0051-01-0021-0003-5.pdf426.0KB

서 언

 국화는 세계 3대 절화류 작물 중의 하나이며, 우리나라에서도 전체 절화류 생산액 중 2011년 기준으로 약 25%를 차지하고 있는 대표적 화훼 작물이다(Ministry Food Agriculture Forestry and Fisheries 2011). 국화가 화훼작물 중에 큰 비중을 차지하고 있지만 생산과 품질에 걸림돌이 되고 있는 것은 국화 흰녹병이다. 일단 발병이 되면 심한 경우에는 수확을 포기하는 사태도 발생한다. 또한 국화는 국가간 수출입이 많은 화훼작물이기에 국가간 병 전파도 쉬워 국제적으로 식물 검역대상 병원균으로 규정하고 있다. 국화 흰녹병은 1895년 일본에서 처음으로 발견된(Hennings 1901; Hiratsuka 1957) 이후 중국과 남아프리카로 전파되었다는 보고가 있다(Priest 1995). 1963년 이후에는 영국을 포함한 유럽 여러 국가에서 발견되었으며(Baker 1967), 국화를 재배하는 모든 국가에서 발생하고 있다(EPPO 2004; Whipps 1993). 국가별 발병 현황을 살펴보면 EU가 네덜란드와 영국 등 27개 국가에서 발생하였으며, 아프리카는 모로코 등 3개국, 아메리카는 브라질, 콜롬바아, 미국과 캐나다 등 10개 국가에서, 아시아에서는 한국과 일본을 포함하여 16개 국가에서, 오세아니아 2개국, 그리고 EU 이외 유럽국가에서는 크로아티아 등 9개 국가에서 발생하였는데 현재 국가간 엄격한 이동 규정에도 불구하고 지속적으로 발생되고 있다(EFSA 2013). 우리나라에서는 현재까지 종합적 발생 및 피해 상황에 대한 정확한 통계 수치는 집계되어 있지 않지만, 전국적으로 국화 재배지에서 매년 발생하고 있다. 특히 비닐하우스 위주의 재배방법을 채택하고 있는 우리나라의 경우는 일교차가 큰 봄, 가을에 주로 많이 발생하여 상품성 저하로 인한 경제적 손실을 주고 있다. 본 논문에서는 흰녹병균의 생활사와 생태, 효과적 약제 방제를 위해 병원균의 DNA 정보를 이용한 조기진단과 흰녹병균 병저항성 품종육성에 기반이 되는 병원균의 병원형 등에 관해 현재까지의 연구결과들을 정리하였다.

