다양한 식물의 생장촉진과 뿌리박테리아를 생산하는 가수분해효소의 조합과 아티초크의 생육향상에 미치는 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5917(2023) 이 기사 인용

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Rhizobacteria는 식물 발달의 주요 촉진자로서 병원균을 억제하고 토양 건강을 개선하는 유익한 다기능으로 잘 알려져 있습니다. 본 연구에서는 뿌리박테리아의 식물 성장 촉진(PGP) 및 세포외 가수분해효소 생산 특성과 이것이 예루살렘 아티초크 성장에 미치는 영향을 특성화하는 데 초점을 맞춘 실험을 진행했습니다. 총 50개의 분리균주가 직접 PGP 또는 가수분해효소 생성 특성을 나타낼 수 있는 것으로 입증되었습니다. 두 가지 유망한 균주(Enterobacter cloacae S81 및 Pseudomonas azotoformans C2-114)는 인산염 및 칼륨 용해, IAA 생산, 1-아미노사이클로프로판-1-카르복실산 데아미나제 활성 및 가수분해효소 생산에 대한 잠재력을 보여주었습니다. 가수분해효소 생산 균주(Bacillus subtilis S42)는 셀룰라아제, 프로테아제, 아밀라아제, β-글루코시다아제 및 포스파타아제를 생성할 수 있었습니다. 이 세 가지 선택된 균주는 또한 사이드로포어, 암모니아, 옥살레이트 산화효소, 폴리아민, 엑소폴리사카라이드, 생물막, 운동성, 염분 및 가뭄 스트레스에 대한 내성과 같은 간접 PGP 특성에 대해 긍정적인 결과를 제공했습니다. 주사전자현미경을 이용하여 집락형성을 관찰하였고, 뿌리 표면에 뿌리박테리아가 나타났다. 흥미롭게도 컨소시엄 균주(S42, S81 및 C2-114)를 접종하면 높이, 바이오매스, 뿌리(길이, 표면, 직경 및 부피) 및 괴경의 신선 중량을 포함한 모든 식물 매개변수가 크게 증가했습니다. 따라서 우리는 토양을 개선하고 작물 생산성을 높이기 위해 PGP와 가수분해효소를 생산하는 뿌리박테리아의 잠재적인 컨소시엄을 생물비료로 사용할 것을 권장합니다.

일반적으로 순초크(Helianthus tuberosus L.)로 알려진 예루살렘 아티초크는 덩이줄기의 광범위한 적용으로 인해 가장 수익성이 높은 작물 중 하나입니다1,2. 괴경에는 결장에서 유익한 미생물의 성장을 촉진하고 인간과 동물 모두의 콜레스테롤, 혈당 및 결장 염증 위험을 낮추는 프리바이오틱스의 일종인 이눌린이 풍부합니다3. 바이오에탄올 산업에서 순초크 괴경은 빠른 수확으로 인해 옥수수 곡물, 사탕수수, 카사바와 유사하게 에탄올 생산을 위한 잠재적인 대체 재료로 간주됩니다4. 또한 잎과 꽃에서 발견되는 생리활성 물질은 항생제, 항염증제, 항산화제 역할을 합니다1. 이 공장은 농업, 식품 생산, 바이오에너지 및 제약 부문에 중요한 의미를 갖습니다. 태국에서는 높은 수확량을 위해 적합한 농장에서 여러 유전자형이 성공적으로 개발되었습니다5,6. 그러나 이 작물의 높은 생산성은 다량의 합성 비료를 사용함으로써 촉진됩니다1. 화학비료의 사용은 토양의 영양 불균형을 초래하고 환경 오염을 초래합니다1,7. 따라서 지속 가능한 농업 관행을 달성하고 생태계를 피해로부터 보호하는 것이 중요합니다.

유용미생물의 적용은 작물 생산성과 토양 유지를 촉진하는 환경 친화적인 방법입니다. 유익 미생물은 식물 생산성을 직접 및 간접적으로 촉진하기 위한 두 가지 전략, 즉 식물 성장 촉진(PGP)과 식물병원체 억제 전략을 가지고 있습니다8. 식물 성장 촉진 미생물(PGPM)은 다음과 같은 몇 가지 특성을 통해 식물 성장을 향상시키는 역할을 합니다. 질소 가스 고정; 인산염, 칼륨, 아연 및 규소의 가용성 무기 형태를 제공하고; 뿌리 표면과 신장에 강한 영향을 미치는 사이토키닌, 지베렐린, 인돌-3-아세트산(IAA)8과 같은 식물 호르몬을 합성합니다9. PGPM은 에틸렌 수준을 감소시키는 1-아미노사이클로프로판-1-카복실산(ACC) 데아미나제 활성을 생성할 수 있으며, 이는 식물이 생물학적 및 비생물적 스트레스 요인을 견디는 데 도움이 됩니다10. 더욱이, 황 산화 및 박테리아-식물 신호 분자(즉, 올리고당, 펩타이드)의 생산을 포함한 다양한 간접적 메커니즘은 식물에서 PGP 뿌리박테리아의 성장 촉진 특성에 기여합니다11. PGP 뿌리박테리아가 분비하는 가수분해효소는 다양한 역할을 합니다. 이는 병원균을 억제할 뿐만 아니라 유기물을 분해하고 근권 구역의 토양 영양분을 순환시킵니다12,13,14. 박테리아의 셀룰라아제, 프로테아제, 아밀라아제와 같은 가수분해효소가 더 효과적인 촉매입니다12,13. 셀룰라아제, 아밀라아제 및 β-글루코시다아제는 식물과 미생물이 영양원으로 사용하는 순환 유기 탄소의 회전과 연결되어 있습니다. 셀룰라아제 효소는 유기물의 셀룰로오스를 셀로비오스, 포도당 및 올리고당으로 변환합니다15. 아밀라아제는 전분을 올리고당과 맥아당으로 전환시키는 반면, β-글루코시다아제는 셀로비오스를 포도당으로 전환시킵니다. β-글루코시다아제와 포스파타아제는 토양 품질 지표로 사용됩니다15. 토양 건강은 토양 내 미생물의 능력에서 표현되는 이러한 기능에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서, 식물 성장, 생물학적 방제 및 토양 복원을 개선하는 개발에서 잠재적 접종제에 대한 다양한 특성을 가진 생물 접종제로 사용할 수 있는 새로운 PGP 박테리아를 찾는 것이 중요합니다.