서 론
메틸브로마이드 (methyl bromide)는 피훈증물에 깊이 침투하는 속효성 훈증제로서 해충, 잡초, 선충 등의 방제 에 광범위하게 사용되었다 (Bond and Monro 1984). 그러 나, 메틸브로마이드의 사용이 지구 온난화를 가속화시킬 수 있다는 가능성이 대두되었고, 1992년 몬트리올 의정서 에 의하여 지구 온난화 주요 원인 물질 class 1로 분류되었 다 (Ristaino and Thomas 1997). 따라서 상업 목적의 사용은 금지되었으나 예외조항으로 식물검역의 용도로만 제한적 으로 사용을 허용하고 있다 (Cox 2017;UNEP 2019).
메틸브로마이드는 식물검역에 있어 가장 주되게 사용되 는 훈증제이다. 점차적으로 메틸브로마이드 사용을 줄이기 위하여 포스핀, 에틸포메이트 등과 같은 메틸브로마이드 대체 훈증제의 개발 및 적용 중에 있으나 (Kim et al. 2019;Park et al. 2020), 대다수의 품목에 대한 검역 기준으로 사 용 중인 메틸브로마이드를 완전히 대체하기에는 더욱 많 은 연구가 필요한 실정이다. 메틸브로마이드는 과실 및 채 소류, 곡물류를 비롯한 번식이 가능한 묘목류에 이르기까 지 대다수의 항목 검역 소독에 사용하고 있으며, 대체제의 사용이 정착되기 전까지 사용이 불가피한 실정이다. 이와 더불어 메틸브로마이드 훈증 후 식물 약해가 빈번히 발생 하는 품목들도 다양하게 보고되고 있다. 특히, 포도, 만다린 그리고 묘목류 등에 있어서 메틸브로마이드 약해가 보고 되고 있으며 (Harman et al. 1990;Li et al. 2020), 이에 따른 경제적 손실이 발생하고 있으나 약해 기작 및 저감을 위한 연구는 부족한 실정이다.
이전 연구에서 메틸브로마이드에 의한 약해 기작 연구 를 위하여 모델식물인 애기장대 (Arabidopsis thaliana)를 이 용한 전사체 분석 (transcriptomic analysis)을 수행한 바 있 다 (Kim et al. 2021). 이를 통하여 메틸브로마이드는 식물 체에 활성산소 (reactive oxygen species, ROS)를 다량 발생 시키며 훈증 후 24시간이 지나도 세포 내 산화적 스트레 스가 지속되는 것을 확인하였다 (Kim et al. 2021). 세포 내 ROS의 과발생은 핵산, 단백질, 지질에 이르기까지 산화 적 스트레스를 주어 세포자연사 (apoptosis)에 이르게 한다 (Dauphinee et al. 2017).
세포 내에는 이를 방어하기 위한 효소 및 비효소적 방 어 기작이 존재한다. 그중에서 비효소적 방어수단 중 하나 인 glutathione (GSH)은 세 개의 아미노산 (Gln, Cys, Gly) 이 연결된 형태의 수용성이 높은 싸이올 (thiol) 물질로 대 부분의 식물조직에 분포하며 황산화 효과를 보이는 ROS scavenger 물질로 알려져 있다 (Hasanuzzaman et al. 2017;Kumar and Chattopadhyay 2018). GSH를 외부에서 추가로 공급하여 식물에 고온, 염 스트레스 등 비생물학적 스트레 스로부터 오는 산화적 스트레스에 대응하게 함으로써 약 해를 경감시키는 연구 결과가 다수 발표되었으며, GSH의 전구체인 N-acetyl-L-cysteine (NAC)을 이용한 사례도 있 다 ( Jahan et al. 2014;Ding et al. 2016;Zhou et al. 2018). 또한, 메틸브로마이드는 식물 생장 호르몬인 옥신 (auxin)의 분 배에 관여하는 다수의 수송체 유전자 발현이 일제히 저해 를 유발시키며 이로 인하여 옥신이 잎에서 뿌리로 이동되 지 못하고 잎에 지속적으로 축적되며 뿌리에는 옥신이 부 족한 현상을 유도함을 확인한 바 있다 (Kim et al. 2021). 옥 신은 뿌리 발달의 핵심 식물호르몬으로 앱시스산 (abscisic acid)의 합성에 영향을 끼치며, 두 호르몬의 항상성 균형은 생물학적/비생물학적 스트레스에 굉장히 중요한 역할을 한다 (Du et al. 2013). 옥신을 처리하여 건조스트레스로 인 한 약해를 경감한 사례도 보고되고 있다 (Shi et al. 2014).
