Understanding of symbiotic rhizosphere microbial community and discovery of growth-promoting microbial consortia for agricultural productivity enhancement
저자
발행사항
서울 : 중앙대학교 대학원, 2018
학위논문사항
학위논문(석사)-- 중앙대학교 대학원 : 시스템생명공학과 시스템생명공학전공 2018. 2
발행연도
2018
작성언어
영어
발행국(도시)
서울
기타서명
식물의 유기물 분비에 따른 근권 미생물 커뮤니티 분석 및 유용 공생미생물 자원 발굴
형태사항
viii, 50장 : 삽화(일부천연색) ; 26 cm
일반주기명
중앙대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다
지도교수: 설우준
참고문헌수록
DOI식별코드
소장기관
근권 미생물과 식물의 상호작용은 식물의 건강과 발달에 기여하며 당, 유기산, 아미노산 등의 뿌리 삼출물에 의해 이루어진다. 뿌리 삼출물은 소포에 둘러싸여 근권으로 분비되며 vesicle-associated membrane protein (VAMP)가 이 작용에 관여한다. 애기장대에서는 VAMP721과 VAMP722 (VAMP721/722)가 소포 형성과 세포외배출 작용을 한다. VAMP721/722에 의해 분비되는 삼출물은 미생물과 식물의 커뮤니케이션에 이용된다. Plant-growth promoting bacteria (PGPB)는 애기장대와 상호작용하여 영양분 흡수와 비생물학적 스트레스 저항성을 촉진한다. PGPB는 또한 토양 내에 질소 자원을 보존하는 dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) 작용을 유도하기도 한다. 본 연구에서는 다른 분비 능력을 가지는 애기장대의 타입 (야생형, vamp721/722 돌연변이체)에 따른 근권 생태계의 차이를 분석하고 애기장대의 비생물학적 스트레스 저항과 DNRA 유도하는 유용 미생물 후보 균주를 발굴하였다.
Amplicon 기반 분석과 메타유전체 분석으로 근권 생태의 차이를 확인하였다. 야생형 애기장대 근권에서는 Flavobacterium, Nitrospira, Gemmata 미생물이 많이 존재하였으며, vamp 돌연변이체 근권에서는 Lactobacillus와 Rhodoplanes가 많이 존재하였다. 메타유전체 분석으로도 야생형 근권과 vamp 돌연변이체 근권 사이에서 gene function이 달랐다. vamp 돌연변이체 근권에서 환경 변화에 적응과 관련 있는 유전자가 많이 발견된 반면, nutrient transporter와 carbon metabolism과 관련된 유전자는 야생형 애기장대 근권에서 많이 존재하였다. 애기장대는 Flavobacterium, Pseudomonas, Bacillus 종을 처리하였을 때 비생물학적 스트레스에 견딜 수 있었다. Flavobacterium이 공통적으로 관찰되었기 때문에, Flavobacterium을 타겟 미생물로 지정하였다. 이 타겟 미생물은 애기장대의 비생물학적 스트레스에 저항성에 기여할 수 있는지 확인하였고, genome은 DNRA 관련 유전자를 찾는 데 이용하였다. 총 14종의 Flavobacterium이 DNRA 관련 유전자 (nirD와 aniA)를 가지고 있었지만 3종의 Flavobacterium을 제외한 대부분은 애기장대의 비생물학적 스트레스 저항에 관여하지 않았다. 따라서 이 3종의 Flavobacterium을 식물 성장과 식물의 비생물학적 스트레스 저항, DNRA 작용 유도를 촉진하는 후보 균주로 제안한다.
Interactions between rhizospheric microbes and plants contribute to plant health and development mediated by root exudates which include sugars, organic acids, and amino acids. Root exudates are secreted into the rhizosphere, surrounded by vesicles, and vesicle-associated membrane proteins (VAMPs) are involved in this process. In Arabidopsis, VAMP721 and VAMP722 (VAMP721/722) serve to fuse vesicles and exocytosis. Secreted exudates by VAMP721/722 are used for the bacteria-plant communications. Plant-growth promoting bacteria (PGPB) interact with Arabidopsis promoting nutrient uptake and resistant ability to abiotic stresses. PGPB can also induce dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) that conserves nitrogen source (N) within the soil. In this study, we (i) investigated the differences of rhizosphere ecosystems by Arabidopsis type (wild type, vamp721/722 mutants) which have different secretory levels, and (ii) discovered bacterial candidates that facilitate abiotic stress tolerance and enhancement of DNRA in Arabidopsis.
Different rhizosphere ecosystems were identified by amplicon-based and metagenome analyses. In the rhizosphere, the increased number of Flavobacterium, Nitrospira, and Gemmata were profiled in wild type Arabidopsis, while Lactobacillus and Rhodoplanes were enriched in vamp mutants. Metagenome analyses revealed distinct gene functions in between wild type and vamp mutant rhizospheres. We discovered enriched genes for the cellular adaptations to environmental changes in the rhizosphere of vamp mutants, while genes for nutrient transporters and carbon metabolism were related to the wild type. Arabidopsis could tolerate abiotic stresses when Flavobacterium, Pseudomonas, and Bacillus were sprayed around. Because Flavobacterium spp. were commonly observed from linear discriminant analysis and Arabidopsis’ abiotic stress tolerance experiment, we determined Flavobacterium as a targeted microbe. Targeted Flavobacterium spp. were used to profile which one contributes to abiotic stress tolerance in Arabidopsis. Flavobacterium genomes were also used for profiling of DNRA related genes. A total of 14 Flavobacterium carried DNRA related genes (nirD and aniA), but most of them were not involved in abiotic stress resistance in Arabidopsis except for 3 Flavobacterium, all identified as Flavobacterium sp. Therefore, we suggest that 3 Flavobacterium are the candidates that stimulate plant growth, help plants to resist abiotic stresses, and enhance DNRA.
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