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출처: 다육과 화초를 사랑하는 사람들 그리고 보길도 산수정 원문보기 글쓴이: 山秀김보환
길항미생물에 의한 토양병해의 생물학적 방제
환경보전을 의도한 병해방제기술개발 중에서, 생태계의 구성요인인 길항미생물이 갖고 있는 기능, 혹은 길항현상의 결과인 억제토양이 다시 살펴져서 현제의 방제수단을 교체하여 얻거나, 혹은 그러한 수단중 하나로 사용할 수 있는 방제법의 개발이 기대되고 있다. 그밖에 현시점에서는 이들에 대한 기대가 반드시 긍정적인 반응이라고 말하기 어렵다. 지금까지 많은 시험을 걸쳐, 길항미생물을 이용한 생물학적방제는 ①특이성이 높고, ②변이하기 쉽고, ③효과가 약하며, ④조건에 따라 효과가 변하고, ⑤지속성이 부족한 것등의 특성이 분명하게 나타났다. 실용화를 꾀할 때에 이런 결점을 극복하기 위해서, 더욱 우수한 균주의 검색을 계속하는 것이 중요하다는 것은 말할 필요도 없다.
후술하지만, 일본에서 성공한 사례는 없어도 여러 아이디어가 다양하게 나오고 있고, 독특한 조사가 요구되는 분야도 알려지고 있다. 여러외국에서는, 메카니즘의 해명으로부터 문제를 극복하려는 노력이 왕성하게 실시되고 있다. 가까운 장래에 충실한 연구의 쌓아 올려서, 바이테크등 새로운 기술의 도입하고, 기지가 풍부한 아이디어를 구사해서, 새로운 전망이 열려지길 기대한다.
1. 길항미생물의 역할
길항미생물은 여러 가지 경우에 관여하고 있다. 그 이용은 원래 그 토양에 사는 토착미생물의 활성화를 꾀하는 경우와 일단 분리된 균주를 배양해서 증식한 후 토양에 도입하는 경우에 의해 토양병원균의 활동이 억제되거나, 균수가 감소하여 발병을 경감하는 것을 노리고 있다. 윤작이나 적절한 포장관리에 의해 건전한 작물을 육성하는 경우에는 토양병원균수는 낮은 수준으로 억제되어, 토착미생물의 활동에 의해 토양병원균의 활동도 억제된다고 추측된다. 유기물시용에 의한 방제시험은 토착미생물의 활성화를 꾀하고, 그것에 의한 병원균의 활동억제를 기대하여 1960∼1970년대에 일본에서 왕성하게 실시되었다.
토양병해에 대한 억제토양은 자연발생적인 생물방제의 좋은 예로서 위치하고 있고, 그 메카니즘의 해명이 정력적으로 실시되고 있다. 이들 두가지는 토착길항미생물을 자연스럽게 이용한 것이다. 그곳으로부터 유망한 길항미생물의 균주가 분리되어, 도입미생물에 의한 생물학적방제법의 개발이 연구되었다. 모든 토양병해는 토양하부로부터 발생하기 때문에 발병초기에는 느끼지 않고, 병징이 나타났을 때에는 이미 손쓰기에 늦어진 경우가 많기 때문에, 이러한 생태계를 구성하는 길항미생물을 이용한 방제법 같은 예방적 수단이 필요하게 되었다.
2. 발병 억제 토양
길항미생물은 배지상에서 병원균과 대치해서 배양하는 것으로 용이하게 검출할 수 있지만, 스크리닝에 의해 얻는 균주에 의한 방제시험은 능숙하지 않는 것이 많다. 과연 길항현상은 배지상에서만 일어나고, 실제의 토양이나 근권에서는 일어나지 않는 것일까라는 의문이 생긴다. 그러나 토양 중에서 길항작용이 일어난다는 사실은 여러 발병억제토양에서 증명되고 있다. 연작을 하거나 오랜기간 작물을 재배해도 토양병해의 발생이 문제시 되지 않는 토양이 있는 것이 오래전부터 알려져 있다. 이러한 토양은 발병쇠퇴토양이나 억제토양이라 불리고 있어서, 자연생물학적 방제(natural biological control)의 좋은 사례라 생각되고, 그 가운데 토양병해 제어의 수단을 발견하려는 연구가 왕성하게 실시되고 있다. 즉, 억제요인을 탐색해서, 토양의 물리. 화학적 환경조건을 분명하게 밝혀 토양병해의 생물학적 방제나 작물의 생육촉진효과 등과 같은 제어기술을 개발하려는 것이다.
