Metabolomic Profile and Feeding Preference of Diatraea Saccharalis in Sugarcane Co-inoculated With a Diazotrophic Consortium
질소 고정 세균 컨소시엄(Gluconacetobacter diazotrophicus 및 Azospirillum sp.)을 사탕수수에 공동 접종하는 것은 스트레스 관련 수용성 대사산물의 수준을 높임으로써 식물의 대사 프로파일을 변화시키며, 이는 비접종 식물과 비교하여 해충인 Diatraea saccharalis의 섭식 선호도와 체중 증가를 감소시킨다.
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브라질의 광활한 들판에서 사탕수수는 단순한 작물 그 이상입니다. 이는 전 세계 100여 개국에서 재배되는 국가 경제의 초석입니다. 그러나 많은 식물과 마찬가지로, 사탕수수 역시 자연으로부터 끊임없는 위협에 직면해 있는데, 특히 줄기 속으로 파고들어 막대한 경제적 손실을 입히는 나방인 사탕수수 천공충이 그러합니다. 수십 년 동안 농부들은 이러한 해충을 관리하기 위해 화학 살충제에 의존해 왔지만, 점점 더 많은 과학적 연구는 식물이 스스로의 내부 방어 체계를 갖추고 있으며, 식물 내부에 서식하는 미생물을 통해 이 체계가 강화될 수 있음을 시사하고 있습니다. 이 연구 분야는 식물의 뿌리와 줄기에 군락을 형성할 수 있는 유익한 박테리아, 즉 식물 생장 촉진 근권 세균(PGPR)이 어떻게 작용하는지를 탐구합니다. 이 작은 유기체들은 단순히 식물이 영양분을 흡수하도록 돕는 데 그치지 않고, 식물의 내부 화학 구조를 재프로그래밍하여 식물이 질병과 배고픈 곤충에 대해 더 강한 저항력을 갖도록 일종의 훈련을 시킬 수 있습니다. 연구자들이 오랫동안 던져온 질문은, 이 미세한 동맹들이 식물의 성장에 해를 끼치지 않으면서도 해충에게 덜 매력적이도록 식물의 맛이나 향을 변화시킬 수 있는지 여부입니다.
브라질의 한 과학자 팀은 특정 두 종류의 유익한 박테리아인 Gluconacetobacter diazotrophicus와 Azospirillum sp.의 파트너십이 사탕수수에 처치되었을 때 어떤 일이 일어나는지를 조사함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 이 박테리아들은 사탕수수의 천연 거주자이며, 공기 중의 질소를 포집하여 식물이 사용할 수 있는 형태로 전환하는 능력으로 잘 알려져 있습니다. 연구진은 이 박테리아들을 함께 도입했을 때 사탕수수의 화학적 구성이 변하는지, 그리고 결정적으로 그 변화가 사탕수수 천공충을 퇴치할 수 있는지를 확인하고자 했습니다. 이를 위해 그들은 통제된 환경에서 사탕수수를 재배하였으며, 일부에는 박테리아 혼합물을 처리하고 나머지는 대조군으로 남겨두었습니다. 그 후 그들은 섭식 테스트를 통해 애벌레가 무엇을 선호하는지 확인하고, 잎 내부의 화학적 성분을 분석하여 정확히 무엇이 변했는지 이해하는 일련의 테스트를 수행했습니다.
결과는 식물의 내부 세계에서 일어난 매혹적인 변화를 드러냈습니다. 과학자들이 분자 지문 역할을 하는 기술을 사용하여 잎 내부의 수용성 화합물을 분석했을 때, 처리된 식물은 처리되지 않은 식물과 화학적으로 구별된다는 것을 발견했습니다. 박테리아가 대사 재편성을 유발한 것입니다. 처리된 식물에서는 프롤린(proline) 및 특정 유기산과 같은 특정 스트레스 관련 화학 물질의 수치가 현저히 감소했습니다. 동시에 식물은 자당(sucrose), 알라닌(alanine)이라는 아미노산, 그리고 강력한 항산화 화합물인 갈릭산(gallic acid)의 수치를 높였습니다. 이는 박테리아가 식물이 에너지를 더 효율적으로 관리하도록 도와, 스트레스 화합물의 필요성을 줄이는 동시에 방어막 역할을 할 수 있는 물질의 생산을 촉진했음을 시사합니다. 특히 갈릭산의 존재는 주목할 만한데, 이 화합물은 식물이 생물학적 스트레스에 맞서 싸우는 데 도움을 주며 공격자에 대한 천연 장벽 역할을 하기 때문입니다.
이러한 화학적 변화가 해충에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 연구진은 섭식 실험을 진행했습니다. 한 테스트에서 연구진은 애벌레에게 처리된 사탕수수와 처리되지 않은 사탕수수 중 하나를 선택하게 했습니다. 곤충들은 명확한 선호도를 보였으며, 박테리아로 처리된 식물보다 처리되지 않은 식물을 훨씬 더 자주 선택했습니다. 이는 박테리아가 식물의 화학적 신호를 변화시켜, 처리된 사탕수수를 배고픈 애벌레들에게 덜 매력적으로 만들었음을 나타냅니다. 그러나 이야기는 선호도만으로 끝나지 않았습니다. 애벌레가 강제로 한 종류의 식물만 먹어야 하는 두 번째 테스트에서, 그들의 성장률은 식물의 처리 여부와 관계없이 동일했습니다. 이 발견은 매우 중요한데, 박테리아가 식물을 독성이 있거나 영양가가 낮게 만들지 않았음을 증명하기 때문입니다. 애벌레들은 다른 선택지가 없다면 처리된 식물을 먹고 똑같이 잘 자랄 수 있었지만, 선택권이 주어졌을 때는 단지 그 식물을 먹고 싶어 하지 않았던 것입니다.
이러한 선호도와 수행 능력 사이의 구분은 정교한 형태의 식물 방어를 강조합니다. 박테리아는 곤충을 독살한 것이 아니라, 식물의 대사 자원을 변화시킴으로써 해충을 물리치는 방식으로 식물의 프로필을 바꾼 것입니다. 갈릭산의 증가와 스트레스 표지의 감소는 식물이 고군분투하며 힘들어하는 상태가 아니라, 최적화된 준비 상태에 있음을 보여줍니다. 이 연구는 단일 품종의 사탕수수를 대상으로 통제된 환경에서 수행되었지만, 그 결과는 지속 가능한 농업에 대한 유망한 전망을 제공합니다. 이러한 자연적인 박테리아 파트너십을 활용함으로써, 농부들은 외부 살포제 대신 식물 자체의 강화된 화학 작을 통해 작물을 보호함으로써 화학 살충제에 대한 의존도를 줄일 수 있을 것입니다. 이 연구는 식물 내부의 미세한 세계가 해충과 수확이라는 거시적인 세계에 심오하고 실질적인 영향을 미칠 수 있음을 확인시켜 줍니다.
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