과수화상병의 세계적 연구동향

[윤용영]

과수화상병의 세계적 연구동향

◈요약문

과수화상병은 배, 사과 등 장미과 식물에게 있어 에이즈와 같은 전염병으로 세계 최초 발병 이후 약 240년이 지난 이 시점에서도 치료제나 방제약이 없어 한번 발병만으로 인근에 모든 기주식물들을 매몰작업이 이뤄진다. 국내에서는 2015년 발병을 시작으로 현재 전국단위로 확산되고 있어 국내 특산품인 배나 사과 품종을 기르는 농가의 근심은 날로 커가고 있다. 최근에는 화상병 전염이 겨울철에도 발생되어 날씨 계절과 무관하게 화상병이 전국적으로 확산될 위험과 국내 배, 사과 등의 과수가 전명 할 수도 있다는 우려도 나오고 있다. 따라서, 본 글에서는 화상병의 기본 특징과 국내/외 발병현황 그리고 예찰보호 시스템에 대한 연구 동향을 논의하여 이와 관련된 연구자들에게 다양한 정보를 제공하고자 한다.

키워드: fire blight, Erwinia amylovora, infectious disease

분야: Physiology

◈목 차

1. 서론

2. 본론

2.1. 과수화상병의 전염 원리

2.2. 과수화상병의 국내 분포 현황

2.3. 과수화상병의 국외 분포 현황

2.4. 과수화상병의 국내외 연구동향

2.5. 과수화상병의 예찰보호 시스템

3. 결론

4. 참고문헌

1. 서론

화상병(Fire blight)은 병해의 일종으로 에르위니아 아밀로보라(Erwinia amylovora (E. amylovora)) 병원세균에 의해 발생하며 특히, 사과와 배 작물에서 전염력이 매우 높은 세균병이다 (그림 1)[1, 2].

그림 1. 등나무 파파야나무에서 화상병을 발병시키는 에르위니아 아밀로보라의 TEM 이미지(bar Size 1 μm) [1, 2].

주로, 장미과 39속과 180여 종의 식물에 속하는 과수나무들을 기주로 하여 꽃, 잎, 가지, 줄기, 열매 등의 조직이 흑갈색으로 마르는 특징을 보이며, 증상이 악화되면, 나무 줄기나 굵은 가지 등에 궤양을 생성하여 나무의 뿌리까지 고사되어 과실을 수확할 수 없는 상태로 만든다 (그림 2)[3].

화상병의 발병은 1780년 미국동부지역에서 최초 보고를 시작으로 점차 지중해를 거쳐 유럽, 캐나다, 뉴질랜드 전역으로 확산되었으며, 최근에는 중국과 인접한 중앙아시아까지 범위가 확대되고 있다. 국내에서는 2015년 경기도 안성과 충청남도 천안에서 최초로 발병하여, 2018년 이후 안성, 천안, 제천 등 인근 과수농원에서 지속적으로 확산되고 있고, 특히 2018년 말에는 강원도로 화상병이 전파되어 전국적으로 확산될 조짐이 나타나 전국농가에 각별한 주의를 주고 있다 [4]. 일반적으로 국내에서는 [식물광역법]에 명시된 ‘화상병 예찰, 방제 지침’에 근거하여 과수화상병 확진 과수에 대해서는 병해의 확산방지를 위해 매몰 및 폐원 조치를 진행하고 있으며, 과수화상병 확진 과수 전체와 반경 100m 이내 기주식물들을 일괄 매몰작업 및 3년간 기주식물 재배를 금지하고 있다.

따라서 과수화상병 발생으로 인해 피해는 농가농민들에게 과실을 맺으려면 또다시 몇 년 동안 나무를 키워야 하므로 장기간에 걸쳐 직접적으로 영향을 미치게 된다(*예찰: 병원균, 해충의 밀도, 현재의 발생상황, 작물의 생육상태, 기상예보 등을 고려해서 앞으로 병해충 발생이 어떻게 변동될지를 예측하는 것) [5]. 화상병으로 경제적 손실은 국내뿐만 아니라, 해외에서도 발생하는데 미국, 유럽 등 40개 이상 국가에서 이미 사과와 배 산업에서 연간 약 100억 원 달러 상당의 경제적 손실을 주고 있으며, 수출/입 검역단계에서 화상병이 발생한 국가에 무역장벽으로 작용하여 상당한 경제적 손실이 증가하고 있는 추세이다.

