• Subject : Understanding the rice blast pathobiome
  • Mehwish Roy, Gnanendra Shanmugam and Junhyun Jeon*
  
  

  • Our understanding of what plants are underwent a profound shift over the last decade. We have now come to appreciate that just like animals, plants need microbial partner species, collectively called phytobiome, that help to support them. Such recognition led to the idea that refashioning the community of bacteria, fungi and other microbes living in association with plants could be a sustainable and environment-friendly alternative to keep our plants and crops healthy. In agricultural systems, risks for severe disease result from cooperation among host-associated microbes including pathogens. It is therefore imperative to comprehend the host-associated organisms associated with reduced health status (termed hereafter ‘pathobiome).To this end, we set out to investigate endosphere and rhizosphere communities of bacteria and fungi associated with disease state or nitrogen-induced susceptible state in the rice blast disease. Microbiome community profiling suggested that endosphere communities are primarily shaped by compartments and are robust to the fungal infections on leaves. In stark contrast, fungal infection and/or nitrogen fertilization had a major impact on microbiome communities in the rhizosphere. Analysis of co-occurrence networks revealed the nature of such impact. Microbiome fraction obtained from the rhizosphere of plant with reduced health status was able to strongly predispose otherwise healthy plants to the rice blast disease, suggesting mechanistic link between those microbiome structures and plant immunity. We are currently examining changes in plant hormone levels, expression of genes involved in defense responses of the plants as well as the possibility that molecules/chemicals associated with or produced by microbes mediate modulation of plant immunity. Our work would provide not only novel glimpse into what pathobiome of the rice blast disease looks like but also the empirical basis to build a model for predicting and intervening the outcome of interaction between plants and microbes.

Jun-Hyun Jeon,

College of Applied Life Sciences,
Yeungnam University

• Subject : Interaction between transplanted soil microbiota and tomato plants under pathogen attack: Good or bad?
  • 최기혁, 이평안, 권주환, 최민서, 최희윤, 이선우*
  
  

  • 식물 표면, 근권, 내생에 거주하고 있는 미생물들은 다양한 스트레스로부터 식물을 보호하고 건강을 유지하는데 결정적 인 역할을 한다. 하지만, 식물과 함께 살아가고 있는 이러한 미생물 군집이 식물과 어떠한 상호작용을 통해 식물의 특정 기능 에 도움을 주고 건강을 지켜주는 지는 잘 알려져 있지 않다. 이에 따라 우리는 서로 다른 환경에 존재하던 미생물 군집을 토마 토가 심겨져 있는 토양에 이식하여 주고 이식된 군집이 근권 토양에 자리를 잡으면서 근권 특이 미생물(들)이 식물의 병저항 성 같은 유전형질에 긍정적 또는 부정적 영향을 미친다는 가설을 세웠다. 이 가설을 테스트하기 위해 이식되어지는 미생물 군 집과 식물 사이의 반응을 관찰할 수 있는 시스템을 구축하였다. 이를 위해 먼저, 다양한 환경에 노출되어 있었던 토양으로부터 각각의 물리화학적 성질은 배제한 채 미생물 군집 분획만을 획득하였다. 획득되어진 미생물 군집 분획을 멸균된 상토에 심겨 져 있는 저항성 또는 감수성 토마토 유묘에 이식하여 주고 3주동안 안정화시킨 다음 풋마름병을 유발하는 병원균인 Ralstonia solanacerum을 접종하였다. 그 결과, 밭토양에서 분리한 미생물 군집을 이식받은 저항성 품종 토마토(Hawaii 7996)는 병 진전 억제효과가 나타났고 산림토양의 미생물 군집을 이식받은 저항성 토마토는 대조구에 비하여 오히려 병이 더 발생하였다. 또한, 감수성 품종(Moneymaker)을 이용한 실험에서는 밭토양과 산림토양 미생물 군집을 이식한 처리구에서 병억제 효과가 보이지 않았다. 밭토양과 산림토양의 미생물 군집을 이식 후 부위별(근권, 내생), 시기별(병원균 접종 전, 3일 후, 5일 후) 마이크로바이옴 분석과 토마토 뿌리의 전사체 분석을 실시하였다. 마이크로바이옴 분석 결과 근권 토양에서 미생물 다양성이 가장 풍부 하였 고, 내생과 근권 미생물 군집이 서로 다르다는 것을 확인하였다. 이렇게 다른 두 군집 중 어떠한 미생물 군집이 병 진전 억제 현상에 기여하는지 알아보기 위한 실험을 진행하였다. 그 결과 근권 토양에 존재하고 있는 미생물 군집이 병 진전 억제에 연관 이 있다는 사실을 실험적으로 확인하였다. 또한, 전사체 분석 결과 밭토양의 미생물 군집을 이식받은 저항성 품종의 뿌리에서 cytoskeleton에 관련되어 있는 유전자들이 산림토양을 이식받은 토마토 뿌리에서 보다 발현이 증가하였다. 이러한 데이터를 바 탕으로 발현이 증가된 하나의 actin유전자를 virus inducing gene silencing(VIGS) 기법을 이용하여 저항성 품종 토마토에서 silencing 시키고 병원균(R. solanacearum)을 접종하였다. 그 결과 대조구에 비해 actin 유전자가 silencing 된 토마토에서 병 이 더 많이 난 것을 확인하였다. 마지막으로, 통계, 네트워크, 머신러닝 기법을 이용한 마이크로바이옴 분석을 기반으로 하여 풋마름병 억제 인공군집을 제작 하였다. 이렇게 조성된 인공군집을 저항성 품종의 토마토에 처리하였을 때 대조구에 비하여 병진전이 억제되는 것을 관찰하였 다. 종합하면, 밭토양 유래의 미생물 군집을 저항성 품종이 심겨져 있는 토양에 이식하였을 때 풋마름병 발병이 억제되었고 이 효과는 근권토양에 존재하고 있는 미생물들이 관여하고 있는 것으로 판단된다. 또한, 밭토양 유래의 특정 미생물 군집이 식물 뿌리의 cytoskeleton 유전자들 발현에 영향을 미쳐 풋마름병 발병에 관여하는 것으로 보인다.

