농촌진흥청, 토마토 풋마름병 감염 핵심인자 발견

- 균주 유전체 해독 후 상호 비교해… 진단마커 개발에 활용 기대 - 

□ 농촌진흥청(청장 김경규)은 토마토, 감자, 고추 등 가지과 작물에 심각한 피해를 주는 세균성 풋마름병균의 유전체를 분석하여 감염 핵심 인자를 발견하였다.

 ○ 세균성 풋마름병균에 감염된 작물은 식물체 전체가 말라죽어 농가에 피해가 크다. 또한 한번 풋마름병이 발병한 포장에서는 연작피해가 심해 다른 가지과 작물도 재배할 수 없고, 특히 토마토는 풋마름병에 매우 취약하다.

 ○ 이 병의 감염원인균인 풋마름병균은 작물과 품종에 따라 병원성과 감염 범위가 달라서 병원균의 특성 파악이 어려워 농약이 과다 사용될 여지가 있다. 

□ 연구팀은 우선 다양한 작물에 감염된 풋마름병균을 수집하고 주요 작물에 대한 병원성 검정을 통해 작물마다 특이점이 있는 균주 집단을 선별했다.

 ○ 집단별 대표 균주들의 유전체를 해독하고 이들 유전체 정보를 상호 비교 분석하여 ripS3 (Ralstonia-injected protein S3)가 토마토 감염 균주들에 특이적으로 존재하는 것을 발견했다.

 ○ 이 유전자에 의해 발현된 단백질 RipS3는 효과(effector) 단백질 중 하나로, 토마토 식물세포에 직접 작용할 것으로 예측된다. 일반적으로 병원균의 효과단백질은 주요한 병원성 인자로서 기주식물의 정상시스템을 방해하여 병을 일으키는 것으로 알려져 있다. 

 ○ 이번 연구로 ripS3 유전자가 토마토감염 풋마름병균에 특이적으로 존재하는 것으로 밝혀져 향후 진단 마커 개발 등에 활용이 가능하다.

□ 농촌진흥청은 이 연구 결과를 올해 3월 국제 저널인 ‘프론티어 인 마이크로바이올로지(Frontiers in Microbiology)’에 ‘풋마름병균 유전체 비교분석을 통한 기주특이적인 병원성 유전자 예측(Prediction of host-specific genes by pan-genome analyses of the Korean Rasltonia solanacearum species complex)’이라는 논문으로 게재해 학술적으로 인정받았다.

□ 농촌진흥청 국립농업과학원 안병옥 유전체과장은 “풋마름병원균의 유전체 해독과 비교 분석으로 작물 특이 감염인자를 발굴할 수 있었다.”라며,

 ○ “앞으로 지속적인 연구를 통해 토마토 감염 풋마름병균의 특이 유전자를 활용한 진단 마커를 개발해 현장에 적용한다면 풋마름병으로 인한 농가의 어려움이 해결될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말했다. 

[풋마름병균]

1. 풋마름병균(Ralstonia solanacearum)은 온대, 열대, 아열대 기후에 널리 분포한다. 단자엽·쌍자엽, 초목·수목류 등 50과 450종 이상의 식물이 감염되며 풋마름병(bacterial wilt, 일명 청고병)을 일으키는 세균성 병원균이다.

  <그림1. 토마토, 고추, 감자, 제라늄, 바나나, 담배에 발병한 풋마름병>

2. 풋마름병균은 균주간 상동성이 낮고 복잡해 Ralstonia solanacearum species complex (RSSC)로 표현한다. 이 균은 국내에서도 감자, 토마토, 고추, 가지 등 경제적으로 중요한 가지과 작물에 발생하는 토양 전염성 병원균이다. 주로 식물의 뿌리나 줄기의 상처를 통해 기주에 침입하며 물관을 막아 식물체를 말라 죽게 한다. 그 피해도 막대한데, 감자 1개 작물의 경제 손실만해도 전 세계적으로 해마다 10억 달러에 달한다는 보고도 있다(Elphinstone, 2005). 

3. 풋마름병균의 유전체 해독은 2002년 토마토에서 분리한 GMI1000 균주의 유전체 해독이 최초로 보고된 이후로, 현재 120여 건이 공개돼 있으나(NCBI 2019년 4월 현재, 본 연구에서 해독한 25 균주 포함), 기주 특이성을 밝힌 연구 결과는 서울대 황인규 교수팀에 의해 밝혀진 고추에 특이적인 비병원성 유전자 rsa1 외에는 주목할 만한 연구 결과가 없었다. 

4. 본 연구 이전에, 기주 특이성을 조사하기 위하여 우선적으로 90여 점의 풋마름병균을 수집하고, 이들의 병원성 검정으로 기주 범위에 따른 집단을 구축하고 논문에 발표하였다(Analysis of genetic and pathogenic diversity of Ralstonia solanacearum causing potato bacterial wilt in Korea. Plant Pathol. J., 2018).

5. 4가지 병원성 집단에서 대표균주 25점을 선발하여 유전체를 해독하고 비교분석을 수행하였고, 그 결과, 토마토 감염 특이적인 후보 유전자들을 발굴하여 그 결과를 “Prediction of host-specific genes by pan-genome analyses of the Korean Rasltonia solanacearum species complex”로 발표하였다(Frontiers in Microbiology, DOI:10.3389/fmicb.2019.00506).

6. 병원균이 발현하는 효과(effector)단백질은 주요 병원성 인자로, 병원균이 분비통로를 통해 식물세포에 직접 주입하여 기주식물의 정상시스템을 교란함으로써 병이 일어나게 된다. 현재까지 풋마름병균이 생성하는 효과(effector)단백질은 약 94개로 알려져있었으며, RipS3는 그 중 하나로 기능은 알려져 있지 않았었으나, 이번 연구를 통해 토마토 식물체 감염에 직접 작용할 것으로 예측된다. 

<출처 : 농촌진흥청>

<문의 : 농촌진흥청 유전체과 조희정 농업연구사(☎ 063-238-4567)>