국내에서 분리된 Fusarium sambucinum 종복합체 균주의 재동정 및 문헌 고찰
Re-identification of Fusarium sambucinum Species Complex Strains in Korea and Their Literature Review
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Abstract
Fusarium sambucinum 종 복합체는 식물에 심각한 질병을 일으키는 분류군이다. 국내에서는 F. sambucinum 종 복합체가 일으키는 식물병에 대한 많은 연구가 보고되었으나, 한국식물병명목록에는 2종(F. graminearum, F. sambucinum)이 14개의 기주에 식물병을 일으키는 정보만이 등록되어 있다. F. sambucinum 종복합체의 다양성 및 병원성을 확인하기 위해 농업미생물은행(Korean Agricultural Culture Collection)에 보존된 57균주의 F. sambucinum 종 복합체를 다중 유전자 염기서열 분석(multi-locus sequence typing)을 바탕으로 7종(F. asiaticum, F. graminearum, F. vorosii, F. meridionale, F. bootii, F. kyushuense, F. armeniacum)으로 재동정하였다. 이전의 보고와 이번 연구의 결과에 따라, F. sambucinum 종 복합체 중 5종(F. asiatum, F. graminearum, F. vorosii, F. armeniacum, F. sambucinum)이 24개의 기주에 병원성을 보였으며, 3종(F. meridionale, F. bootii, F. kyushuense)의 병원성은 명확하지 않았다.
Trans Abstract
Fusarium sambucinum species complex (FSAMSC) is an important taxonomic group, causing severe plant diseases. Many studies were carried out on FSAMSC plant diseases in Korea, but only 2 species (F. graminearum, F. sambucinum) from 14 host plants were registered in the List of Plant Disease in Korea. To clarify FSAMSC diversity and their pathogenecity, we examined FSAMSC isolates preserved in the Korean Agricultural Culture Collection. Fifty-seven strains were reidentifed as 7 species (F. asiaticum, F. graminearum, F. vorosii, F. meridionale, F. boothii, F. kyushuense, F. armeniacum) based on multi-locus sequence typing analysis. According to previous reports and result of this study, 5 species (F. asiaticum, F. graminearum, F. vorosii, F. armeniacum, F. sambucinum) were pathogenic on 24 host plants in FSAMSC, while the pathogenicity of 3 species (F. meridionale, F. boothii, F. kyushuense) were not clear.
서 론
Fusarium은 작물에 광범위한 질병을 일으키는 식물 병원성 곰팡이 중 하나이다(Summerell, 2019). 대표적으로 Fusarium 은 시들음병, 뿌리, 줄기 및 속 썩음병, 묘목의 역병, 구근 및 괴경의 썩음병을 유발하며, 일부 종은 진균독소를 생성하여 이삭 썩음병, 붉은곰팡이병, 줄기썩음병을 일으킨다(Bahadur, 2022).
Fusarium sambucinum 종복합체는 농업 환경에 가장 해로운 영향을 미치는, 붉은곰팡이병의 주요 병원체인 Graminearum clade를 포함하고 있기에 그 중요성은 더욱 크다(Goswami와 Kistler, 2004). 우리나라에서는 1963년 붉은곰팡이병으로 인해 남부지방에 80–100%의 손실이 발생된 적이 있었으며 이후에도 1974년, 1990년, 1998년에 주기적인 수율 감소로 경제적 손실이 있었다(Ryu 등, 2011). 농업 생태계에서 F. sambucinum 종복합체의 다양한 종이 상당히 큰 경제적 피해를 일으키기에 지속적인 연구를 통한 예방이 필요하다.
계통학적 종 인식(genealogical concordance phylogenetic species recognition)에 따르면, Fusarium은 23개의 종복합체로 구성되며 400개 이상의 종을 포함하고 있다(O’ Donnell 등, 2015, 2022). 그 중, F. sambucinum 종복합체는 가장 많은 종을 포함하며 진균독소를 생성하는 특성으로 인해 식물병리학자와 진균독성학자에게 큰 관심을 끌고 있다(Laraba 등, 2021; O’ Donnell 등, 2022).
우리나라에서도 많은 연구자들에 의해 F. sambucinum 종복합체가 일으키는 식물병이 보고되어 있으며, 분리된 균주의 일부는 농업미생물은행(Korean Agricultural Culture Collection, KACC)에 보관되어져 있다. 이에 따라, 국내에서 분리된 Fusarium 종의 확인을 위해, KACC에 2000년대 초반부터 장기 보존되어 있는 F. sambucinum 종복합체 균주를 최신 분류체계(Crous 등, 2021)에 맞게 재동정하여 확인하였다. F. sambucinum 종복합체를 동정하는데 필요한 분류체계는 단일 유전자의 사용이 아닌 다중 유전자를 사용한 분석이 이루어지고 있기에, 3개의 단백질 코딩 유전자인 translation elongation factor 1-α (tef1), RNA polymerase second largest subunit (rpb2) 및 RNA polymerase largest subunit (rpb1)을 사용하여 분석하였다(Crous 등, 2021).