Ki-hyuk Choi,

Department of Applied Bioscience,
Dong-A University

• Subject : Plant no-contact communication: Synchronizing soil microbiota with neighbor

  • 공현기, 송근철, 심희정, 류충민*

    
    
  • 식물은 발아 한 순간부터 죽는 날까지 한곳에 산다. 그렇다면 식물은 주변 환경을 알고 반응하고 있을까? 최근에는 식물이 토양을 포함한 주변 환경의 미생물과 상호 작용하여 생존한다는 것을 보여주는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그렇다면 식물은 다른 식물과 어떻게 소통하는 걸까? 이에 대한 대답 중 하나는 식물의 생물적 및 비생물적 자극이 주변 식물에 영향을 미치는 휘발성 물질을 생성한다는 것이다. 식물에서 생성된 휘발성 화합물은 신호로 작용하여 주변 식물에 정보를 전달하고 면역을 촉 진한다. 기존의 연구결과들은 식물 근권 미생물 군집이 기주 식물의 면역력의 반응 변화에 따라 변한다는 것을 밝혀냈다. 그럼에도 불 구하고 미생물 군집이 식물이 휘발성 물질을 방출하는데 어떻게 직접적으로 도움이 되는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 식물 근권에 성장 촉진 박테리아(PGPR)를 처리함으로써 시작된 근권 미생물 군집의 변화가 다음의 방출을 통해 주변 식물 의 근권 미생물 군집을 변화시킬까? 이에 답하기 위해 우리는 플라스틱 아크릴 상자를 사용하여 두 식물 그룹 간의 공간 분리 를 통한 새로운 실험 장비를 구축하였다. 공간적으로 분리된 토마토 식물의 근권 미생물 군집의 게놈을 시퀀싱하여 PGPR이 처 리된 식물의 근권 미생물 군집과 처리되지 않은 식물의 군집 사이에 차이가 있는지 확인하였다. 놀랍게도 우리는 공간적으로 분리된 식물의 근권 미생물 군집이 동기화되었음을 발견하였다. 본 연구의 결과는 식물 근권의 미생물 군집이 공기 중 휘발성 물질을 통해 주변 식물로 정보를 전송할 수 있음을 시사한다. 즉, 동물이 냄새를 통해 먼 거리에서 의사소통하는 것과 같은 방식으로 미생물 정보가 밀접한 접촉 없이 한 식물에서 다른 식물로 전달 될 수 있다. 식물 간의 이러한 휘발성 매개 대화를 조작함으로써 농업에서 새로운 형태의 생물학적 통제를 개발할 수 있을 것이다. 예를 들어, 이러한 유형의 미생물 군집 조작을 통해 한 식물에 국부적으로 유익한 미생물을 단순히 접종함으로 써 유익한 미생물 군집이 농지 전체에 퍼질 수 있다. 하지만 이것이 자연의 다른 식물 종간에 어떻게 작동하는지는 알려져 있지 않다. 식물 휘발성 물질이 서로 다른 식물 종간에 미생물 군집 정보를 전송하는 경우 근권 미생물 군집이 식물과 어떻게 형성되고 상호 작용하는지 이해하기 위한 추가 연구의 기초가 될 수 있다. 이 연구는 휘발성 물질과 식물 근권 미생물에 맞춘 완전히 새로운 유형의 식물 인큐베이터의 개발로 이어 졌을 뿐만 아니라 이전에는 예상하지 못했던 형태의 식물 간 의사 소통가능성을 제시하였다. 또 다른 관점에서, 그것은 식물 커뮤니티 방식의 지 식을 넓혔다.

