Blackleg in Swedish winter oilseed rape, causal pathogens, and race identification of Plenodomus lingam

기술 요약: 스웨덴 동절기 유채의 블랙레그(Blackleg)

문제 제기
블랙레그(Phoma stem canker)는 전 세계적으로 동절기 유채(Brassica napus var. oleifera)에 대한 주요한 경제적 위협으로 남아 있으며, 주로 균류 병원균인 Plenodomus lingam(동의어 Leptosphaeria maculans)과 P. biglobosus(동의어 Leptosphaeria biglobosa)에 의해 발생한다. 두 종 모두 유채 작물에서 공존하지만, 상대적인 우점도는 지리적 및 계절적 요인에 따라 달라지며, 이는 질병 관리 전략에 영향을 미친다. 스웨덴의 기존 연구에서는 두 종의 존재를 확인하였으나, 광범위한 저항성 유전자(특히 Rlm7) 배치 상황에서 포자(ascospore) 방출의 상세한 시간적 역학 및 P. lingam의 구체적인 레이스(race) 구성은 충분히 규명되지 않았다. 본 연구는 병원균의 발생, 분자적 검출과 육안적 증상 간의 상관관계, 그리고 P. lingam 지역 집단의 병원성 프로파일에 대한 최신 데이터를 제공하여 장기적인 저항성 관리를 지원하고자 한다.

연구 방법
본 연구는 현장 샘로잉, 정량적 분자 진단, 통제된 병원성 검정을 결합한 다각적인 접근 방식을 채택하였다:

• 현장 샘플링: 20222023년 가을과 이듬해 20232024년 여름 동안 스웨덴의 세 개 카운티(Skåne, Östergötland, Västra Götaland) 내 상업용 농지에서 복합 잎 및 줄기 샘플을 수집하였다. 또한, Skåne의 현장 시험에서는 네 가지 동절기 유채 품종(Rlm7을 보유한 두 품종과 알려진 저항성 유전자가 없는 두 품종)을 성장기 내내 모니터링하였다.
• 분자량 정량화: 병원균 DNA는 Droplet Digital PCR(ddPCR) 및 Digital PCR(dPCR) 분석법을 사용하여 정량화되었다. P. lingam과 P. biglobosus를 표적으로 하는 특정 프라이머와 프로브를 사용하여 식물 재료 1g당 유전자 복사 수를 결정하였다. 이를 통해 혼합 감염 상태에서 두 종을 구분하고 정량화할 수 있었다.
• 육안 평가: 질병 증상은 표준화된 육안 점수 산정 방식을 통해 평가되었다. 잎 반점은 "P. lingam" 또는 "기타"(잠재적으로 P. biglobosus 및 기타 병원균)로 분류되었다. 줄기 감염 심도는 내부 변색(기부로부터 0–15 cm)과 외부 병반(0–10 cm 및 15–25 cm)을 기준으로 점수를 매겼다.
• 병원성 프로파일링: 58개의 P. lingam 분리 균주를 잎 반점에서 확보하였다. 이들의 병원성은 Rlm3, Rlm7, LepR1, LepR2 저항성 유전자를 보유한 차별 품종 세트와 감수성 품종인 'Westar'를 대상으로 평가되었다. 접종은 자엽(cotyledon)에 수행되었으며, 감염 표현형은 접종 후 14일 및 21일에 점수를 기록하였다.
• 통계 분석: 데이터는 R을 사용하여 분석되었으며, 병원균의 풍부도, 지리, 계절 및 증상 심도 간의 관계를 평가하기 위해 ANOVA, Tukey의 사후 검정, Spearman 상관계수 및 선형 회귀 분석을 활용하였다.

