Biological control agents in plant disease control

1. Biological control agents in plant disease control 한혜수

2. 생물적 방제 작용 기작 • Includecompetition • Antibiosis • Parasitism • Induced resistance • Plant-growth promotion • Hypovirulence

3. 공간과 영양소의 경쟁 • 생태학적으로 영양이나 서식조건이 병원균과 유사한 비병원성균을 이용하여 병원균과의 영양경쟁을 통한 병원균의 밀도를 줄여 병을 방제하거나 식물체 뿌리나 잎에 비병원성균이 선점하여 침입하기 위한 병원균의 성립을 저지하여 병을 방제 • 병원균의 분생포자 억제에 의한 공간과 영양소의 경쟁 - 우점한 잎조직 괴저를 일으키는 균인 Botrytis cinerea을 Ulocladium atrum 로 방제(kesselet al., 2005) • 감염된 공간, 양분, 뿌리안에서 의한 경쟁 - 토마토의 fusarium oxysporum에서의 병원성과 비병원성의 경쟁(Olivain &Alabouvette, 1999, Bolwerk et al., 2005; Olivain et al., 2006) - 비병원성의Rhizoctonia와 병원성이 있는 Rhizoctonia solani사이에서의 경쟁(Herr, 1995) • 물질대사 유기화합물과 관계 - 미생물의성장을 제한하는 요소인 높은 산성 토양의 생물학적 이용가능성이 낮은 철을 포함하고있는 토양과 근권에서의 경쟁 → siderophores : 높은 농도의 ferric iron 생성 → 병원균의 이용 가능한 iron 공급 제한(Loper&Hendels, 1999) → 병원균의 증식 억제

4. 항생물질의 생산 • 길항미생물이 생성하는 항균성 물질(antibiotics)이나 독성물질에 의한 병원균의 파괴, 용해, 변질 등을 일으켜 병원균을 죽이거나 생육을 억제시켜 방제 • Pseudomonasspp. - amphisin, 2,4-diacetylphloroglucinol, hydrogen cyanide, oomycin A, phenazine, pyoluteorin, pyrrolnitrin, tensin, tropolone, cyclic lipopolysaccharides • Bacillus, Streptomyces, Stenotrophomonas spp. - gramicidin S, oligomycin A, kanosamine, iturin, zwittermycin A, xanthobaccin • Gene clusters 에 대한 bacteria가 분비하는 항생물질에 대해서 밝혀졌고 생물적 방제에 많이 이용되고 있다. - pseudomonas fluorescens PF-5(Paulwen et al.,2005; Loper at al.,2007) • 곰팡이는 박테리아보다 복잡한 구조 때문에 많이 알려지지 않았다. - pseudozyma flocculosa에 의해 생산되는 flocculosin ( Cheng et al.,2003) - Trichoderma spp.에 의해 생산되는 gliotoxin과 peptaibols ( Wilhite et al.,1994; Wiest et al.,2002)

5. 기생과 체외분비세포용해효소의 생산 • 세포벽의 용해를 촉진시킴으로써 세포벽이 파괴 • Chitnases, proteases, β-1,3-glucanases - chitnases, proteases : GacA/GacS, GrrA/GrrS(Sacherer et al., 1994; Corbell&loper, 1995; Ovadis et al.,2004) → siderophores, antibiotics 와 유사한 시스템 • Fungal plant pathogens 또는 mycoparasitism의 parasitism은 균사와 균사의 interactions을 통해 interlinked된다. - Trichoderma spp. - including : sensing, directed growth, contact and binding, appressoria of production, penetration, degradation

6. 유도저항성 • 생물또는 비생물적인 병원체에 의한 활성화 된 물리적 또는 화학적 방어벽 기주식물에로 인하여 저항을 나타내는 것을 유도 저항성이라고 한다. (Kloepper et al.,1992) • 유도저항성(ISR)은 식물근권세균의 처리에 의하여 저항성이 유도되는 것으로 lasmonic acid(JA)나 ethylene이 신호물질의 역할을 한다. • 획득저항성(SAR)은 화학물질이나 비병원성균의 처리에 의하여 저항성이 유도되는것으로 salicylic acd(SA)가 전달물질로의 역할을하고, 저항성 산물로 감염 특이적 단백질(PR-protein)이 생성되는경우를 말한다. • 병 저항성이 가동되게 되면 식물체내의 항균성 Chitinase, β-1,3-glucanase, β-1,4-glucosidase 등 병저항성에 관련된 protein과 phytoalexine이 증가하게 되어 식물체는 차후의 병원균 침입으로부터 자신을 보호할 수 있게 된다. • 저항성 유도 물질 - bacteria : lipopolsaccharides(LPS), siderophores, flagella or the protein subunit flagellin, bacterial volatiles, salicylate, the cyclic peptide syringilin, antibiotics - fungi : Trichoderma spp. → 22kDa xylanase, 18KDa serine proteinase