Hyeonki Gong,

Molecular Phytobacteriology Laboratory,
Infectious Disease Research Center, KRIBB,
South Korea

• Genomics and metagenomics of plant-associated bacteria

  • 식물의 근권, 엽권 등의 환경에는 세균, 진균, 고세균과 같은 수많은 미생물들이 포함되어 있으며, 식물의 생장과 건강은 이 러한 식물 주변의 미생물들에 의해 영향을 받기도 한다. 식물과 관련한 미생물들 가운데, 식물에 유용한 미생물들은 식물 생장 촉진, 식물 유해 세균의 저해, 생물학적 비료 등의 기능으로 식물 건강에 기여할 수 있다. 기주 또는 환경 내 미생물들의 기능은 최근 유망한 기술로써 많이 활용되고 있는 메타유전체학적 접근 방법을 통해 유추될 수 있다. 이전에 발표된 토마토 근권 마이 크로바이옴 연구 결과는 플라보박테리아 균주가 식물 병저항성에 기여함을 보여준 바 있다(Kwak et al., 2018). 이 연구와 관 련하여 토마토 근권 유래 세균들의 근권에서의 생활상과 관련된 유전자 및 유용한 유전 정보들이 유전체 분석을 통해 분석되었 으며, 메타유전체학적 방법들을 통해 서열이 조립된 미생물의 유전체 정보들을 추가로 분석하였다. 이 결과들을 근권 마이크로 바이옴 정보에 기반한 식물 유용 미생물 연구에 활용하고자 한다. 한편, 식물 병원성 미생물 유전체를 분석한 바 있다. Erwinia amylovora는 장미과 식물에 과수화상병을 일으키는 병원성 세균으로서 국내에서 분리된 과수화상병 균주들에 대해 고품질의 유전체 서열을 생산하고 유전체 정보를 분석하였다. 국내 과수화상병균 유전체 서열을 분리 지역 또는 기주가 다른 여러 과수 화상병 균주의 유전체 서열들과 비교하였다. 따라서 유전체 사이의 변이 부위들을 분석하고 계통유전체학적 분석을 통해 균주 들 사이의 유연관계를 유추할 수 있었다. 이러한 결과는 과수화상병 균주들의 유전체학적 이해와 유전자 정보 제공, 해당 병원 균의 감시를 위한 바이오마커 개발에 활용될 수 있을 것이다.