국화 흰녹병균 생활사와 생태

 국화 흰녹병균은 담자균에 속하는 곰팡이병으로 살아있는 식물체에만 기생하는 순활물기생균이다. 잎에서 병반 진전 형상은 초기 잎의 앞면에서 옅은 녹색을 나타내다가 노란색 황화 반점으로 변색된다. 잎의 뒷면에서는 돌기가 형성되고 후기에는 잎의 앞면이 함몰되는 현상이 일어난다. 흰녹병균은 10여종 이상의 국화종(chrysanthemum species)에 침입할 수 있는 기주범위를 가지며, 동일 국화종 내에서는 절화형, 분화형, 가든형을 구분하지 않고 침입이 가능하다(Hiratsuka 1957; Punithalingam 1968). 흰녹병균은 동일 기주식물에서 생활사(life cycle)를 완성하며 동포자(teliospore)와 담자포자(basidiospore) 두 포자세대를 거치는 녹병균으로 알려져 있다(Kapooria and Zadoks 1973). 동포자는 90% 이상의 습도와 4~23℃ 발아하여 잠복기 없이 담자기(promycelium)를 형성하고 담자기가 발아하여 담자포자를 만들게 된다(Firman and Martin 1968). 담자포자 형성을 위해 De Backer(2012) 등의 방법을 조금 변형하여 수행하였는데 페트리디쉬 뚜껑에 이병엽을 고정하고 스프레이로 연무와 같이 물을 뿌려 습도를 유지하면서 바로 아래에 현미경 관찰용 슬라이드글라스를 두었다. 20℃, 암 상태에서 24시간 지난 후에 400X 배율의 광학현미경으로 관찰한 결과 동포자에서 발아한 담자포자를 확인할 수 있었다(Fig. 1A). 동포자와 담자포자가 발아하는데 있어 광의 필요성은 학자에 따라서 의견을 달리하고 있는데 Firman and Martin(1968)은 광이 동포자 발아에 영향을 주지 않는다고 하였고, Yamada(1956)는 동포자 발아에는 광이 부정적 영향을 주지만 담자포자 발아에는 영향을 주지 않는다고 하였다. 병원균의 이동은 발아된 담자포자가 물튀김과 비산에 의해 전파되는데 바람에 의한 담자포자의 이동은 700 미터까지 가능하다고한다(Zandvoort et al. 1968). 성공적인 병원균 담자포자 이동의 선결조건은 담자포자 발아인데 발아에는 상대습도 90% 이상의 충분한 수분이 필요하지만, 상대습도 80%에서는 5분 후, 90%에서는 1시간 후에 발아력을 상실하게 된다(Firman and Martin 1968). 스프레이로 연무와 같이 물을 뿌려 수분이 유지된 잎의 앞뒤 표면에 담자포자가 부착하게 되면 4~24℃ 온도조건하에서 2시간 내에 잎조직을 침투하는 것이 가능하다. 포자형성과 새로운 잎조직에 병감염은 5시간 이내에 충분히 완료할 수 있다고 한다. 첫번째 병징을 가시적으로 관찰할 수 있는 것은 접종 후 7~10일이며, 돌기(pustle) 형성은 11~17일이면 관찰이 가능하다(Firman and Martin 1968; Zandvoort et al. 1968). 이러한 병 발병에 요구되는 조건들을 근간으로 하여 식물생육상을 이용 발병 실험을 본 실험실에서 수행하였는데, 발병을 위한 식물생육상의 환경조건은 암 조건과 상대습도 92%, 20℃ 온도에서 일주간 감염시키고 이후에는 16시간 광을 주었다. 최초 병반 형성은 접종 후 2주일 전후로 육안 관찰되었으며, 4주가 경과되면 성숙한 돌기를 형성하였다(Fig. 1B). 동포자 당 평균 2개의 담자포자가 만들어 지고 담자포자당 두 개의 반수체가 만들어지고 담자포자는 균사체-동포자-담자기 과정을 거치면서 한 주기를 완성한다. 체세포 분열은 담자기 세포에서 일어나고 격막이 만들어지면서 두 개의 핵으로 분리된다(Kapooria and Zadoks 1973).

Fig. 1. Formation of basidiospores (A) under optical microscope (400X) and symptoms (B) of Puccinia horiana on leaves after days post inoculation (DPI).

Table 1. Summary of ecological characteristics and molecular detection in Puccinia horiana.

 병원균의 월동은 동포자 형태로 이루어지지만, 동포자 그 자체는 식물체를 침해하지 못한다. 시설재배지에서 흰녹병이 발병되면 이듬해에 발생을 최대한 억제해야 하는데 이를 위해서는 월동기 중 폐기된 이병주의 병원균 포자 생존력에 대한 정확한 지식이 필요하다. 습도에 대한 동포자의 생존력은 연구자에 따라 생존의 기간에 의견차이는 있지만 식물체로부터 분리되어 잎에 부착된 동포자는 습도가 높을 때 생존력이 대체적으로 떨어진다고 한다. Firman and Martin(1968)은 온실조건 온도와 상대습도 50％에서 56일 동안 생존이 가능한 반면 습도가 올라가면 생존력 약화된다고 하였다. Yamada et al.(1956) 등은 상대습도 79％ 이상에서 10일을 견딜 수 없고, 상대습도 32％에서는 30일간 생존이 가능하다고 하였다. 온도와 동포자의 생존력에 관해 Dordevic et al.(1988) 등은 0℃~28℃ 온도조건하에서 14개월까지는 동포자의 발아가 가능하였지만, 14개월 이후에는 발아는 되지만 담자기의 형태가 비정상적이었으며, 담자포자도 형성하지 않은 것을 관찰하였다. 최근 미국 펜실베니아 지역의 환경조건에서 가든형 국화에서도 병원균이 월동한 다는 연구결과를 발표한 바 있다(O’Keefe 2012).