국내 식물병의 정보를 확인할 수 있는 한국식물병명목록의 기록과 KACC 균주의 재동정 결과를 비교하였을 때 한국식물병명목록에는 많은 종이 반영되어 있지 않았다. 일부 종들은 보고는 되어 있으나, 한국식물병명목록에 등록되지 않고 KACC 에도 균주가 기탁되지 않은 것으로 판단되어, 국내에서 보고된 문헌을 추가로 조사하여 정리하였다.
본 연구에서는 국내에서 분리되어 KACC에 보존되어 있는 F. sambucinum 종복합체 균주를 재동정하고, 국내에서 보고된 문헌을 고찰하여, F. sambucinum 종복합체의 국내 병 발생 현황을 한국식물병명목록에 반영하고자 하였다.
재료 및 방법
균주 수집
KACC에 2000년부터 보관 중인 국내에서 분리된 F. sambucinum 종복합체 균주를 사용하였다(Table 1). –196° C, 10% 글리세롤(glycerol)에 보관된 균주는 potato dextrose agar (PDA) 배지와 malt extract agar (MEA) 배지에 25° C, 암조건에서 4–7일간 배양하였다.
DNA 추출, polymerase chain reaction, 염기서열 분석
Genomic DNA 추출을 위한 균사체를 수집하기 위해 각 균주를 MEA 배지에 접종하고, 25° C, 암조건에서 4–7일간 배양하였다. DNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, Hilden, Germany)의 이용 메뉴얼에 따라 전체 genomic DNA를 추출하였다. DNA 염기서열 분석은 tef1, rpb1와 rpb2의 부위를 대상으로 실시하였다. Polymerase chain reaction 증폭은 각각 EF1/EF2, F7/F8, 5f2/11ar 프라이머 쌍을 사용하였다(Table 2). 증폭된 샘플들은 동일한 프라이머 쌍을 사용하여 Macrogen (Seoul, Korea)에 염기서열 분석을 진행하였다.
계통도 분석
분석된 염기서열은 DNASTAR Seqman II (DNASTAR, Madison, WI, USA)를 사용하여 편집하였다. F. sambucinum 종복합체에 속하는 표준 및 참조 균주는 NCBI GenBank database에서 얻었다. 편집된 염기서열은 MEGA version 7의 Clustal W를 사용하여 정렬하였고, 계통도는 maximum likelihood (ML)를 사용하여 분석하였다(Kumar 등, 2016). 개별 유전자 데이터는 1,000번의 bootstrap을 사용하여 분석되었다. 개별 유전자의 계통학적 분석을 수행한 다음 tef1, rpb2, rpb1 3가지 유전자 서열을 결합하여 분석하였다. 베이즈 정보 기준, 최적의 모델인 TN93+G를 사용하여 3가지 유전자가 결합된 계통도의 분석을 진행하였다.
결과 및 고찰
농업미생물은행(KACC)에서 보존하고 있는, 국내에서 분리된 57개의 균주를 tef1, rpb2, rpb1 유전자를 사용하여 재동정하였다(Fig. 1). ML 분석 결과, KACC 균주는 총 3 clade 및 7종으로 동정되었다. Graminearum clade (n=54)에서는 총 5종인 F. asisaticum (30), F. vorosii (6), F. boothii (3), F. meridionale (3), F. graminearum (12)으로, Sambucinum clade (2)에는 F. armeniacum (2), Sporotrichioides clade (1)에는 F. kyushuense (1)를 확인하였다.
KACC 균주가 활용된 문헌은 표에 정리하였으나(Table 1), 그 정보가 부족하여 한국식물병명목록에서의 기록을 확인하였다. 한국식물병명목록에는 14개의 기주를 대상으로 식물병을 일으키는 2종(F. graminearum과 F. sambucinum)이 등록되어 있다. 한국식물병명목록에는 많은 정보가 누락되어 있어, KACC가 보유하고 있는 F. sambucinum 종복합체 균주의 정보와 국내에 보고된 Fusairum의 문헌을 비교하여 정리하였다(Table 3).
F. armeniacum & F. sambucinum
F. armeniacum은 1993년에 F. acuminautm subsp. armeniacum으로 호주, 미국, 남아프리카에서 분리되어 보고되었다(Burgess 등, 1993). 그 후, 2000년에 random amplified polymorphic DNA 분석을 통해 F. armeniaucum은 종의 지위를 부여받았다(Burgess와 Summerell, 2000).