현재까지 화상병에 대한 뚜렷한 치료법은 개발되지 않고 있으며, 한 번 감염만으로도 일정 반경 이내 모든 기주식물들을 매몰함으로써 발생하는 인적/경제적 손실이 큰 만큼 예방이 중요하다. 국내에서는 화상병이 발병한 과수농가에 대해서 월동기인 1차 동계방지와 개화기에 항생제계통의 추가 방제를 2회 실시함으로써, 화상병의 확산을 막기 위한 노력을 기울이고 있다. 그렇지만, 아무리 예방을 철저히 하더라도, 한 번의 화상병 진단은 주변 지역의 2차 3차 연계 피해를 유발시킬 수 있어 화상병 예찰과 치료제 개발은 필수적이다. 국내에서는 화상병의 발병시기가 늦게 진행되어 화상병에 대한 연구 기간이 짧아 몇몇 대학기관과 특정연구소에서만 생물, 화학적 연구만 수행 중에 있다.

대표적으로 우리나라 배 화상병 발병에 미치는 우리나라 환경요인에 대한 MARYBLYT 모형 연구 [6]’, ‘기내 검정법을 이용한 국내 과수 화 상병 방제제 선 [7]’, ‘항혈청 기반 진단 스트립을 이용한 과수 화 상병 현장 진단 [8]’ 그리고 ‘고정익 드론을 이용한 배 화상병 예찰 연구 [9]’ 등 화상병 진단 및 예찰 연구가 보고되었다.

결과적으로, 화상병은 전 세계의 모든 배와 사과 재배지역에 경제적 위협을 일으키기 때문에 농가의 피해와 국가적 손실을 줄이기 위해서는 대책 마련이 시급한 실정이다. 따라서, 본 연구는 국외 화상병 사례들을 소개하고 예찰/방제 현황을 제시함으로써, 우리나라 환경에 적합한 예찰 보호 시스템을 강화 및 보완할 수 있는 새로운 견해를 제공하는 데 그 목적을 두고 있다.

2. 본론

2.1. 과수화상병의 전염 원리

일반적으로, 화상병 병원세균은 높은 강수량과 긴 개화 시기에 발병하여 인근 지역 내 기주식물에 급진적인 전파력을 나타낸다. 에르위니아 아밀로보라 병원세균의 전염경로를 살펴보면 주로 나무줄기 또는 가지 가장자리의 조직에서 겨울을 보내고, 개화가 다가오는 봄부터 활성화되어 세균점액이 화분 매개체인 꿀벌, 나비, 파리, 등과 같은 곤충류 및 새 그리고 자연(바람과 비)을 통해 다른 식물로 전염시킨다. 또한, 국내 화상병 감염 역학조사를 통해 가지치기 도구나 사람에 의해서도 전염될 수 있다고 보고되었다. 대표적인 화상병 활성 경로 도표는 아래 그림 3에 나타냈다 [10].

2.2. 과수화상병 국내 분포 현황

국내 최초로 2015년 경기도 안성의 사과 농가에서 최초로 화상병 발병을 시작으로 2015년 43개의 농가에 전염 및 68개의 농가 매몰작업이 되었으며, 2016년 17개 농가 전염 및 32개 매몰작업, 2017년 33개의 농가전염 및 55개의 매몰작업, 2018년 67개 및 135개 농가 매몰 등 매년 화상병에 의해 피해를 받는 농가의 수가 급진적으로 증가하고 있다 (표 1)[11-13]. 발생 지자체 이력을 살펴보면, 2015년에 발병되었던 안성, 천안, 제천은 초기 발병부터 현재까지 화상병이 매년 증가하는 추세이며, 현재 인근 지역으로 병원세균이 전파되어 5개 광역시도 (경기, 강원, 충남, 충북, 전북) 13개 시ᆞ군(안성, 천안, 진천, 충주, 원주, 음성, 연천, 파주, 이천, 양주, 제천, 평창, 익산)으로 확산된 상태로 2015년 대비 16%의 사과, 배 재배 농가의 면적이 감소하였다. 이 결과는 화상병이 국내 겨울철 환경에서 기주식물 뿌리에서 숙주로 기생하며 매년 확산이 이뤄진다는 것을 예상할 수 있다.