국화 흰녹병균 조기진단

 국화 흰녹병에 대한 육안 관찰은 위에서 언급된 바와 같이 병균 감염 후 7~9일 후 확인할 수 있으며, 대부분 잎조직에서 병반을 확인할 수 있다. 국화 흰녹병은 일단 식물체에서 병반이 육안으로 관찰되면 농약을 처리해도 방제가 어렵다. 따라서 흰녹병 전파와 병에 의한 손실을 최소화하기 위해서는 병반이 육안으로 확인되기 이전 즉 감염 후 7일 이전에 감염사실을 알 수 있다면 흰녹병 방제가 매우 효과적이기 때문에 조기진단에 대한 연구가 활발히 진행중에 있다.

 Pedley et al.(2009) 등은 국화 흰녹병균 rDNA의 ITSI~ITSII 영역 중 흰녹병균만을 특이하게 PCR로 증폭할 수 있는 프라이머를 선발하여 흰녹병균 존재여부를 확인하는 방법을 개발하였다. 일반적 PCR 방법으로는 육안으로 병징이 확인된 식물체로부터 분리된 DNA 1ng까지, real time PCR 방법을 이용하였을 경우 1pg까지 병원균 rDNA를 확인할 수 있다. 또한 효과적 방제를 위해 육안으로 병반을 확인하기 이전 감염 후 7일 이전에 병 감염 유무를 확인하는 것이 중요한데 real time PCR 방법을 이용하였을 경우 감염 후 3일째 되는 시료로부터 병원균 rDNA를 확인하였다. Alaei et al.(2009) 등은 좀더 진전된 결과를 발표하였는데 그들이 개발한 rDNA 영역의 국화 흰녹병균 특이 프라이머를 이용하여 감염된 식물체 genomic DNA 10pg으로부터 재현성 있게 흰녹병균의 rDNA를 검출하였으며, 특히 real time PCR 방법을 이용할 경우 흰녹병균 rDNA 검출 한계 농도는 genomic DNA 10pg이었다. 또한 병원균의 식물체 접종 시점에서 병반이 나타나기 시작하는 시점까지 병원균의 DNA는 약 500배 증가하기에 병원균 감염 후 병징이 나타나기 전까지의 기간 동안 검출 가능한 식물체에 존재하는 병원균의 혼합비율은 0.001~0.5%인 것으로 확인하였다(Alaei et al. 2009). 더욱 흥미로운 것은 순수한 담자포자를 분리한 후 포자개수의 검출 한계를 측정한 결과 최소 8개 포자가 존재해도 검출이 가능한 것으로 확인하였다. 국화식물체 감염은 담자포자만이 할 수 있는데 현재까지는 이를 대량으로 수집하는 기술이 없어 다른 곰팡이 병원균 같이 인공적으로 스프레이 방법으로 병균을 접종하는 것이 어려운 실정이다. 따라서 포자를 셀 수 있는 실시간 PCR 방법을 이용한다면 식물체 병징을 나타낼 수 있는 최소 담자포자 개수를 결정할 수 있을 것이며, 이러한 연구결과는 국화 흰녹병균 방제를 위한 농약 살포의 가장 최적의 시기 결정하는데 기초자료로 활용 가능하리라 사료된다.