본 연구에서는 메틸브로마이드 훈증제에 의해 식물에 발생하는 주요 약해 기작인 ROS 과발생과 옥신 불균형을 해결하는 것을 통하여 식물 약해를 경감할 수 있을지 실험 하고자 하였다. 모델식물 애기장대에 ROS scavenger 2종 (NAC, GSH)과 옥신을 단독 혹은 복합 전처리한 뒤, 메틸 브로마이드 훈증에 의한 약해 저감효과를 육안 및 유전자 발현 평가를 통해 분석하고 약해 저감 보조재로서 활용 가 능성을 평가하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 사용물질
메틸브로마이드는 영일엠비 (98.5%) 제품을 ㈜농협케 미컬 (Seongnam, Republic of Korea)에서 구입하여 사용 하였다. NAC와 GSH, Indole-3-acetic acid (IAA)는 Sigma- Aldrich (St Louis, MO, USA)로부터 구입하여 사용하였다.
2. 애기장대 및 성장 조건
애기장대는 Columbia (Col-0) 종자의 형태로 경북대학교 윤병욱 교수로부터 제공받아 사용하였다. 애기장대는 플라 스틱 화분 (7.5 cm×7.5 cm×7.5 cm)에 각기 다른 두 지점에 파종하였고 4°C에서 2일간 춘화처리 후, 23±1°C 및 상대 습도 60%에서 16 : 8 시간의 명암 주기로 재배하였다. 메틸 브로마이드 훈증을 위해서 3주간 자란 애기장대를 사용하 였으며, 훈증처리 후 식물 독성 평가기간 동안에도 동일한 환경 조건에서 유지되었다.
3. 훈증처리
메틸브로마이드 훈증처리는 농림축산검역본부 식물검역 기술센터에서 검역 기준에 따라 엄격하게 통제된 환경 아 래에서 수행되었다. 메틸브로마이드에 의한 약해 유도를 위 해 55 L 데시케이터를 사용하였으며, 3주차 애기장대에 메 틸브로마이드 30 및 40 mg L-1 농도를 처리하여 4시간 훈 증처리하였다. 대조군은 55 L 데시케이터에 동일하게 넣 은 뒤, 메틸브로마이드 훈증처리를 하지 않은 조건으로 설 정하였다. Concentration-time (CT) 계산을 위해 훈증 후 각각 0.5, 1, 2 및 4시간에 1 L Tedlar bag (SKC, Dorset, UK) 을 사용하여 가스를 샘플링하였다. 샘플링된 가스는 gas chromatography (Agilent GC 7890A, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)와 flame ionization detector (FID)를 이용하여 분석하였다. 검량선 작성을 위해 Tedlar bag에 1 L 의 air를 채우고 주입되어야 할 기체 용량만큼 air를 실린지 를 이용하여 뽑아내 준 뒤, 메틸브로마이드를 동량 주입하 여 농도구배하였다. CT값 계산은 기존 연구를 참조하여 아 래와 같은 Eq. 1을 사용하였다 (Bond and Monro 1984). CT 수식에서의 ‘C’는 분석된 훈증제 농도 (mg L-1)를 의미하며, ‘t’는 훈증 시간 (h), ‘i’는 측정한 순서를 의미한다.