토양병해의 억제토양에는, ①병원균이 정착 할 수 없고, ②정착할 수 있지만 발병을 억제하고, ③처음에는 발병하지만 연작하면 발병이 쇠퇴하는 등의 여러가지 형태가 알려지고 있다. ③의 유형은 이른바 발병쇠퇴토양이라 불리는 것으로, 밀입고병이 한 사례가 되어 세계적으로 넓리 알려져 있다. 그 현상은 특이적 길항미생물의 작용에 의해서, ①60℃, 30분에서 소실하고, ②이행성이 있고 ③증식성이 있는 등의 특성이 있는데, 이런 것으로는 특이적 길항미생물인 Pseudomdnas fluoprescens같은 근권세균이 있다. 이러한 현상이나 억제성은 스위스의 Payerne지방의 담배흑근병 등에서도 같은 모양으로 나타나고 있지만, 홋까이도에서의 사탕무뿌리�음병의 쇠퇴현상의 경우에는 Bacillus등의 열내성의 미생물에 의해 일어난다.
사상균이 중요한 역할을 하고 있는 예도 있다. 네델란드의 Groningen지방이 감자흑반병의 억제토양으로 알려져 있는데, 괴경상의 병원균의 균핵에 Verticillium biggutatum등의 사상균이 기생해서 사멸시킨다. 콜롬비아의 Bogota의 토양은 Rhizoctonia solani에 억제성이 있는데, 그 토양에는 Trichoderma hamatum이 활동하고 있다. 작물을 반복재배하거나, 병원균을 토양에 반복 접종하는 것에 의해 토양의 억제성을 인위적으로 유도한 예가 있는데, 병원균의 균사 주위에 증식하는 Trichoderma등의 미생물작용에 의해 일어난다.
3. 길항미생물을 이용한 생물학적방제
머릿말에서 말한 것 같이, 길항미생물을 이용한 생물학적방제에서 실용화된 것은 매우 적다. 일본에서 길항미생물에 의한 토양병해의 생물학적방제의 주요 시험 예를 보면 핵과수나 꽃류의 근두암종병을 예방적으로 막는 Agrobacterium radiobacter strain 84에 의한 것이 있다. 일본에서도, 목야에 의해 그 실용성이 입증되어 1990년에 생물농약으로 판매되었다. 목화묘입고병의 Pseudomdnas fluoprescens의 방제제 Daggar G도 성공한 예라고 말할 수 있다. 트리코데르마제제는 토양병해의 생물학적방제제로 일본에서 처음 등록되어, 담배백견병 등에 실용화되었다.
다른 나라에서는 T. viride, T. harzianum, T. hamatum등을 이용을 실용화하기 위해 왕성하게 연구가 실시되고 있다. 최근, 일본에서 실용화, 또는 그 수준까지 연구개발이 진행된 것이 어느정도 있다. 먼저, 비병원성의 Fusarium oxysporum균주의 접종에 의한 고구마덩굴쪼김병의 방제가 있고, 이 경우에는 비병원성균에 의해 저항성이 유도되어 발병이 억제되므로, 엄밀하게는 길항미생물을 이용한 예로 들기에는 적당하지 않다. 이러한 비병원성의 Fusarium균을 이용한 예는 토마토시들음병, 딸기위황병, 풋콩시들음병 등의 도관병이나, 비병원성Rhizoctonia균을 이용한 사탕무뿌리�음병 등이 있다. 길항미생물의 독특한 실용화 예로서, P. gladioli를 파속작물의 뿌리에 침적접종해서, 박과 혼식하는 것에 의해 덩굴쪼김병을 방제하는 방법이 알려져 있다.