국화 흰녹병균 병원형과 병저항성 품종개발

 국화 흰녹병은 국화를 재배하는 모든 국가에서 발생하고 있으며, 이를 차단하기 위해 살균제 처리, 국화 흰녹병 저항성 품종 개발과 흰녹병 감염 및 증식을 억제하는 환경을 조성함으로써 상당한 방제효과를 얻고 있다. 하지만 다음 두 가지 사항을 고려한다면 향후 좀더 효과적 병 방제 방법 개발이 가능할 수 있을 것이다. 첫째는 외부로부터 유입된 감염성 병원균이 기존의 병원균과 결합함으로 현재까지 알려진 병저항성 기주식물을 침해하는 새로운 병원균의 출현이며, 둘째로 현재 사용되고 있는 살균제에 대한 저항성을 나타내는 병원균 출현이다. 살균제 저항성 병원균 출현은 여러 국가에서 다양한 종류의 살균제에 대해 발생한 사례가 있다. Abiko et al(1975) 등은 일반적으로 사용되고 있는 살균제 oxycarboxin에 대해 저항성을 가지는 흰녹병균 균주를 보고하였으며, Iijima(1976)은 일본 도쿄 지역의 재배포장에서 동일 살균제에 저항성을 갖는 균주를 확인하였다. 또한 De Backer et al.(2012)은 개별 살균제에 대한 저항성을 갖은 병원균의 출현 뿐만 아니라 다수의 살균제를 혼합한 살균제에 대해서도 저항성을 갖는 병원균의 출현을 보고한 바 있다. 이러한 경향은 앞으로도 지속적으로 일어날 가능성이 매우 높다. 또한 세계 여러 나라의 살균제 사용 규제는 앞으로 더욱더 엄격해질 것으로 예측되며, 재배농가에서는 밤낮의 온도 차이에 의해 발생하는 온실내 습기를 제거하기 위해 가온을 해야 하는 경제적 부담 등을 고려할 때 가장 효과적인 해결책 중의 한가지 방법이 병저항성 품종 개발이라 하겠다.

 현재 시장에서 판매되고 있는 많은 품종 중에서 10~20％ 정도가 저항성을 가지고 있는 것으로 파악되고 있다(EFSA, in press). 품종개발의 첫번째 시도는 단일 병원형(pathotype) 병원균에 대한 병저항성 품종 개발에서 시작되었는데 이는 대상 병원균이 매우 제한적이기에 포장에서 품종으로 이용하기에는 어려움이 있다(De Jong and Rademaker 1986; Rademaker and De Jong 1987). 복수의 연구자들은 세계 각 지역에서 수집된 병원균들에 대해 여러 가지 품종에 접종한 결과 병원균과 품종간에 병원성의 차이가 있음을 확인하였고(Velasco et al. 2007; Yamaguchi 1981) 최근에는 22개 병원균과 36품종에 대한 병원성 검정으로 최소 7개의 비병원성 유전자와 7개의 병저항성 유전자의 존재 가능성을 발표하였다(De Backer et al. 2012). 따라서, 세계 육종전문가들은 현재 이러한 병저항성 유전자 정보를 활용하여 모든 병원형 병원균에 대한 광역 병저항성 품종 개발을 위해 교배 육종을 시도 중에 있지만, 저항성 유전자의 불완전한 유전과 원치 않은 농업형질의 동시 유전으로 현재까지는 품종화 되지는 않고 있는 실정이다(Douzono and Ikeda 1998; Furuta et al. 2004). 앞으로 병원균의 식물체 침입기작 규명, 식물체 병저항성 기작 및 병저항성 물질의 분자생물학적, 생화학적 특성 규명 등의 기반 연구가 활성화된다면 여러가지 병원형 병원균에 대해 병저항성을 갖는 품종 육성 개발 시기를 앞당길 수 있으리라 여겨진다.

사 사

 본 연구는 2013년도 농촌진흥청 국립농업과학원 농업기초연구사업(과제번호: PJ009405)의 지원으로 수행되었으며, 연구개발비 지원에 감사드립니다.