주요 결과

• 지리적 및 계절적 분포:

  • 계절성: 명확한 계절적 변화가 관찰되었다. 가을철 잎 감염에서는 P. lingam이 주요 병원균이었다(특히 Skåne 지역). 반면, 여름철에는 모든 지역에서 P. biglobosus가 줄기 감염의 우점 병원균이 되었다.
  • 지리: P. lingam의 유전자 복사 수는 다른 지역에 비해 Skåne의 잎과 줄기에서 유의하게 높았다. 대조적으로, P. biglobosus는 Västra Götaland과 Östergötland의 잎에서 더 풍부하게 나타났다.
  • 조직 특이성: P. biglobosus는 잎보다 줄기 샘플에서 일관되게 더 높은 밀도로 발견되었으며, P. lingam은 가을철 잎에서 더 높은 군락 형성을 보였다.

• 품종 반응:

  • 테스트된 네 가지 품종(Rlm7 보유 품종 포함) 사이에서 병원균 DNA 양이나 육안적 질병 증상의 일관된 차이는 발견되지 않았다.
  • 육안 질병 점수는 줄기 조직 내 병원균 유전자 복사 수와 강한 상관관계를 보이지 않았으나, 잎에서의 P. lingam 유전자 복사 수와 "P. lingam" 잎 반점 수 사이에는 중간 정도의 양의 상관관계가 관찰되었다.

• 병원성 및 레이스 구조:

  • 56개의 생존 가능한 모든 P. lingam 분리 균주는 감수성 품종인 'Westar'에 대해 병원성을 나타냈다.
  • 저항성 유전자: 어떤 분리 균주도 LepR1 또는 LepR2에 대한 병원성을 보이지 않았다.
  • Rlm7 붕괴: Rlm7에 대한 높은 빈도의 병원성이 검출되었다. 56개 중 42개의 분리 균주가 Rlm7 차별 품종에 대해 병원성을 보였다. 특히, 이러한 병원성 경로(pathotype) 중 26%만이 Rlm7 보유 품종에서 유래되었다는 점은, 병원성 경로가 선택된 저항성 작종 내에서만 존재하는 것이 아니라 일반 인구 집단 내에 널리 퍼져 있음을 시사한다.
  • Rlm3 병원성: 31개 분리 균주는 Rml3에 대해 병원성을 보였고, 16개는 Rlm3와 Rlm7 모두에 대해 병원성을 보여, 다중 병원성 경로의 출현을 나타냈다.

의의 및 주장
본 논문은 스웨덴 동절기 유채의 블랙레그 병원균 집단에 대한 업데이트된 지역별 평가를 제공한다고 주장한다. 주요 기여는 다음과 같다:

1. 병원균 역학의 변화: 본 연구는 지난 20년간의 이전 스웨덴 연구와 비교하여 종 구성의 변화를 기록하였으며, 여름철 줄기 감염의 주된 원인은 이제 P. biglobosus이고, 가을철 잎 감염은 P. lingam이 주도하고 있음을 강조한다.
2. 병원성 모니터링: Rlm7 병원성 분리 균주의 높은 빈도(다중 병원성 균주인 Rlm3 + Rlm7 포함)의 검출은 지속적인 병원균 적응을 알린다. 이는 스웨덴 품종에서 Rlm7에만 의존하는 것의 장기적 내구성에 의문을 제기한다.
3. 진단적 유용성: 본 연구는 병원균 부하를 정량화하기 위한 디지털 PCR의 사용을 검증하였으며, 육안 잎 반점 점수가 P. lingam의 분자적 검출과 합리적으로 잘 상관됨을 확인하여 조기 모니터링을 위한 사용을 뒷받침한다.
4. 관리적 시사점: 연구 결과는 스웨덴의 저항성 관리가 단일 유전자 의존을 넘어 이동해야 함을 시사한다. 저자들은 저항성 붕괴를 완화하기 위해 주요 유전자 저항성과 양적 저항성을 결합하고 저항성 근원을 순환시키는 통합 전략의 필요성을 주장한다.

본 연구는 결론적으로, P. biglobosus의 줄기 내 우점이 질병 압력을 증가시킬 수 있으나, Rlm7 기반 저항성에 대한 즉각적인 위협은 P. lingam의 광범위한 적응에서 온다고 밝힌다. 저자들은 지속 가능한 유채 생산을 보장하기 위해 향후 관리가 이러한 지리적, 계절적 변이를 반드시 고려해야 함을 강조한다.