목현하에서 박과 양파를 혼식재배하는 전통농법이 있어서, 덩굴쪼김병은 전혀 문제가 되지 않는다. 이 현상의 메카니즘을 조사했을 때, 양파근권에 사는 P. gladioli의 활동에 의한 것이 분명하다고 알게 되었다. 이 혼식재배기술은 토마토뿌리시들음병, 딸기위황병, 우엉엉겅퀴흑지병 등에도 효과가 있다는 것이 실증되고 있다. 그런병은 홋까이도의 감자재배에서 큰 장해로 되어 있지만, 십승지방에서는 파종전의 종자에도 Pseudomonas균등의 근권세균을 박테리제이션을 하여 그런병을 실용단계까지 방제할 수 있는 것이 분명하다. 안정적인 측면에서 더욱더 효과적인 제제가 개발되고, 또, 관수, 토양pH처리, 요소시용 등 다른 기술과의 조합한 효과도 검토되고 있어서, 실용화를 이루려고 하고 있다. 병해방제나 작물의 생육촉진효과를 기대해서 근권세균을 종자나 뿌리에 접종하는 박테리제이션이 최근 이 분야 연구의 주류를 차지하고 있다.
일본에서도 이 종자에 관한 연구가 1985년 무렵부터 급격하게 증가해, 사탕무묘입고병, 강남콩근부병, 팥낙엽병, 무묘입고병 등에서 나타난다. 위의 것들에 대한 연구가 이루어지고 있어서, 이후 발전이 기대되고 있다. 최근 홋까이도에서 전작토양병해의 생물생태학적방제법 개발의 일환으로 소맥입고병, 조반병, 감자의 더덩이병, 팥낙엽병, 사탕무의 조근병 등을 대상으로 길항미생물에 의한 생물학적방제에 관한 연구가 진행되고 있어, 많은 성과가 기대된다.
4. 발병억제효과의 메카니즘
길항미생물에 의한 생물학적방제의 결점으로서, 특히 ①효과가 포장의 차이 등의 조건에 의해 일정하지 않고, ②균주가 근권에 정착하지 않는 것을 들 수 있다. 이들을 극복하기 위해서 기본적으로는 여러가지 조건에 적응해 효과를 발휘할 수 있는 균주를 탐색하여 육성하는 것이다. 영국의 사례이지만, 넓은 범위의 조건에 대해 유효한 균주를 탐색하기 위해서는 11종류의 병해를 대상으로, 토양의 종류, 온도, 토양수분, 토양유기물의 다소 등 환경 조건을 바꾸고, 많은 노동력과 시간, 비용을 들여서, 7, 000여개 가운데 2, 3개의 유효한 균주를 스크리닝하고 있다.
이들 균주의 이후 장래가 주목된다. 이제 한편으로 균주를 육종하겠지만, 이 경우에는 무엇을 육종목표로 하는 것이 중요한가. 즉 생물학적방제에 어떤 형질이 중요한가 먼저 메카니즘을 해명하여 중요한 형질을 특별히 지정하지 않으면 안 된다. 특정한 형질을 지배하는 유전자를 해석하여, 형질을 전환한 균주를 작성하는 순서이지만, 치밀한 연구가 요구된다.
다만 다행히 이 방면에서의 연구수준은 현저하게 진보해서, 기술적으로는 가능하게 되었다. 길항미생물이 근권이나 토양에서 활동하고, 발병경감과 연관된 길항능력과 근권 정착성이 요구된다. 즉, 말하자면 길항능력과 근권 정착성이 쌓여서 효과로 나타난다. 힘에 상당하는 길항작용에 관여하는 형질은 무엇일까, 근권 정착성의 구체적 형질은 무엇일까. 최근, 그 메카니즘을 해석하여 관여하는 물질이 밝혀졌고, 생산을 지배하는 특정 유전자까지 연구되고 있다.
(1)길항작용의 메카니즘
길항작용은 기생, 항생, 경합, 포식 등 잡다한 형태로 나타나서, 이들이 1개 혹은, 여러개가 조합되어 작용한다. 이것들의 메카니즘이 항생물질, 시데로포아, 시안화합물, 박테리오신 등의 물질적인 측면으로 해명하고 있다. 생물학적방제에서 항생물질생산의 의의에 대해서 최근 다시 논해져서, "식물생육촉진성근권세균(PGPR)"의 효과가 시데로포아에 대해서 설명하고 있다.