현재 과수화상병의 뚜렷한 치료제는 개발되어 있지 않아 예찰과 방제만으로 화상병의 감염확산을 예방하고 있으며, 과수화상병으로 국내 농가의 피해손실을 증가하고 국가 차원에서 손실보상금을 지급하고 있는 상황이다 (표 1)[14, 15]. 하지만, 매년 증가하는 손실보상금은 임시방편이며, 치료제개발이 절실한 상황이다.

2.3. 과수화상병의 국외 분포 현황

과수화상병은 1780년대 미국 뉴욕 허드슨 밸리에 있는 사과와 배나무 과수원에서 처음 발병하였다. 이후 시간이 경과함에 따라 2021년 4월 기준 미국과 캐나다 지역 전반에 걸쳐 화상병 병원세균이 확산되었고, 유럽 동아시아 대륙까지 급격한 확산세를 보임으로써, 전 세계 최소 60개국에 화상병이 감염되었다 (그림 4)[16]. 현재 화상병은 사람이 농사짓는 대부분의 사과품종이 이 병원세균에 쉽게 감염될 수 있다고 판단하고 있으며, 유럽에서는 과수화상병원균을 유럽식물보호기구의 A2 규정에 따라 나열된 검역병으로 지정한 상태이다 [17].

그림 4. 전 세계 화상병 확진 신고가 발생한 나라 지도. (화상병 발생지역: 주황색(발생면적), 노랑색(주요 도시)) [16].

화상병은 전 세계적으로 이과 생산에 심각한 경제적 손실을 발생시켰다. 대표적으로 산출된 내용에 따르면, 2007년 독일 남부에서 화상병으로 인해 발생한 피해손실금은 160만 달러, 스위스에서 1997년에서 2000년 사이에 900만 달러, 미국에서는 2003년 기준 년간 1억 달러에 달한다고 보고하였다 [18-20].

2.4. 과수화상병의 국내외 연구동향

화상병 발병 이후 1900년대 후반에서 2000년대 초까지 작물보호를 위해 가장 효과적인 방법으로 스트렙토 마이신 또는 구리유도체 화합물과 같은 물질을 항생제로 사용하는 것이었다. 항생제 사용 초기에는 화상병의 전염확산이 늦춰지거나 줄어드는 것처럼 보였으나, 항생제의 무분별한 사용과 농도 향상은 미국, 캐나다, 이스라엘 등 일부 국가에서 스트렙토 마이신 내성 균주를 가진 새로운 에르위니아 아밀로보라의 탄생을 야기시켰다. 이에 내성이 생신 에르위니아 아밀로보라는 지속 인근 기주식물에 빠른 속도로 다시 감염되었으며, 결국 여러 나라에서 스트랩토 마이신 또는 구리유도체 화합물을 포함하는 항생제 제품의 활성 성분을 낮추거나 독성이 적은 새로운 제품으로 대체하는 방안을 추진하였다. 더 나아가 규제가 심한 특정 나라에서는 위 성분을 포함하는 항생제 사용을 완전 규제를 통해 환경에 부정적인 영향을 미치는 인자를 줄이고자 하였다. 이에 세계 각국에서는 항생제 사용규제를 통해 화상병으로부터 작물 보호를 위한 다양한 전략들을 제안하였고, 2000년대 초부터 식물 유전체 내 화상병 내성을 갖는 품종을 개발하거나, 생물학적 방제, 예찰 또는 모델링을 통한 유해병원세균의 확산을 방지하는 새로운 연구들을 수행하였다 [21-24].

2006년 zhou 연구팀은 화상병의 발생 역학 모델링 프로그램을 통해 중국의 환경(강수량, 기온 및 지리 정보 등)을 기반으로 전염병 확산이 발생할 수 있는 연구 결과를 보고하였다. 본 연구에서는 MARYBLYT 모델을 사용하여 수행하였으며, 2020년 전후로 화상병이 발생될 것이라고 판단하였다. 이는 단순 자연적인 발생에 의한 확산을 고려하였으며, 만약 국가 무역 활동으로 화상병이 걸린 묘목이 유입된다면, 병원세균의 확산이 가속화될 것이라고 위험성을 강조하였다 [25].