4. 약해평가 및 물질처리
약해평가는 메틸브로마이드 훈증 후 21일동안 수행되었 다. 훈증 후 7일차까지는 잎의 상태를 평가하기 위하여 카 피스탠드를 이용하여 그룹별 대표사진을 촬영하였다. 주 경 길이 평가를 위해서 그룹별 20개체에 대하여 훈증처리 후 7일, 14일, 21일차에 주경의 시작점부터 끝점까지의 길 이를 측정하였다. 메틸브로마이드에 의한 약해를 저감하 기 위한 물질처리는 훈증처리 전 12시간째부터 총 3회 12 시간 간격으로, ROS scavenger 2종 (NAC, GSH)의 경우 1 mM로 (Ramirez et al. 2013;Xue et al. 2015), 식물 생장호르 몬인 IAA이 경우 1 μM로 농도 (Shi et al. 2014)로 포트당 20 mL 처리하여 약해 저감효과를 스크리닝하였다. 추가적으 로 GSH의 경우, 1, 2, 그리고 5 mM 농도로 위와 동일한 방 법으로 처리하여 약해 저감효과를 평가하였다.
5. RNA 추출 및 유전자 발현 분석
메틸브로마이드 훈증이 끝난 직후 애기장대를 개체별로 샘플링하여 드라이아이스를 이용하여 급속 냉동시켰다. 애 기장대의 경우 액체질소로 균질화해준 뒤, TRIzol reagent (Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA)를 이용 하여 제조사의 권장사항에 따라 total RNA를 추출하였다. Total RNA는 μDropTM Plate (Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA)을 이용하여 A260/280 비율 (1.8~2.0) 과 2% agarose gel에 전기영동하여 추출한 RNA의 상태를 확인하였다. Total RNA 5 μg을 Maxima First Strand cDNA Synthesis Kit with dsDNase를 사용하여 Complementary DNA (cDNA)를 합성하고 하였다. 유전자 발현 분석을 위하여 Luna Universal qPCR Master Mix (New England Biolabs, Ipswich, MA, USA) 및 QuantStudio 3 Real-Time PCR (Applied Biosystems, Foster City, CA)을 사용하여 quantitative reverse transcription PCR (qRT-PCR)을 수행하 였다. 유전자의 발현 수준은 beta-actin2 (ACT2) 유전자 발 현 수준으로 표준화하였으며, 2-ΔΔCt 방법을 이용하여 상대 정량하였다. qRT-qPCR 분석에 사용된 primer는 이전연구 에서 사용한 동일 primer를 사용하였다 (Kim et al. 2021). 또한, 결과는 SPSS 통계 프로그램을 사용하여 One-way ANOVA 및 Dunnett’s test 통계처리하였다.
결과 및 고찰
1. 메틸브로마이드 훈증에 의해 유도된 식물 약해 저감물질 스크리닝
애기장대를 이용한 메틸브로마이드 약해가 발생하는 농 도인 30, 40 mg L-1 농도에서 4시간 훈증처리 7일 후 약해 저감 후보 물질들의 효과를 육안평가한 결과는 다음과 같 다 (Fig. 1a). 옥신의 뿌리 내 결핍을 보완하는 효과를 확인 하기 위한 IAA 단독처리구의 경우, distilled water (DW) 처 리군과 비교했을 때 육안으로 차이가 없었으며, 14일째 주경 길이 비교에서도 유의한 차이를 보이지 않았다 (Fig. 1b). 