Joo-Yeon Song,

Department of Systems Biology,
College of Life Science and Biotechnology,
Yonsei University

• Bacteriophage as a modulator of plant rhizosphere microbiota

  • 이승엽, 로니야 타파마가, 최기혁, 이선우*

    
    
  • 박테리오파지(Bacteriophage, 약어 파지)는 세균을 감염하여 바이러스의 종류로 생태계에서 세균의 밀도와 직접적으로 연 관되어 있으며 세균의 밀도를 조절하는 중요한 요인의 한가지이다. 파지는 생태계에서 기주외의 다른 생물과 직접적인 상호작 용을 하지는 않는 것으로 알려져 있어서 각종 질병을 방제하기 위한 생물적 방제제로 관심을 받고 있다. 이 연구는 가지과 작물 풋마름병을 유발하는 Ralstonia solanacearum 을 감염하는 파지를 모델로 식물 근권 생태계에서 파지의 역할을 구명하기 위해 시작되었다. 연구는 파지가 식물근권 미생물군집 구조를 조절한다는 가설을 바탕으로 하였다. 먼저 우리나라 각종 작물재배지 에서 R. solanacearum을 감염하는 다수의 파지를 분리하여 기주세균에 대한 기주특이성과 생물적 방제능을 검정하였다. 분리 된 파지들은 다양한 기주범위를 보였으며 Inoviridae와 Podoviridae에 속하는 파지가 다수 확인되었다. 광범위 기주를 용균하 는 Podoviridae 파지를 혼합처리한 결과 토마토 풋마름병을 효과적으로 제어함을 확인하였다. 토마토 근권에서 파지의 처리가 미생물군집에 미치는 영향을 분석한 결과 광범위 기주를 용균하는 파지 혼용에 비해 기주범위가 좁은 파지의 처리가 군집구조 에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 파지의 처리에 의해 일부 미생물 OTU 들의 증감이 관찰되었다. 파지의 근권에서 군 집구조에 미치는 영향을 인공군집을 조성하여 파지별로 평가하여 파지의 종류가 특정한 토양의 작물 근권군집에 미치는 영향 이 특이적인지를 분석하는 연구가 현재 진행되고 있다. 생태계에서 가장 풍부한 파지들이 미생물 밀도와 함께 군집을 조절하는 연구는 생태계 미생물 다양성의 유지와 균형의 관점에서 중요하다고 여겨진다.

Sunwoo Lee,

Department of Applied Bioscience,
Dong-A University

• Application of phytobiome and machine learning to discriminate ginseng plantation
  • 강기웅, 제라드이발, 신재호*
  
  

  • 작물의 재배가 수렵 채취보다 훨씬 효율적이라는 사실을 알아챘던 현생 인류가 최초의 농업 사회를 구성한 지 10,000년 이 상이 흐른 지금도, 여전히 작물 재배는 인류 생존의 필수 요소이다. 우리의 조상들도 해마다 작물을 재배하려고 노력했지만, 곧 지속적인 작물재배, ‘연작’이 수확량의 심각한 감소를 초래한다는 것은 금방 알아챘을 것이다. 한동안은 숲을 불태워 새로운 경 작지를 만드는 화전으로 연작의 피해를 피했지만, 인류의 수가 폭발적으로 늘어난 뒤에는 새로운 경작지가 급속히 감소하고 있 다. 21 세기의 한국 농업에서 단위 면적당 수익성이 가장 높은 작물은 인삼이다. 고려시대 이래로 수출까지 진행되는 인삼은, 한 번 수확하면 같은 토양에서 다시는 재배할 수 없다는 문제가 있었다, 따라서 많은 수요에도 불구하고 고려인삼의 생산량은 늘 정체되어 있었다. 현대에는 여러 연구를 통해 인삼의 연작피해가 토양의 물리 화학적 매개 변수나 병원균, 효소 및 토양 미생물 군집의 변화 등의 요소에 의해 다양하게 발생한다는 것을 알게 되었고, 이런 요소를 극복하기 위한 다양한 경종 방법도 시도되 고 있다. 그러나 실제 농민들의 가장 큰 고민은 연작피해의 극복이 아니라 연작 토양 판별 방법의 부재이다. 새 땅을 임대하여 인삼 농사를 짓는 임차인들은 ‘한 번도 인삼을 경작한 적이 없다’는 임대인의 주장에만 의존하여 6년 이상 걸리는 인삼재배에 투자를 한다. 그러나 실제로는 초작지가 아니어서 연작피해가 발생하여도 이를 증명할 방법이 전혀 없기 때문에 관련한 분쟁이 끊어지지 않는 실정이다. 이에 본 연구에서는 각 도 농업기술원 및 농업기술센터와 공동으로 인삼재배지를 탐문하여 확실한 초 작지와 6년 이상 인삼재배가 실시된 연작지를 선정하여 샘플링한 뒤, 해당 토양의 마이크로바이오타 정보를 획득, 기계학습을 실시하여 연작지와 초작지 판별 모델을 제작하였고, 학습에 사용되지 않은 토양 샘플로 판별력을 분석한 결과 연작지 예측력은 97.74%, 초작지 예측력은 83.3%로 나타났다. 이 발표을 통해 농업, 환경, 경제적인 관점에서 기계학습의 도입의 장점과 우려 사항을 공유하고 논의하고자 한다.

