The microbial community living within the rust fungus Uromyces hawksworthii assessed through metagenome analysis

녹사병균(Rust fungi)은 작물과 야생 식물을 가리지 않고 감염시키며, 종종 생애 주기를 완성하기 위해 두 종류의 서로 다른 기주 식물을 필요로 하는 복잡한 생애 주기를 가진 지구상에서 가장 성공적인 식물 병원균 중 하나이다. 이 균류들은 질병을 퍼뜨리는 매개체 역할을 하는 에키오스포어(aeciospores)와 텔리오스포어(teliospores)를 포함하여, 발달 단계에 따라 여러 가지 뚜렷한 유형의 포자를 생성한다. 수십 년 동안 과학자들은 이 포자들이 불임 상태가 아니라는 것을 알고 있었다. 포자들은 그 위나 내부에 서식하는 박테리아와 균류를 포함한 다른 미생물들의 숨겨진 군집을 품고 있는 경우가 많다. 이들 이웃 중 일부는 녹사병균 자체를 먹고 사는 유기체인 초기생체(hyperparasites)이다. 포자 내부에서 정확히 누가 살고 있는지, 그리고 녹사병균이 성숙함에 따라 이 군집이 어떻게 변화하는지를 이해하는 것은, 녹사병의 자연적 천적을 이용해 제어하는 작업을 독려함으로써 이 파괴적인 식물 질병을 관리하는 새로운 방법을 밝혀낼 수 있다.

최 최근의 한 연구에서, 연구진은 겨우살이과 식물을 감염시키는 녹사병균인 Uromyces hawksworthii 내부의 이 보이지 않는 세계를 지도화하고자 했다. 연구팀은 녹사의 두 가지 특정 단계, 즉 에키오스포어를 생성하는 에키움(aecium)과 텔리오스포어를 생성하는 텔리움(telium)에 집중했다. 이 두 단계는 이전에는 현미경 아래에서의 물리적 외형에 의해서만 구별되었으나, 연구진은 그 안에 서식하는 미생물 군집이 근본적으로 다를 수 있다고 의심했다. 이를 알아내기 위해, 연구진은 브라질의 감염된 잎에서 포자를 채취하였고, 강력한 유전 시퀀싱 기술을 사용하여 샘មាន 내에 존재하는 모든 박테리아와 균류의 DNA를 읽어냈다. 이 접근 방식은 실험실에서 직접 배양할 필요 없이 특정 유형의 미생물을 식별할 수 있게 해주었으며, 거주하는 미생물들에 대한 종합적인 인구 조사를 가능하게 했다.

분석 결과, 일부 박테리아와 균류 그룹은 녹사병균의 두 단계 모두에서 공통적으로 나타났지만, 전체적인 군집 구성은 녹사가 성숙함에 따라 극적으로 변화했다. 초기 단계인 에키움에서는 박테리아 군집이 두 주요 그룹인 프로테오박테리아(Proteobacteria)와 액티노박테리아(Actinobacteria)에 의해 지배되었으며, 더 다양한 종류의 박테리아 유형을 보여주었다. 그러나 녹사가 텔리움 단계로 진행됨에 따라 박테리아 경관이 변화하여, 피르미쿠테스(Firmicutes)와 사이아노박테리아(Cyanobacteria)가 훨씬 더 두드러지게 나타났다. 균류 거주자들도 유사한 변화 패턴을 보였다. 특정 균류 클래스들이 두 단계 모두 존재했지만, 텔리움 단계는 에키움 단계에서는 훨씬 덜 흔했던 엑소바시디오마이세테스(Exobasidiomycetes) 및 푸키니오마이세테스(Pucciniomycetes)와 같은 그룹을 포함하여 현저히 더 많은 수의 다양한 균류 유형을 보유하고 있었다.

이러한 발견은 녹사 포자 내부의 미생물 군집이 정적인 것이 아니라, 균류 자체와 함께 진화한다는 것을 시사한다. 연구진은 이러한 미생물 집단의 차이가 매우 뚜렷하여, 유전 데이터만을 보고도 에키움과 텔리움을 구분할 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 구별은 중요한데, 이는 포자 내부의 환경이 서로 다른 유형의 초기생체가 각기 다른 시기에 서식하기에 유리한 방식으로 변화한다는 것을 의미하기 때문이다. 예를 들어, 에키움 단계의 높은 박테리아 다양성과 텔리움 단계의 높은 균류 다양성은 이 단계들이 특정 미생물의 감염에 더 취약하거나, 혹은 그들에게 더 풍부한 자원을 제공할 수 있음을 나타낼 수 있다. 이러한 구체적인 미생물 변화를 이해함으로써, 과학자들은 궁극적으로 녹사병균을 공격하는 데 가장 효과적인 자연적 천적이 생애 주기의 어느 시점에 있는지 식별할 수 있으며, 이는 더욱 표적화된 생물학적 방제 접근법을 제공할 수 있다.

또한 이 연구는 포자의 발아 구멍(germination pores)이나 보호벽과 같은 물리적 구조가 이 군집이 형성되는 방식에 역할을 한다는 점을 확인했다. 연구진은 초기생체 균류가 이러한 특정 개구부를 통해 침입한다는 점에 주목했으며, 녹사가 발달함에 따라 변하는 포자벽의 특성과 화학적 내용물이 어떤 미생물이 생존하고 번성할 수 있는지에 영향을 미친다는 점을 언급했다. 이 논문이 녹사병 문제를 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 포자 내부의 미생물 세계가 어떻게 구조화되어 있는지에 대한 명확하고 데이터에 기반한 그림을 제공한다. 결과는 에키움과 텔리움 단계가 단순히 형태적으로만 다른 것이 아니라, 각각 고유한 박테리아 및 균류 군집을 지원하는 생태적으로 구별되는 환경임을 나타내며, 이는 작물과 자연 생태계를 지속적인 병원균으로부터 보호하기 위해 활용될 수 있다.