반면, 메틸브로마이드에 의해 발생하는 활성산소 저 감을 위한 ROS scavenger인 NAC와 GSH 단독처리구에서 는 육안평가에서 눈에 띄는 감소효과가 나타났으며, 특히 GSH의 경우 훈증 후 7일차 가장 약해가 감소하였으며 이 는 주경 길이 평가에서도 확인되었다 (Fig. 1a, b). NAC와 GSH의 약해 저감효과는 IAA와 복합처리 시 오히려 감소 하는 것을 확인하였다. 메틸브로마이드에 의해 발생하는 뿌리에서의 옥신 농도 감소를 보완하기 위해 IAA를 전처 리하여 메틸브로마이드에 의한 약해를 저감하려 하였으나, 이는 오히려 잎에서의 옥신 농도의 증가를 유도한 것으로 추측된다. 옥신의 경우 식물체 내 농도에 따라 성장을 증진 시키는 식물호르몬이기도 하지만, 높은 농도로 존재할 경 우 에틸렌의 합성을 직접적으로 증진시켜 오히려 노화를 촉진하는 부작용을 일으킬 수 있다 (Burg and Burg 1966). 옥신을 약해 저감제로 이용하기 위해서는 처리농도 및 기 간에 따른 약해 저감효과 평가 실험이 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
메틸브로마이드에 의해 발생하는 약해에 대한 저감물 질의 효과를 추가적으로 평가하기 위해 유전자 발현 분석 을 수행하였다 (Fig. 2). 열 및 비생물학적 스트레스와 관련 된 유전자 전사 cascade의 주요 조절인자인 MBF1c의 경 우 (Suzuki et al. 2008), NAC와 GSH 단독처리구에서 메틸 브로마이드 처리 전에 이미 높게 발현하는 것을 확인할 수 있다 (Fig. 2a). 반면, IAA 단독처리군의 경우 메틸브로마이 드 처리 전에는 발현 차이가 확인되지 않았고 훈증 후 발현 이 4배 이상 증가한 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 2a). 세포 내 산화스트레스와 관련 있는 HSP70 유전자 발현에서는 GSH가 포함된 단독처리군 혹은 IAA+GSH 복합처리군 에서 메틸브로마이드 처리 전에도 유전자 발현이 증가하 는 것을 확인할 수 있다 (Fig. 2a). HSP70은 대표적인 Heat shock protein로서, 스트레스에 의해 손상된 단백질의 구 조를 회복 및 복구하는 데 관여한다고 알려져 있으며 복구 가 불가능할 경우 분해하여 제거되어 세포를 보호하는 역 할을 담당하다고 알려져 있다 (Kumar and Chattopadhyay 2018). 이러한 역할을 담당하는 HSP70 유전자의 GSH 처 리군에서의 발현 증가는 육안평가에서의 약해 저감효과와 깊이 연관이 있으며, 메틸브로마이드 처리 전 세포의 스트 레스에 방어 준비를 하는 역할을 하였다고 판단된다 (Figs. 1, 2).
반면, 세포자연사와 관련 있다고 알려진 BAG6 유전자의 경우 IAA와 ROS scavenger 2종의 복합처리 시 오히려 물 질별 단일처리구 및 컨트롤 대비 메틸브로마이드 훈증 시 높게 증가하는 것을 확인할 수 있다 (Fig. 2b). 이는 육안평 가에서 NAC와 GSH의 약해 저감효과가 IAA 복합처리 시 오히려 감소한 이유와 연관된 결과라고 판단된다 (Figs. 1, 2b). 그리고 옥신 수송체와 관련된 AUX1과 PIN7 유전자 발현의 경우, 처리한 모든 물질에 의해 메틸브로마이드 처 리 이전에 유전자 발현은 차이가 없었으며, 메틸브로마이 드 처리 시에도 일부 처리구를 제외한 대부분의 처리구에 서 통계적인 유의미한 차이를 보이지 않았다 (Fig. 2c). 이를 종합적으로 평가하였을 때, 메틸브로마이드에 의해 유도 되는 약해의 경우 세포 내 ROS에 의한 스트레스가 주요한 약해 원인으로 판단하였으며 이를 저감하기 위한 물질로 GSH의 가능성을 추가적으로 평가하고자 하였다.