국내에서는 콩(Glycine max)에 뿌리썩음병을 일으키는 F. armeniacum이 보고되었다(Jang 등, 2022). 벼(Oryza sativa) (Hong 등, 2015), 율무(Coix lacryma-jobi) 종자(An 등, 2015)에서 분리된 F. armeniacum이 논문에 사용되었으나 병원성에 대한 결과가 없기에 한국식물병명목록에 등록하기 위해서는 병원성 실험이 필요하다(Table 3). 흙에서 분리되어 2007년에 기탁된 KACC 43804, KACC 43805는 형태적 특징에 의하여 F. sporotrichioides로 동정된 후에 분자적 분석의 결과로 F. armeniacum으로 재동정되었다(Table 1, Fig. 1).
F. armeniacum과 같은 Sambucinum clade에 포함되는 F. sambucinum은 참외(Cucumis melo)에 열매썩음병을 일으키는 것으로 보고되었으나(Kim과 Kim, 2004), 농업미생물은행에는 해당 종의 균주가 보존되어 있지 않다.
위의 내용을 종합할 때에 Sambucinum clade에는 콩에서 분리된 F. armeniacum과 참외에서 분리된 F. sambucinum의 병원성이 확인되었고 그 외의 벼와 율무에서 분리된 F. armeniacum은 병원성 확인이 필요하다(Table 3).
F. asiaticum
F. asiaticum은 아시아 지역(중국, 네팔, 일본, 한국)과 남아메리카(브라질) 지역에 분포되어 있으며(O’ Donnell 등, 2004), 2000년에 7개의 계통으로 나뉘어 Fg (Fusairum graminearum) clade 내에서 계통번호인 lineage 6으로 최초 보고되었다(O’ Donnell 등, 2000). 그리고 2004년에 계통발생학적 분석을 통해 Fg clade내의 명명되지 않은 종을 F. asiaticum으로 보고하였다(O’ Donnell 등, 2004).
국내에서는 벼과의 다양한 기주인 귀리(Avena sativa) (Choi 등, 2019a), 밀(Triticum aestivum) (Jang 등, 2019), 벼(Jang 등, 2019), 보리(Hordeum vulgare) (Jang 등, 2019), 옥수수(Zea mays) (Jang 등, 2019)에서 붉은곰팡이병이 보고되었다. 하지만 수수(Sorghum bicolor) (Choi 등, 2019b)와 콩(Choi 등, 2020)에서의 분리된 F. asiaticum은 병원성이 없는 것으로 보고되었다. 기장(Panicum miliaceum) (Choi 등, 2021)과 율무(An 등, 2015)에서 분리된 F. asiaticum은 병원성에 관한 정보가 없기에 확인이 필요하다(Table 3).
KACC에는 귀리(Choi 등, 2019a)에서 분리한 KACC 48824 (P4), KACC 48825 (P8), KACC 48826 (P14), 벼에서 분리한(Kim 등, 2012) KACC 46428 (ESR3R6)와 KACC 46429 (ASR1R2), 보리에서 분리한(Lee 등, 2001) KACC 41040 (88-1), 볏짚에서 분리된(Kim 등, 2013) KACC 47319, 수수에서 분리한(Choi 등, 2019b) KACC 48819 (S45) 균주를 보관 중이다. 또한, 보고는 없으나 밀, 옥수수, 율무, 갯기름나물(Peucedanum japonicum), 잔디(Zoysia japonica)에서 분리한 균주를 보관 중이다(Table 1).
F. asiaticum으로 보관 중인 균주 중, 9균주는 F. gramin-iarum 으로 그리고 2균주는 F. culmorum 으로 기탁되었으나 본 실험에서 F. asiaticum으로 재동정되었다(Table 1). 2004년 이전에 기탁된 균주들은 F. asiaticum의 종명을 부여 받기 이전이었고 2004년 이후에 기탁된 것은 분자적 분석 없이 형태적 특징으로만 보관되었기 때문이다.
현재까지 한국식물병명목록에는 F. asiaticum이 기록되어 있지 않기에 위의 결과를 바탕으로 귀리(Choi 등, 2019a), 밀(Jang 등, 2019), 벼(Jang 등, 2019), 보리(Jang 등, 2019), 옥수수(Jang 등, 2019)에 붉은곰팡이병을 일으키는 F. asiaticum을 추가해야 한다.
F. boothii
F. boothii는 남아프리카에 분포되어, 2000년에 Fg clade의 lineage 3으로 처음 언급되고(O’ Donnell 등, 2000), 2004년에 계통발생학적 분석을 통해 종명인 F. boothii로 보고되었다(O’ Donnell 등, 2004).
