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Synergism between phosphate fertilization and phosphate-solubilizing microorganisms enhances phosphorus use efficiency in a soybean–maize succession

본 연구는 열대 세라도(Cerrado) 옥솔(Oxisols) 토양 내 대두-옥수수 연작 체계에 인산 가용화 미생물(*Bacillus subtilis* 및 *Priestia megaterium*)을 접종하는 것이 제일인산암모늄 시비와 결합될 때, 토양 내 인 가용성, 식물 영양 및 작물 수확량을 시너지 효과적으로 증진시켜 결과적으로 전반적인 인 이용 효율을 향상시킨다는 것을 입증한다.

원저자: Thays Mendonça Oliveira, Veridiana Cardozo Gonçalves Cantão, Jessyca Adriana Gomes Florêncio Silva, Ricardo Castro Dias, Juliana Silva Rodrigues Cabral, Wanessa Thais Ferreira Duarte, Sudip Sarkar, An

게시일 2026-07-09

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CC BY 4.0

원저자: Thays Mendonça Oliveira, Veridiana Cardozo Gonçalves Cantão, Jessyca Adriana Gomes Florêncio Silva, Ricardo Castro Dias, Juliana Silva Rodrigues Cabral, Wanessa Thais Ferreira Duarte, Sudip Sarkar, Antônio Jussiê Silva Solino

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

큰 그림: 잠긴 보물 상자를 여는 열쇠

농부의 토양을 식물이 크고 튼튼하게 자라는 데 필수적인 금(인)이 가득 찬 거대한 보물 상자라고 상상해 보세요. 하지만 열대 토양(브라질의 세라두와 같은 곳)에서는 이 금이 매우 단단하고 녹슨 상자 안에 갇혀 있습니다. 식물은 스스로 그곳에 도달할 수 없습니다.

전통적으로 농부들은 엄청난 양의 화학 비료(그 "열쇠")를 투입하여 상자를 부수려고 노력합니다. 하지만 이는 비용이 많이 들 뿐만 아니라, 토양이 새로운 금을 다시 가둬버려 돈을 낭비하고 환경을 오염시키는 경우가 많습니다.

이 연구는 아주 간단한 질문을 던졌습니다: 만약 우리가 화학적 열쇠를 적게 쓰는 대신, 상자를 여는 것을 도와줄 작고 전문화된 열쇠 수리공들(미생물)을 고용한다면 어떨까?

실험: "열쇠 수리공"과 "열씨"

연구진은 두 가지 인기 있는 작물인 콩(두과 식물)과 옥수수(곡류)를 대상으로 현장 실험을 설계했습니다. 그들은 다음의 다양한 조합을 테스트했습니다:

화학적 열쇠: 다양한 양의 인산 비료(단일인산암모늄).
작은 열쇠 수리공: 갇혀 있는 인을 녹이는 능력이 있는 것으로 알려진 두 종류의 특정 박테리아(Bacillus subtilis와 Priestia megaterium).
대조군: 비료도 박테리아도 넣지 않은 그룹("아무것도 하지 않는" 그룹).

그들은 박테리아가 식물이 더 많은 영양분을 얻고, 더 잘 자라며, 더 많은 식량을 생산하도록 도울 수 있는지, 특히 비료를 적게 사용할 때 그러한지를 확인하고자 했습니다.

콩에는 어떤 일이 일어났나? ("꾸준한 에디")

콩 작물을 매우 효율적이고 신중한 운전자라고 생각해 보세요.

결과: "작은 열쇠 수리공"들이 있을 때, 콩은 추가적인 화학 비료를 넣지 않고도 아주 잘 자랐습니다. 실제로 박테리아는 식물이 이미 토양 속에 놓여 있는 천연 금을 더 많이 움켜쥐도록 도왔습니다.
수확량: 박테리아를 사용하든, 비료를 사용하든, 혹은 둘 다 사용하든 콩의 수확량은 크게 변하지 않았습니다. 왜일까요? 토양에 이미 식물을 먹여 살릴 충분한 금이 있었기 때문입니다. 식물은 더 많은 것을 필요로 할 만큼 "배고픈" 상태가 아니었습니다.
시사점: 박테리아는 도움이 되는 조수처럼 작용하여, 식물이 과도한 화학적 자극 없이도 토양에서 정확히 필요한 것을 얻을 수 있도록 했습니다.

옥수수에는 어떤 일이 일어났나? ("성장기")

이제 옥수수 작물을 성장기를 겪고 있는 십 대 청소년이라고 상상해 보세요. 이들은 키가 커지고 무거운 옥수수 이삭을 맺기 위해 많은 에너지와 영양분이 필요합니다.