2. GSH 농도에 따른 약해 저감효과 검증
메틸브로마이드에 의해 유도된 약해를 저감하는 효과 를 보인 GSH를 1, 2, 그리고 5 mM로 농도구배하여 전처 리한 뒤, 메틸브로마이드 40 mg L-1에서 4시간 훈증 후 14 일간 육안평가한 결과는 다음과 같다 (Fig. 3). 메틸브로마 이드 처리 1일 후, GSH 무처리구와 대비하여 육안으로는 큰 차이를 보이지 않았으나 7일 후부터 큰 차이를 보이기 시작하였다 (Fig. 3). 그리고 14일차에는 GSH 농도가 증가 함에 따라 약해가 저감되는 것을 확연하게 확인할 수 있 었다 (Fig. 3). GSH를 5 mM까지 고농도를 처리하였을 때 도 훈증을 하지 않은 무처리군에서는 모두 유의미한 약해 는 보이지 않았으며, 주경의 길이에서도 차이를 보이지 않 아 GSH에 의한 약해는 없다고 판단하였다 (Fig. 4a). 반면, 메틸브로마이드 처리한 그룹에서는 훈증 후 7일차 주경이 GSH 2, 5 mM 처리군에서는 자라기 시작하였고 14, 21일 차에는 통계적으로 유의미한 결과를 보였다 (Fig. 4c). 또한, 앞서 유전자 평가에서 유의미한 결과를 보였던 MBF1c와 HSP70 유전자 발현을 메틸브로마이드 처리 직후 분석한 결과 MBF1c의 유전자 발현은 메틸브로마이드 무처리 시 GSH 1 mM에서 가장 높고, 5 mM 처리군에서 낮은 유전자 발현을 보였다 (Fig. 5a). 이는 MBF1c의 경우 전사 cascade 의 상위 주요 조절인자이기 때문에 유전자 발현 분석을 하 는 시간대에 따라 차이를 보일 수 있으며 GSH 5 mM 처리 군의 경우 GSH의 농도가 높아 처리 초기 시간대에 MBF1c 의 유전자 발현이 최고치를 찍고 시간이 지난 후 본 실험을 하여 오히려 감소한 경향을 보이는 것으로 판단된다. 그리 고 HSP70 유전자 발현이 메틸브로마이드 무처리 시, GSH 5 mM 처리군에서 컨트롤 대비 20배 이상 발현이 증가하였 다 (Fig. 5b). 그리고 통계적으로 유의미하지는 않지만, GSH 5 mM 처리 후 메틸브로마이드 훈증 시 HSP70이 오히려 낮 은 유전자 발현을 보이는 것을 확인할 수 있다 (Fig. 5b). 이 를 통해 GSH 5 mM 처리 시 가장 높은 약해 저감효과를 보 였으며, 메틸브로마이드 훈증처리 전 GSH에 의해 유도된 HSP70 유전자 발현 증가를 통하여 메틸브로마이드에 의 한 산화적 스트레스에 사전에 방어 준비를 하는 역할을 하 여 약해가 저감되었다고 판단된다. 이는 고온, 염, 가뭄 스 트레스 등과 같은 비생물학적 스트레스로부터 오는 약해 를 경감시키기 위하여 GSH를 이용한 사례들과 유사하게 메틸브로마이드 훈증제로부터 유도된 약해 저감에도 적 용되는 결과로 사료된다 ( Jahan et al. 2014;Ding et al. 2016;Zhou et al. 2018).
적 요
본 연구는 식물검역 분야에서 주요하게 사용되고 있는 메틸브로마이드 훈증제로 인해 발생하는 약해를 저감하 기 위한 물질을 모델식물인 애기장대를 이용하여 스크리 닝하였다. 사전연구를 통하여 메틸브로마이드 훈증제의 식 물 독성 메커니즘으로 활성산소발생와 식물 성장 호르몬 인 옥신의 식물체 내 분배억제효과가 발생하는 것을 바탕 으로 하여, 약해 저감물질후보군으로 활성산소를 제거하 는 역할을 하는 ROS scavenger 2종 (NAC, GSH)과 옥신을 훈증제 처리 전 애기장대에 처리한 후 약해의 저감 정도를 육안평가와 더불어 관련 유전자의 발현을 확인하였다. 연 구 결과 메틸브로마이드에 의해 유도된 약해는 옥신보다 는 활성산소를 저감시키는 물질후보군들에서 약해 저감효 과가 나타났다. 이 중 GSH을 이용하여 농도구배하여 전처 리하였을 때, 5 mM GSH 전처리 후 메틸브로마이드 훈증 시 약해 저감효과가 두드러졌다. GSH 전처리 시 식물체 내 에 MBF1c와 HSP70 유전자 발현이 증가하는 것을 확인하 였으며, 이는 메틸브로마이드 훈증으로 유도되는 약해를 방어하는 역할을 담당하였을 것이라고 평가된다. 따라서, 식물검역 훈증제 메틸브로마이드에 의해 발생하는 약해를 저감하는 데 GSH의 사용가능성을 평가하였으며, 이를 기 반으로 다양한 식물체에 적용하여 수출입 시 약해로 인한 경제적 손실을 감소시킬 수 있기를 기대한다.