Jae-ho Shin,

Department of Applied Biosciences,
Kyungpook National Univerity

• Revisiting biological control in the microbiome era

  • Choong-Min Ryu, Sang-Moo Lee, Hyun Gi Kong, and Geun Cheol Song*

    
    
  • Enrichment of protective microbiota in the rhizosphere facilitates biological control against soil-borne pathogens. However, how the disruption of protective rhizobacteria affects disease suppression is largely unknown. Here, we analyzed the rhizosphere microbial community of a healthy and diseased tomato plant grown <30 cm apart in a greenhouse at three different locations in South Korea. The abundance of Gram-positive Actinobacteria and Firmicutes phyla was lower in diseased rhizosphere soil (DRS) than in healthy rhizosphere soil(HRS) without changes in the causative Ralstonia solanacearum population. Artificial disruption of Gram-positive bacteria in HRS using 500 μg/mL vancomycin increased bacterial wilt occurrence in tomato. To identify HRS-specific and plant-protective Gram- positive bacteria species, Brevibacterium frigoritolerans HRS1, Bacillus niacini HRS2, Solibacillus silvestris HRS3, and Bacillus luciferensis HRS4 were selected from among 326 heat-stable bacterial isolates. These four strains did not directly antagonize R. solanacearum but activated plant immunity. A synthetic community comprising these four strains displayed greater immune activation against R. solanacearum and extended plant protection by 4 more days in comparison with each individual strain. Overall, our results demonstrate for the first time that dysbiosis of the protective Gram-positive bacterial community in DRS promotes the incidence of disease.

Chung-Min Ryu,

Molecular Phytobacteriology Laboratory,
Infectious Disease Research Center, KRIBB

• Eco-evolutionary characterization of microbial communities in rice ecosystems

  • Hyun Kim, Kiseok Keith Lee, Jongbum Jeon,WilliamAnthony Harris, Yong-Hwan Lee

    
    
  • Plant microbiomes, which are shaped by host and environmental factors, support their hosts by providing nutrients and attenuating abiotic and biotic stresses. Although host genetic factors related to growth and immunity are known to shape compositions of microbiomes, the effects of host evolution on microbial communities are veiled. Here, we demonstrate evidence that both host speciation and domestication shape the structure of seed bacterial and fungal communities despite the difference in geographical locations. Genome types of rice contributed to compositional variations of both communities, showing a significant phylosymbiosis. Following the domestication, abundance inequality of bacterial and fungal communities increased. However, bacterial composition was relatively conserved whereas fungal membership was dramatically changed. These domestication effects were further corroborated by random forest models. Hub OTUs in inter-kingdom networks were also shifted from fungi to bacteria by domestication. Furthermore, maternal inheritance was revealed as a major path of microbial transmission across generations. Our findings show that evolutionary processes stochastically affect overall microbial composition whereas dramatic changes in environments during domestication contribute to the assembly of microbial communities in deterministic ways in rice seed. This study further provides new insights on host evolution and microbial communities, the cornerstone of the holobiontic relationships of plants, microbiomes, and environments.

Yong-Hwan Lee,

Center for Fungal Genetic Resources, Plant Immunity Research Center, and Research Institute of Agriculture and Life Sciences,
Seoul National University