Upregulation of chitinase and β-1,3-glucanase enzymes and modulation of biochemical defense response by fungal endophytes against Rhizoctonia solani in cotton

면화는 단순한 직물 그 이상입니다. 이는 전 세계적인 농업 엔진이며, 인도 한 곳에서만 세계 면화 경작지의 거의 절반을 재배하고 있습니다. 그러나 이 중요한 작물은 보이지 않는 지하의 적에 직면해 있습니다. Rhizoctonia solani라고 불리는 미세한 곰팡이가 토양 속에 살며 어린 면화 묘목을 공격하기 위해 기다리고 있습니다. 이 곰팡이는 '모잘록병(damping-off)'이라고 알려진 질환을 유발하는데, 이는 묘목의 줄기 밑동이 썩어 식물이 뿌리를 내리기도 전에 쓰러져 죽게 만드는 현상입니다. 수십 년 동안 농부들은 화학 살균제를 사용하여 이 적과 싸워왔지만, 이러한 화학 물질은 토양과 그 안에 사는 유익한 미생물에 해를 끼칠 수 있으며, 곰-팡이 자체도 결국 이들에 대해 저항성을 갖도록 진화할 수 있습니다. 하지만 자연은 다른 종류의 해결책을 제시합니다. 건강한 식물의 조직 내부에는 엔도파이트(endophyte, 내생균)라고 불리는 미세한 곰팡이들이 숨어 있습니다. 이들은 침입자가 아니라, 질병을 일으키지 않고 식물 내부에서 살아가는 영구적이고 무해한 거주자입니다. 많은 경우, 이 내부 손님들은 해충을 쫓아내는 화합물을 생성하거나 식물 스스로가 공격에 대비할 수 있도록 면역 체계를 자극하는 수호자 역할을 합니다.

인도 나그푸르에 위치한 중앙 면화 연구소(Central Institute for Cotton Research)의 연구팀은 이 내부의 수호자들을 사용하여 치명적인 토양 곰팡이로부터 면화를 보호할 수 있을지 알아보기 위해 연구를 시작했습니다. 연구진은 이전에 건강한 면화 식물 내부에서 발견했던 세 가지 특정 유형의 곰팡이 엔도파이트에 집중했습니다. 과학자들은 병원균이 도착하기도 전에 면화 식물의 자연 방어 기제를 깨울 수 있는지 알고 싶었습니다. 이를 위해 그들은 면화 씨앗을 이 유익한 곰팡이의 포자가 포함된 액체에 담가 적셨는데, 이는 '종자 생물 프라이밍(seed biopriming)'이라 불리는 과정입니다. 이 단계는 본질적으로 씨앗에 새로운 미세한 동맹군을 입혀줌으로써 씨앗에게 유리한 출발점을 제공했습니다. 그런 다음 그들은 처리된 씨앗과 처리되지 않은 씨앗을 질병 유발 곰팡이에 감염된 토양에 함께 심었습니다. 목표는 처리된 식물이 감염에 어떻게 대처하는지 관찰하고, 식물 세포 내부에서 강해지기 위해 정확히 어떤 일이 일어나는지 이해하는 것이었습니다.

결과는 이 전략이 놀라울 정도로 잘 작동했음을 보여주었습니다. 유익한 곰팡이로 처리된 씨앗은 처리되지 않은 씨앗보다 공격에서 살아남을 확률이 훨씬 높았습니다. 실제로, 특정 엔도파이트인 Daldinia eschscholtzii로 처리된 씨앗은 감염된 토양에서도 91%의 높은 발아율을 보였는데, 이는 처리되지 않은 씨앗의 발아율인 67%와 대조적입니다. 하지만 이야기는 생존율 그 이상으로 깊어집니다. 연구진은 살아남은 식물의 조직 내부를 조사하여 어떤 생화학적 변화가 일어났는지 살펴보았습니다. 그들은 처리된 식물들이 본질적으로 '높은 경계 상태'에 있다는 것을 발견했습니다. 처리된 식물들은 방어 기제의 구성 요소이자 연료 역할을 하는 단백질과 당의 수치를 현저히 높게 축적하고 있었습니다. 또한 식물은 천연 소독제 역할을 하며 식물의 세포벽을 강화하여 침입하는 곰팡이가 뚫고 들어오기 어렵게 만드는 페놀 화합물을 훨씬 더 많이 생성했습니다.

연구는 또한 식물이 맞서 싸우는 도구인 특정 효소의 활성도를 측정했습니다. 처리된 식물은 질병 곰팡이가 식물을 손상시키기 위해 방출하는 해로운 화학 물질을 중화하는 데 도움이 되는 항산화 활성의 급증을 보였습니다. 특히 Daldinia eschscholtzii로 처리된 식물에서는 식물 자체의 면역 반응으로 발생하는 독성 부산물을 분해하는 데 도움을 주는 카탈라아제(catalase)라는 효소가 매우 활발하게 작용했습니다. 또한 식물의 세포벽을 단단하게 만드는 데 관여하는 퍼옥시다아제(peroxidase) 효소 역시 Trichoderma sulphureum이라는 다른 엔도파이트로 처리된 식물에서 매우 활발하게 나타났습니다. 아마도 가장 결정적인 증거는 유전적 증거일 것입니다. 연구진은 곰팡이의 세포벽을 해체하는 데 사용하는 강력한 무기인 키티나아제(chitinase)와 베타-1,3-글루카나아제(beta-1,3-glucanase)를 생성하는 유전자를 조사했습니다. 유익한 곰팡이로 처리된 식물에서는 이 무기를 만드는 지침이 놀라운 속도와 강도로 켜졌습니다. 파종 후 15일 이내에, Daldinia eschscholtzii로 처리된 식물에서 키티나아제 유전자의 활성은 최대 26배까지 증가했으며, 베타-1,3-글루카나아제 유전자는 9배 증가했습니다. 이는 유익한 곰팡이가 단순히 질병과 직접 싸운 것이 아니라, 면화 식물에게 스스로 싸우는 법을 가르쳤음을 시사합니다.

연구진은 이러한 방어 반응이 단일 사건이 아니라 시간이 흐름에 따라 진화하는 조율된 노력임을 관찰했습니다. 유전적 신호는 식물의 초기 생애 단계에서 가장 강력했지만, 당과 단백질의 축적과 같은 생화학적 방어는 식물이 성장함에 따라 계속해서 쌓였습니다. 이는 유익한 곰팡이가 식물이 즉시 공격에 대비할 수 있도록 준비(priming)시켰으며, 식물이 성숙함에 따라 그 방어를 지속하도록 도왔음을 나타냅니다. 연구는 유익한 곰팡이가 질병 곰팡이를 완전히 제거하지는 못했지만, 그것이 초래할 수 있는 피해를 현저히 줄였다는 것을 밝혀냈습니다. 엔도파이트로 처리된 식물은 면역력을 가진 것은 아니었으나, 처리되지 않은 식물이 사멸했을 곳에서도 살아남아 성장할 수 있을 만큼 회복력이 있었습니다. 이 접근 방식은 화학적 살포에 대한 유망한 대안을 제공하며, 식물과 그 안에 서식하는 미세한 생명체 사이의 자연스러운 파트너십에 의존합니다. 단순히 이 유익한 곰팡이 용액에 씨앗을 담가 두는 것만으로도, 농부들은 지속적이고 파괴적인 적에 맞서 면화 식물의 내부 동맹을 첫 번째 방어선으로 활용하여 효과적이면서도 환경에 부드러운 방식으로 작물을 보호할 수 있습니다.