Rhizobacterial volatile organic compounds from perennial wheat and their potential to suppress phytopathogenic fungi
이 연구는 다년생 밀에서 분리된 근권 세균 균주가 휘발성 유기 화합물의 방출을 통해 식물 병원성 곰팡이, 특히 *Aspergillus flavus*를 억제할 수 있음을 입증하며, 디메틸 디설파이드와 디메틸 트리설파이드가 주요 억제제로 확인되었다.
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수 세기 동안 농부들은 들판에서 곡물을 부패시키고 저장 중에도 이를 망치는 곰팡이 질병과 소리 없는 전쟁을 치러왔습니다. 푸사리움(fusarium)이나 아스페르길루스(aspergillus) 감염을 일으키는 곰팡이와 같은 이 미세한 침입자들은 수확량을 황폐화하고 식량 안보를 위협할 수 있습니다. 전 지구적 기후가 변화함에 따라 이러한 위협은 더욱 예측 불가능해질 것으로 예상되며, 이는 과학자들이 전통적인 화학 살포제를 넘어선 해결책을 찾도록 강요하고 있습니다. 한 가지 유망한 길은 토양 그 자체, 구체적으로는 식물 뿌리와 그곳에 서식하는 박테리아 사이에서 일어나는 보이지 않는 화학적 대화 속에 있습니다. 식물 생장 촉진 근권세균(plant growth-promoting rhizobacteria)으로 알려진 특정 유익한 박테리아들은 식물이 영양분을 흡수하도록 돕는 것 이상의 역할을 수행합니다. 이들은 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds)이라 불리는 보이지 않는 가스 구름을 방출합니다. 이 가스들은 공기를 통해 이동하며 독성 화학 물질 없이도 해로운 곰팡이의 성장을 억제하는 천연 무기로 작용할 수 있습니다.
이탈리아 파르마 대학교의 연구진은 독특한 종류의 작물인 다년생 밀을 사용하여 이 자연적 방어 체계를 조사하기로 했습니다. 우리가 흔히 먹는 밀은 일 년에 한 번 수확하여 다시 심는 것과 달리, 다년생 밀은 수년 동안 생존하며 깊고 복잡한 뿌리 체계를 발달시켜 풍부한 토양 박테리아 군집을 육성합니다. 연구팀은 이전에 역동적이고 활발한 지하 생태계를 보여주었던 OK72라는 특정 밀 계통에 집중했습니다. 연구진은 이 밀의 뿌리에서 열 가지 서로 다른 박테리아 균주를 분리하였고, 이들이 방출하는 가스가 세 가지 위험한 곰팡이 종인 Aspergillus flavus, Fusarium proliferum, Fusarium verticillioides의 성장을 멈출 수 있는지 확인하고자 했습니다. 가스의 효과만을 측정하고 직접적인 접촉이나 액체 화학 물질의 영향을 배제하기 위해, 과학자들은 박테리아와 곰팡이를 별도의 접시에 담은 후 공기만이 두 사이를 통과할 수 있도록 밀봉하여 배치했습니다.
결과에 따르면 박테리아의 가스는 실제로 효과적이었으나, 그 위력은 특정 박테리아와 특정 곰팡이에 따라 달랐습니다. 밀폐된 환경에서 박테리아의 배출물은 곰팡이의 성장을 0%에서 거의 47%까지 늦추었습니다. 어떤 박테리아 균주는 한 종류의 곰팡이를 정밀하게 타격하는 전문가처럼 행동했고, 어떤 균주는 세 종류 모두에 대해 광범위한 보호를 제공하는 일반인처럼 행동했습니다. 이러한 차이는 자연이 이미 각기 다른 방어 전략을 가진 다양한 생물학적 도구 상자를 제공하고 있음을 시사합니다. 연구진은 다음으로 정확히 어떤 가스가 이러한 억제 효과를 일으키는지 식별하는 데 주의를 기울였습니다. 공기 중의 화학적 신호를 찾아내기 위해 민감한 장비를 사용한 결과, 다양한 실험 과정에서 46가지의 서로 다른 휘발성 화합물을 검출했습니다.
분석 결과, 특정 화학 물질과 방어의 성공 사이의 명확한 패턴이 드러났습니다. 생성된 가스의 총량이 곰팡이를 얼마나 잘 억제할지를 완벽하게 예측하지는 못했지만, 특정 황 함유 화합물의 존재는 그러했습니다. 구체적으로, 디메틸 디설파이드(dimethyl disulfide)와 디메틸 트리설파이드(dimethyl trisulfide)라는 두 가지 가스는 박테리아가 Aspergillus flavus의 성장을 성공적으로 억제할 때 공기 중에 일관되게 나타났습니다. 이 황 화합물들은 박테리아가 곰팡이를 억제하는 데 실패했을 때는 관찰되지 않았습니다. 이러한 발견은 이 황 가스들이 곰팡이의 세포벽을 손상시키거나 내부 균형을 무너뜨려 효과적으로 성장을 멈추게 하는 특정 화학적 메커니즘을 가리킨다는 점을 시사합니다. 흥미롭게도, 연구는 디아세틸(acetoin)이라는 또 다른 화합물이 박테리아가 곰팡지를 막는 데 실패했을 때 나타나는 경향이 있음을 발견했는데, 이는 박테리아가 승리하기보다는 패배하고 있는 투쟁의 징후일 수 있음을 암시합니다.
본 연구는 모든 상황에 적용되는 단 하나의 '마법의 탄환' 같은 가스를 찾아내지는 못했습니다. 대신, 증거들은 박테리아가 복잡한 화학 물질의 혼합물을 방출하며, 이 혼합물의 효과는 관련된 박테리아와 곰팡이의 특정 조합에 달려 있다는 것을 보여줍니다. 황 화합물이 주요 병원균에 대해 핵심적인 역할을 하는 것으로 두드러졌지만, 혼합물에서 검출된 다른 가스들, 예를 들어 특정 알코올과 케톤 등도 다른 연구들을 통해 항균 특성이 있는 것으로 알려져 있습니다. 연구진은 관찰된 보호 작용이 하나의 지배적인 화학 물질보다는 여러 종류의 가스가 함께 작용하는 결합된 작용에서 비롯될 가능성이 높다고 결론지었습니다. 이 연구는 다년생 밀의 뿌리 박테리아가 천연 생물 제어제의 원천으로서, 토양의 화학적 언어를 활용하여 곰팡이 질병으로부터 작물을 보호하는 지속 가능한 방법을 제시할 수 있음을 강조합니다.
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