트 들녘刊)
밀 마름병 병원균 발생을 저해하는 특이한 토양이 밀 연작지에서 실제로 발견
농진청에서 개발한 미생물 제초제 다이클로버는 콩과식물에 병을 일으키는 곰팡이균으로 잔디밭과 농경지에서 클로버만 선택적으로 제거
현재 사용되고 있는 제초제는 주로 땅 위로 자란 잡초의 생육을 직접적으로 억제하거나 생육이 어렵게 만들어 고사(枯死)시키는 화학물질
푸사리움(Fusarium oxysporum) 같은 미생물은 종자활성을 저해
뿌리로부터 3mm 이내에 있는 토양에서 오염물질 분해효율이 가장 높았음
유해물질 분해제의 대부분이 토양 미생물로부터 분리하여 얻은 천연물
의학, 식품, 당류, 세제, 섬유, 펄프, 동물용, 화학 및 화장품 이외에 에너지 등에도 광범위하게 사용
대부분이 퇴비 등 발효미생물이나 미생물배양에 의한 작물의 보호, 생물 비료, 토양 오염감소 등의 효과를 거두는 기술
바스프(BASF), 바이엘(Bayer CropScience), 몬산토(Monsanto) 등 기업들도 토양 미생물 연구에 약 2조 원 이상의 연구비를 투자