2017년 Dardouri S. 연구팀은 2012년에서 2014년 사이에 튀니지에서 발생한 화상병의 샘플을 취득하여 에르위니아 아밀로보라의 분자특성(CFBP 1430을 포함한 54개의 분리주)을 PCR fingerprint (clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)과 VNTR) 통해 유전적 가변성을 분석하였다. 54개 중 49개는 동일한 유전체를 가지고 그 외 4종은 새로운 패턴을 가진 유전체를 보임으로써 감염과정에서 화학물질 또는 외부 환경요인에 의해 변종이 형성된 것으로 보고하였다. 현재는 완전한 치료제를 개발하지 못하였지만, 본 연구를 통해 VNTR을 통해 에르위니아 아밀로보라의 종류와 변이를 식별하는데 유용한 도구라고 결론지었다 [26].

2019년 미국 Cornell 대학에 Khan 연구팀은 지역적 격리, 균주 숙주 범위, 그리고 예찰로부터 발생될 수 있는 에르위니아 아밀로보라의 population bottleneck (genetic bottleneck) 또는 도태압(selection pressure)에 대한 연구 결과를 보고하였다. 본 연구에서는 유전체의 다양성과 종류 그리고 본질을 분석하기 위해 41개의 균주를 선별하였으며, 그 결과 72,741개의 단일염기 다형성(single nucleotide polymorphism, SPN)와 2,500개의 indel을 발견함으로써 이전에 보고된 정보보다 6배 더 많은 정보를 제공하였다. 또한, nonsynonymous 치환은 반응기 영역에 걸쳐 확인되어 특정 균주의 독성을 확인하였다. 결과적으로 본 연구는 에르위니아 아밀로보라의 다양성에 동반되는 유전적 다양성과 본질 안에서 새로운 정보를 제공함으로써, 앞으로의 치료제 개발 및 화상병 내성을 갖는 품종개발에 배경지식으로 활용할 수 있을 것이라고 하였다 [27].

2020년 Bagheri 연구자는 항생제의 개발도 중요하지만, 시기적절한 판단을 세울 수 있는 예찰 방법에 대해서 드론을 이용하여 화상병을 감지할 수 있는 드론 감지기술을 보고하였다 (그림 5). 본 연구에서는 다중 스펙트럼 원격 감지 기능을 통해 농가에서 성장 중인 건강한 잎과 비발현 감염잎 그리고 발현 감염잎을 대상으로 수행되었다. 그 결과 SVM (support vector machine) 방식을 활용하여 에르위니아 아밀로보라에 감염된 잎에서 특정 파장에서 건강한 잎과 차이를 보임으로써 다중 스펙트럼 분석은 감염 초기 단계에서 검출할 수 있는 신뢰성이 높은 방법이라고 제안하였다 [28].

그림 5. 2015년 7월 7일 측정한 COSI 이미지에서 배 과수원의 각 나무별 감염 확률을 시각적으로 계산한 감염위험 가능성을 나타낸 이미지 [28]. (빨강(위험) -> 녹색(안전)).

이와 유사한 연구는 국내에서도 수행되어왔다. 대표적으로 충북대학교 노현권 연구팀은 과수산업에서 화상병으로 인한 피해를 축소시키기 위한 예방법으로 회전익 드론에 RGB 영상센서를 이용하여 화상병 예찰 가능성을 보고하였다 (그림 6). 그 결과, 본 연구팀에서는 드론으로 촬영한 영상을 L*a*b 색상 공간과 판별분석법을 사용하여 감염 부위를 파악하였으며, 지형적인 특성에 의한 빛 산란 간섭만 제외하면 상당히 높은 화상병 판독율을 보일 것이라고 보고하였다. 하지만, 이러한 방법은 실증단계로 접근하기 위한 방안으로 고려하기에는 다양한 기술적 한계를 가지고 있으며, 만약 독자적인 클라우드 포인트 기반의 화상병 검출 방법 및 관련 알고리즘만 확보한다면, 국내 화상병 예찰 시스템에 실증연구를 연계할 수 있을 것으로 기대하고 있다 [29].

...................(계속)

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