7. 식물생장 촉진 • 식물생장촉진근권세균(PGPR)은 식물근권에서 다양한 기작에 의해서 식물의 생장을 촉진하며 Bacillus 속과 Pseudomonas속 등이 PGPR 미생물로 알려져 있다. → 질소고정, 인산의 가용화, mycorrhizal과 rhizobia function의 증진, 뿌리의 에틸렌 생성의 조절, phytohormanes의 release, 중금속 독성의 감소 • 식물생장촉진균은 Trichoderma spp.가 가장 잘 알려져 있다. → 미량 영양소와 인산의 가용화, 질소 사용의 효율을 높임 저병원성 • 저병원성 균주 내에는 병원성 균주의 병원성을 약화시키는 겹가닥 RNA(dsRNA)가 존재하고 이들 dsRNA는 균사융합을 통해서 저병원성 균주로 이동됨으로써 병원성 균주가 저병원성으로 변환되고 병의 진전이 지연되거나 정지하게 된다. • Cryphonectria parasitica에 저병원성을 이용하여 밤나무 줄기마름병을 방제(Dawe & Nuss, 2001)

8. 생산, 제제화 및 적용 • 성공적인 생산 목표와 비용 효과(Burges, 1998;Hall&Menn,1999) • 생육가능한 번식체의 많은 양의 생산을 목표 • 대규모 액제발효 → fungal biomass생산물을 이용한 고체상태 발효 • 저장능력, 분포성, 적응성이 포함되어 있어야 한다. • 미생물 제제는 오염없이 계속적인 사용이 가능해야 한다. → 안전한 효능 • 미생물 제제는 수분이 낮은 상태에서 저장.(안정화) → Seed priming, solid matrix priming • 호기성 미생물을 포함한 생물학적 제제를 적용 분산시키기 위해서 곤충을 활용 → honey, bumble bees : Botrytis cinerea와 Erwinia amylovora에의한 grey mould와부란병을 방제(Peng et al., 1992; Thomson et al., 1992; Yu&Sutton, 1997)

9. 사용되어지고있는 제품? • 미생물 살균제는 곰팡이, 세균, 바이러스를 이용한 제품으로 크게 나뉘며 처리방법에 따라서는 토양처리제, 종자처리제, 엽면 살포제 및 수확 후 처리제 등으로 나눌 수 있다. (표 3.1-3.3) - 50 bacterial products - 50 fungal products - single viral product

10. Soil and root microbiomes - bacterial products • bacillus subtilis - bacillussubtlis GB03 - Bayer CropScience LP(USA) - control : Alternaria, Aspergillus, Fusarium, Rhizoctonia spp. - 콩과 작물의 근류착생으로 질소고정을하는 bacteria. • Streptomyces griseoviridis - Streptomyces griseoviridis K61 - 씨와 토양전염성병에 의한 뿌리썩음병 방제 - 뿌리에 colonises 형성, 병원성이 없음, 항생물질 생산, 식물생장 촉진과 유사한 대사산물 생산

11. Soil and root microbiomes – Fungal products • Coniothyrium minitans - Sclerotinia sclerotiorum, Sclerotinia minor의 sclerotia에 기생하는 곰팡이? - Contans from Prophyta (독일) - KONI from Bioved (헝가리) → 토양에서 작물에 기생하면서 sclerotia저하를 촉진 • Trichoderma harzianum - 여러 제형은 여러 품종에 사용됨 - 하나의 분리 균주 : KRL-AG2(T-22) - Cylindrocarpon, Fusarium, Pythium, Rhizoctonia, Thielaviopsis에의한 식물병으로 부터 보호 - 뿌리의 발육, 생장등 뿌리의 시스템을 더 건강하게 해주는 식물 뿌리 보호제 및 뿌리 발근 촉진제