항생 : 길항작용 중 항생물질생산에 의한 것이 항생이어서, 발병억제에서 항생물질의 역할에 관해서 연구되고 있다. 근두암종병의 생물학적방제는 아그로신84라는 박테리오신의 작용에 의한다. 병원균의 DNA합성이나 세포벽합성을 저해한 식물체에 착생을 억제한다. P. fluorescence에 의한 목화묘입고병의 억제는 이 세균이 생산하는 2종류의 항생물질인 피롤니트린과 피오르테오린이 활동에 의한다는 보고가 있다. P. cepacia의 무묘입고병억제에서 피롤니트린의 활동은 이 항생물질을 생산하지 않는 돌연변이주를 이용해 밝혀졌다. 밀입고병을 억제하는 P. fluorescence는 페나진. 카르본산을 생산해서 발병을 억제한다. 이 경우에는 항생물질을 근권으로부터 직접검출. 정량하는 방법과 Tn5도입에 의한 유전적 수법에 의해 증명되었다.
경합 : 경합은 미생물사이에서 장소와 먹이의 쟁탈이 있고, 그 절대양이 부족했을 때 일어난다. Pseudomonas에 의한 작물의 생육촉진효과는 병원균을 포함할 수 있던 유해미생물과 철의 경합으로 설명된다. 철의 경합은 세균이 생산하는 슈드박틴으로 불리는 철킬레이트물질로 시데로포아에 의한다. 근권에는 병원균이외에도 작물의 생육을 저해하는 유해세균이 존재한다. 작물의 생육을 촉진하는 세균은 유해세균이 뿌리로 착생하는 것을 방해하고, 그 때문작물의 생육을 저해하는 유해인자가 없어져 생육이 양호하게 된다.
(2) 근권 정착성
작물의 뿌리주위에는 미생물의 활성이 높을 뿐만 아니라, 그곳에 생육하는 미생물의 종류에도 특성이 있어서, 특별히 근권미생물이라 불리고, 세균의 경우에는 근권세균(rhizobacteria)이라 불리고 있다. 근권세균은 작물에 대한 작용에 의해 식물생육촉진성근권세균(PGPR)과 유해근권세균(DRB)으로 나누어지고 있다. 생물학적방제에는 길항능력과 함께 근권에 정착하는 능력이 요구된다. 근권착생능(rhizospherecompetence)이란 발육중에 근권에 미생물이 생육해서, 기능하는 유전적특성이고, ①세포표층다당질, ②선모, ③액모, ④주화성, ⑤내염성, ⑥탄수화물이용능력 등이 관여하고 있다. 근권에 착생하거나 길항작용에 하는데 영향을 미치는 물리화학적요인을 밝히는 것과 동시에 길항미생물의 균주를 육종.개량하기 위해 근권정착에 관여하는 특성을 밝히는 연구가 요구되고 있다.
길항미생물이 근권에 정착할려면 뿌리에 도달한 후 근단부로 이동해서, 다른 미생물과의 경합하면서 증식해야만 한다. 이러한 근권세균의 생태에 관한 연구는 리팬피신이나 나리지키시산등의 항생물질내성의 균주를 이용하거나, 락토스분해능력을 마커로서 추적하는 방법이 개발되고 있다. 종자에 코팅한 P. fluorescens나 P. putida는 파종후 종자에서 나온 분비물에 반응해서 증식한다. 발아된 종자주위에는 미생물활성이 높고, 종자권(spermosphere)이라 불리고 있지만, 그곳에서 증식한 후 유근에 착생한다. 이러한 종자코팅에 의해 도입된 균주는 유묘기까지 비교적 높은 밀도의 균수를 유지하고 있다. 그러나 식물이 생장하면서 석셋션속에서 점차 그 균수비율은 감소해서 성숙기에는 총균수의 1/1,000∼1/10,000이하가 되어 버린다.
그러므로 이것으로는 큰 성과를 기대할 수 없다. 묘입고병에는 효과가 있어도 도관병이나 근부병에 유효한 균주가 좀처럼 발견되지 않는 것은 첫째로 정착성의 문제가 있다. 연구의 중심으로 이점의 중요성이 지적되고 있다. 옥수수의 경우 P. fluorescens를 종자에 103∼107cfu의 농도로 코팅해서 파종하면, 뿌리 1g당 104∼106cfu의 균수로 근권에 정착한다. 감자의 종자도 도포한 형광성 Pseudomonas spp.는 근권전체에 정착하면, 그 균수는 2주간 뿌리 1g당 9.8×104cfu의 농도이고, 전생육기간의 평균은 103cfu의 농도로 정착한다. 겨울소맥에서는, P. fluorescens를 종자당 108cfu의 농도로 코팅해서 파종하고, 1개월후에 0.1g의 뿌리당 106cfu의 균수가 검출되고 있다. 겨울기간에는 균수가 감소하지만, 봄에 다시 증가한다.