결과: 옥수수는 "작은 열쇠 수리공"과 화학 비료의 조합을 매우 좋아했습니다. 연구진이 비료를 더 많이 추가함에 따라 옥수수의 수확량은 직선적이고 예측 가능한 형태로 증가했습니다.
시너지 효과: 박테리아는 단순히 조금 도와주는 것에 그치지 않고, 비료가 훨씬 더 잘 작동하도록 만들었습니다. 이것은 마치 십 대에게 고품질의 식사(비료)를 제공하면서 동시에 영양분을 흡수하도록 돕는 개인 트레이너(박테리아)를 붙여주는 것과 같습니다. 그 결과, 훨씬 더 많은 옥수수를 얻었습니다.

토양의 건강은 어떠했나?

연구진은 "엔진"이 어떻게 돌아가고 있는지 확인하기 위해 토양 내부를 살펴보았습니다.

좋은 소식: 박테리아는 토양을 더 활발하게 만들었습니다. 구체적으로, 이들은 **β-글루코시다아제(β-glucosidase)**라고 불리는 효소의 활성을 높였습니다. 이 효소를 토양의 "소화 기관"이라고 생각하면 됩니다. 이 효소가 활성화되어 있다는 것은 토양 미생물들이 유기물을 즐겁게 먹고 재활용하며 토양을 건강하고 살아있게 유지하고 있다는 뜻입니다.
중립적인 소식: 다른 몇몇 토양 효소들(특정 미네랄을 분해하는 "전문화된 도구")은 큰 변화가 없었습니다. 이것은 사실 정상적인 현상입니다. 먹이(인)가 풍부하면 토양 미생물들은 그것을 찾기 위해 굳이 열심히 노력할 필요가 없으므로, 해당 특정 도구들을 생산하는 것을 멈추기 때문입니다.

결론

이 연구는 이러한 특정 "작은 열쇠 수리공"(박테리아)을 비료와 함께 사용하는 것이 승리하는 전략임을 보여주지만, 이는 작물마다 다르게 작용합니다:

콩의 경우, 박테리아는 식물이 천연 토양 영양분에 효율적으로 접근하도록 도와, 추가적인 화학 물질 없이도 식물을 건강하게 유지했습니다.
옥수수의 경우, 박테리아는 힘을 증폭시키는 역할을 하여, 식물이 비료를 훨씬 더 큰 수확으로 바꿀 수 있도록 도왔습니다.

요약하자면: 자연의 작은 일꾼들과 전통적인 비료를 팀으로 묶음으로써, 농부들은 특히 척박한 열대 토양에서 더 나은 결과를 얻고 자원을 더 현명하게 사용할 수 있습니다.

기술 요약: 대두-옥수수 연작 체계에서 인산 비료와 인산 가용화 미생물 간의 시너지 효과

문제 제기
인(P)은 작물 성장에 필수적인 다량 원소이지만, 특히 세하두(Cerrado) 생물군계의 고도로 풍화된 옥시솔(Oxisols)과 같은 열대 토양에서는 철 및 알루미늄 산화물에 의한 강한 고정 현상으로 인해 이용 효율이 매우 낮다. 이러한 제한 요소는 높은 비율의 인산 비료 시용을 필요로 하며, 이는 생산 비용을 증가시키고 부영양화와 같은 환경적 위험을 초래한다. 인산 가용화 미생물(PSMs)은 불용성 인을 가동화하는 생물학적 기제를 제공하지만, 통합 대두-옥수수 연작 시스템에서 이들의 미네랄 비료와의 시너지 효과에 관한 현장 데이터는 부족한 실정이다. 본 연구는 PSM 접종과 단일인암모늄인산(MAP) 시용량 변화가 열대 조건에서의 토양 인 가용성, 생화학적 활성, 식물 생리 및 수확량에 미치는 결합 효과에 관한 지식 격차를 다룬다.

연구 방법
본 연구는 2023/2024 재배 시즌 동안 브라질 고이아스주 몬티비디우(Montividiu)의 초기 가용 인 수준이 25 mg dm⁻³인 세하두 옥시솔 토양에서 필드 실험으로 수행되었다. 연구에는 4반복의 난괴법(RCBD)이 사용되었다. 처리는 MAP 형태로 적용된 다섯 가지 P₂O₅ 시용량(0, 19.5, 39.0, 58.5, 78.0 kg ha⁻¹)이었으며, 두 가지 특정 PSM 균주인 Bacillus subtilis(CNPMS B2084)와 Priestia megaterium(CNPMS B119)의 접종 여부를 조합하였다. 무처리 대조구(P 및 PSM 모두 미적용)도 포함되었다.

실험은 대두-옥수수 연작을 평가하였다. 대두(Glycine max, 품종 Soy Combate IPRO)는 2023년 10월에 파종되었고, 이어 2024년 3월에 옥수수(Zea mays, 하이브리드 MG597)를 파종하였다. 주요 측정 항목은 다음과 같다:

농업적 특성: 꼬투리 수, 꼬투리당 콩알 수, 곡물 수확량 및 천립중.
영양 상태: 잎 및 곡물의 인 농도.
생리학적 파라미터: 광계 II(PSII) 성능을 평가하기 위한 엽록소 a 형광 과도 현상(O–J–I–P 프로토콜)을 포함하여, 반응 중심 폐쇄율, 양자 수율 및 전자 전달 확률.
토양 생화학적 속성: 가용 토양 인(Mehlich-1), 효소 활성( $\beta$ -glucosidase, arylsulfatase, 산성 및 알칼리성 phosphatases), 그리고 쉽게 추출 가능한 글로말린 관련 토양 단백질(EE-GRSP).