12. Aerial microbiomes -Bacterial products • Bacillus subtilis - QST713 : leafspots, anthracnose, damping-off, root rots, botrytis, powdery mildews 병 방제 - Serenade (Serenade MAX, Serenade ASO) ,Rhapsody - QST713의 작용기작 : 항생작용, 경쟁, 기생, SAR의 유도 Aerial microbiomes - Fungal products • Ampelomycesquisqualis - AQ10 : 1995년 처음으로 포도나무 흰가루병 방제제로 사용(Kiss et al., 2004) - Add-Q(습윤제) : 과일, 채소, 관상용의 흰가루 병 방제에 사용 - 현재 곰팡이 제거제 사용 제한으로 인해 AQ10의 사용을 권장함

13. Phlebiopsis(Peniophora) gigantea - Heterobasidion annosum에 의한 침엽수 뿌리와 밑동 썩음의 생물적 방제로 사용되고 있음 - PG Suspension(Omex Environmental Ltd.) - PG IBL(Biofood s.c.) - Rotstop(Verdera Oy) • Ulocladium oudemansii - BOTRY-zen : New Zealand에서 등록되어 사용되는 생물적 방제제 - 1997년 뉴질랜드 포도밭에서 Botrytis cinerea의 방제로 사용됨 - kiwifruit의 Sclerotinia sclerotiorum의 방제에도 사용됨

14. Post-harvest microbiomes - Bacterial products • Pseudomonas syringae - Jet Harvest Solutions(USA) Bio-Save 10 LP, Bio-Save 11 LP → containingstrains ESC-10, ESC-11 - Bio-Save 10 LP : blue and green mold(citrus fruits, cherries), pome fruits, potatoes - Bio-Save 11 LP : R. stolonifer에 의해 일어나는 고구마 저장성 부패병에 이용 Post-harvest microbiomes - Fungal products • Aureobasidium pullulans - BoniProtect Botrytis cinerea, Penicillium expansum 에 의해 일어나는 grey and blue mould를포함한 저장성 썩음병 방제에 이용됨 - BoniProtect forte Monilinia spp. B.cinerea에 의해 일어나는 stone fruit와 strawberries의 병의 수확전 방제제로 이용

15. Post-harvest microbiomes - Fungal products • Candida oleophila - Penicillium digitatum, P. italicum 에 의한 감귤류와 사과 방제제로 사용 - Geitrichumcandidum에 의한 sour rot 방제제로 사용 • Metschnikowia fruticola - 감귤류의 P. digitatum, P. italicum, 배와 장과류의 P. expansum, 포도와딸기의 B. cinerea, Rhizopus stolonifer에 의해 일어나는 썩음병의 방제

16. 상업화에 영향을 주는 효과와 제약 • 화학 농약처럼 확실하고 정확한 효과가 나타나지 않고 재현성이 낮다. • 살아있는 생물을 이용하기 때문에 제형화가 어렵다. • 방제대상의 선택성이 좁고, 제한적이다. • 생물적 방제의 안정성 검정에 많은 시간과 비용이 들어간다. → 낮은 비용, 높은 효과, 저장성, 안전성

17. 앞으로의 연구 방향 및 결론 • BCAs 가 실제적으로 활용되기 위해서 많은 연구가 필요하다. - 발현유전자꼬리표(ESTs)의 분석 - 곰팡이의 기주에 세포벽이 존재할때 유전자의 다른 발현 또는 기생균이 있을때의 유전자의 다른 시스템의 증명 → 미생물의 생물학적방제에 대하여 병의 억제의 새로운 방법을 허락하여야 한다.(Molina et al.,2003; Uroz et al.,2003; Dong et al.,2004; Lutz et al.,2004; Pierson&poerson,2007) • 생물적방제에 관여하는 유전자를 찾아내어 발현을 높이는 것을 가능하게 해준다. → 유전자 조작은 엄격한 규제안에서 연구되어야 한다. • 자연생태학 적으로 합리적인 접근방식을 사용할수 있도록 해야한다.(Whipps, 1997b) • 병원균도 끊임없이 변화하는 생물이므로 병원균에 대한 계속적 모니터링 및 식물과의 상호반응에 대한 연구가 계속적으로 이루어져야 한다.