5. 길항미생물의 이용기술
(1) 길항미생물의 제제화
생물학적방제제는 당연한 일이기는 하지만, 살아 있다는 것이 농약과 다른 점이다. 제제화과정, 저장기간, 시용작업들을 통해 활성을 유지하는 것이 필요하다. 또, 농약은 시용후 분해되어 감소하는데 비해, 생물방제제는 증식해서 뿌리에 착생하여 효과를 발휘하지 않으면 안 된다. 이것을 고려하여 취급하기 쉬운 형태로 제제화가 시험되고 있다. 길항미생물을 메틸셀룰로오스와 함께 사탕무우종자에 코팅하거나, 20%의 잔산감과 활석에서 건조제제를 작성해 감자에 시행하는등 시험하여, 좋은 결과를 얻었다. Pseudomonas균은 알긴산소다와 스킴밀크의 건조제제가운데에서 장기간 생존하고, 시용후 조속하게 근권에 정착한다. 목화묘입고병에 유효한 P. fluorescens의 비트제제는 미국합중국남부의 생산자사이에서 실용화되고 있다. 사탕무우묘입고병에 효과가 있는 Pseudomonas spp.를 페렛종자에 도입해 페렛내에서의 생존기간, 파종후의 근권정착성, 생물학적방제효과등에 대해서 조사하고 있다. 사상균에서도 Talaromyces flavus나 Gliocladium virens에서 알긴산염과 점토광물의 혼합물로 캡슐화해서 양호한 결과를 얻었다.
(2) 다른 기술과의 병용효과
앞서 말한 바와 같이, 생물학적방제법에는 몇가지 결점이 있지만, 그것을 보완하기 위해서 다른 농업기술과의 조합에 의해 그 효과를 높이려는 시험이 있다. 농약과의 조합에 의해 ①양자의 누적효과, ②농약경감, ③내성균출현방지, ④길항균정착성증가등의 유익성이 기대된다. T. viride나 T. harzianum을 순치배양이나 UV조사에 의해 베노밀내성의 돌연변이주를 작성하고, 베노밀과의 병용에 의해 국화위조병 방제효과를 높인 시험 사례가 있다. 베노밀내성균은 생육속도나 셀룰라제활성 등이 높고, 친주보다도 근권착생능력이 높은 것이 분명하게 밝혀졌다. 태양열처리의 효과는 종자의 생물학적방제에 따른다고 생각되고 있다.
P. fluorescens는 양열처리에 의해 미생물상이 단순화한 토양에 재배한 근권에서 매우 빠르게 증식해서, 길항미생물로 활동한다. 이처럼, 훈증이나 햇빛열처리에 의해 미생물상이 단순화한 토양에 길항미생물을 도입함에 따라 정착을 촉진해서, 효과를 높이는 것이 가능하다. 강남콩근부병의 박테리제이션에 의한 방제효과를 요소와 병용하거나, 또 감자 더덩이병의 방제효과를 관수나 페로산드에 의한 토양 pH저하와 조합하여 방제효과를 높이는 시험도 있다.
마치며
길항미생물은 병원균이나 유해세균등과 함께, 원래 토양이나 근권의 생태계를 구성하는 일원이어서, 그들의 균형에 의해 작물의 생육에 좋게도 나쁘게도 작용할 가능성을 갖고 있다. 적절한 윤작이나 포장관리에 의해 작물은 건전하게 생육하지만, 현대농업에서는 연작이나 단기윤작 등이 여의치 않게 되어 병원균의 격증이나, 유해세균의 증가등에 의해 연작장해가 일어난다. 연작장해의 주요요인인 토양병해를 극복해서, 작물의 안정생산을 꾀하기 위해 저항성품종이용, 윤작, 경종적수법, 약제방제 등의 여러가지 대책이 강구되고 있다. 그 중에서 실용적 방제수단으로서 길항미생물에 의한 생물학적방제법을 이용할 수 있다. 이러한 토양생태계 내에서 좋거나 나쁜 미생물균형의 원리를 이해하고 그것을 조절하는 수법을 개발하는 것이 이 분야의 과제라고 생각한다.