데이터는 ANOVA 및 다항 회귀 모델을 사용하여 분석되었으며, 최소유의차(LSD) 검정을 통해 절대 대조구와 비교되었다.

주요 결과
연구 결과 두 작물 간의 뚜렷한 반응과 구체적인 생화학적 변화가 나타났다:

대두 반응: PSM 접종은 무기 인을 추가하지 않았음에도 불구하고 대조구에 비해 토양 인 가용성과 잎의 인 농도를 증가시켰다. 그러나 곡물 수확량은 처리에 의해 유의미하게 영향을 받지 않았으며, P + PSM 처리구의 평균 수확량은 4,199 kg ha⁻¹였다. 꼬투리 수는 P₂O₅를 19.5 kg ha⁻¹ 이상 투입한 처리구에서 절대 대조구보다 오히려 낮았다. 잎의 인 농도는 P 시용량이 증가함에 따라 이차 함수적으로 감소한 반면, 곡물의 인 농도는 선형적으로 증가했다. PSII 광화학적 파라미터는 모든 처리구에서 안정적으로 유지되었다.
옥수수 반응: 옥수수는 결합 처리구에 대해 더 강한 반응을 보였다. 곡물 수확량은 PSM 접종 하에서 P₂O₅ 시용량에 따라 선형적으로 증가하였으며, 26 kg ha⁻¹ 이상의 시용량에서 대조구(3.2 Mg ha⁻¹)보다 높은 3.5 Mg ha⁻¹ 이상의 수확량을 기록했다. 잎의 인 농도는 41.5 kg ha⁻¹의 P₂O₅에서 정점을 찍는 이차 함수적 반응을 보였다.
토양 생화학: $\beta$ -glucosidase 활성은 두 작물 모두에서 P₂O₅ + PSM 적용에 따라 선형적으로 증가하였는데, 이는 미생물 탄소 순환이 강화되었음을 나타낸다. 반면, arylsulfatase 활성은 안정적이었다. 산성 및 알칼리성 phosphatase 활성은 일반적으로 P + PSM 존재 하에서 영향을 받지 않거나 감소하였는데, 이는 무기 인이 가용할 때 효소 합성이 하향 조절됨을 시사한다. 글로말린 함량은 모든 처리구에서 안정적이었다.

주요 기여 및 의의
본 논문은 Bacillus subtilis와 Priestia megaterium의 시너지적 적용이 인산 비료와 함께 사용될 때 열대 대두-옥수수 시스템에서 인 이용 효율을 높인다는 것을 입증하였으나, 그 효과의 크기는 작물에 따라 다르다.

작물별 역학: 본 연구는 C₄ 작물(옥수수)이 높은 광합성 능력과 영양 요구량으로 인해 결합 처리에 대한 선형적 수확량 반응을 보이는 반면, C₃ 작물(대두)은 수확량 저하 없이 개선된 영양 흡수 효율을 보이면서도 안정적인 수확량을 유지한다는 점을 강조한다.
작용 기전: 결과는 PSM 접종이 무기 비료 없이도 잎의 인 농도를 높인 것을 통해, 토착 또는 고정된 토양 인을 효과적으로 가동화함을 확인시켜 준다. $\beta$ -glucosidase 활성의 선형적 증가는 결합 처리가 더 넓은 미생물 대사와 유기물 회전을 자극함을 시사한다.
생리학적 안정성: 모든 처리구에서 PSII 광화학적 파라미터의 안정성은 적용된 P 시용량과 PSM 접종이 광합성 스트레스를 유발하지 않고 식물의 생리적 건강을 유지했음을 나타낸다.
지속 가능한 관리: 저자들은 PSM 접종이 인 이용 효율을 높이는 효과적인 전략이라고 결론짓는다. 연구 결과는 이러한 미생물이 무기 비료를 보완할 수 있으며, 잠재적으로 농업적 성과를 저해하지 않으면서도 열대 작물 시스템에서 높은 P 시용량에 대한 의존도를 줄일 수 있게 하여 보다 지속 가능한 영양 관리에 기여할 수 있음을 시사한다.

본 논문은 이러한 발견을 현장 조건에서의 생물적-비생물적 상호작용 이해를 위한 진전으로 겸허하게 규정하며, 대규모 도입을 위해서는 장기적인 평가와 비용-편익 분석이 필요하다고 언급하였다.

큰 그림: 잠긴 보물 상자를 여는 열쇠

실험: "열쇠 수리공"과 "열씨"

콩에는 어떤 일이 일어났나? ("꾸준한 에디")

옥수수에는 어떤 일이 일어났나? ("성장기")

토양의 건강은 어떠했나?

결론

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