국내에서는 2012년에 옥수수에서 분리하여 계통 간의 관계를 강조하기 위해 종명 대신 계통 번호인 lineage 3으로 논문에 사용되었다(Lee 등, 2012). 그러나 이 균주는 옥수수에서 분리는 되었으나, 병원성에 대한 정보는 없어 감염 여부의 확인이 필요하다. 이 균주는 현재 KACC에서 보관 중이지 않지만, 옥수수에서 분리한 다른 균주를 보관 중이다.
보관 균주 중, KACC 41047은 2000년도 당시 형태적 분석으로만 진행되어 F. graminearum으로 보존되었고 분자적 분석을 통해 F. boothii로 학명을 변경하였다(Table 1).
F. boothii의 식물병을 일으키는 정보가 없기에, KACC에 보존되어 있는 F. boothii 균주를 활용하여 병원성 실험을 진행할 필요성이 있다.
F. graminearum
F. graminearum은 Graminearum clade (Fg clade) 내에서 많은 종의 분화로 변화해왔다. 6개의 단일 유전자 서열을 이용하여 7개의 계통군으로(O’ Donnell 등, 2000), MAT 유전자 및 11개의 추가 유전자를 통해 명명되지 않은 종에 대해 보고되었다(O’ Donnell 등, 2004).
F. graminearum은 벼과 식물의 병원균으로써 세계적으로 알려져 있다. 특히 따뜻한 지역의 벼와 옥수수, 온대지역의 귀리, 보리, 잔디, 호밀(Secale cereale)에서 많이 발생되며(Ger-lach와 Nirenberg, 1982), 벼과 이외에도 애기장대(Arabidopsis thaliana) (Nalam 등, 2015), 콩(Broders 등, 2007) 등에서 병을 일으킨다고 보고되었다.
국내에서는 귀리(Choi 등, 2019a), 벼(Lee 등, 2009), 보리(Seo등, 1998)에 붉은곰팡이병, 수수(Choi 등, 2013)에 이삭곰팡이병, 옥수수(Seo 등, 1998)에 이삭썩음병, 참외(Kim과 Kim, 2004)에 열매썩음병, 카네이션(Dianthus caryophyllus) (Han 등, 2001)에 모마름병, 콩(Kang 등, 2020)에 뿌리 및 줄기 썩음병을 일으킨다는 보고가 있다. 추가로 한국식물병명목록에는, 고구마(Ipomoea batatas)에 밑썩음병, 밀, 호밀풀(Lolium perenne), 큰조아재비(Pinus koraiensis)에 붉은곰팡이병, 일본잎갈나무(Larix kaempferi)와 잣나무(Pinus koraiensis)에 모잘록병을 일으킨다는 정보를 확인할 수 있다(Table 3). 기장(Choi 등, 2021) 및 율무(An 등, 2015)에서의 분리는 보고되었으나, 병원성 확인이 필요하다.
KACC에서는 현재 귀리(Choi 등, 2019a)에서 분리한 KACC 48828 (O517), 수수(Choi 등, 2019b)에서 분리한 KACC 48818 (S1159), 옥수수(Lee 등, 2001)에서 분리한 KACC 41044 (H-11) 및 밀, 벼, 보리, 율무에서 분리한 균주를 보관 중이다(Table 1).한국식물병명목록에는 귀리(Choi 등, 2019a)에 붉은곰팡이병을 일으키는 식물병 정보를 추가해야 한다.
F. kyushuense
F. kyushuense는 처음에는 F. sporotrichioides로 혼돈되었지만, 후벽포자(chlamydospore)를 생성하지 않는 형태적 특징의 차이가 있으며 F. arthrosporioides와도 유사하지만 분생포자의 발생에 차이가 있는 종이다. F. kyushuense 는 1998년도에 일본 큐슈 지역의 밀과 시코쿠 지역에서의 비닐 플레이트(vinyl plate)에서 분리되어 보고되었다(Aoki와 O’ Donnell, 1998).
국내에서는 병원성 실험 없이 분리원에 대한 보고로 기장(Choi 등, 2021), 벼(Ok 등, 2014), 율무 종자(An 등, 2015)의 보고가 있다. 이 문헌에서 활용된 균주는 현재 KACC에서 보관 중이지 않고, 2012년에 율무에서 분리한 다른 균주를 보관 중이다(Table 1).
현재까지 국내에 F. kyushuense가 일으키는 식물병에 대한 정보가 없고, KACC에서도 1개의 균주만 보존하고 있기에 균주 확보를 위한 분리 및 병원성 실험이 필요하다.
F. meridionale
F. meridionale는 2000년에 lineage 2로 처음 보고되어(O’ Donnell 등, 2000), 2004년에 종명이 확정되었다(O’ Donnell 등, 2004).
국내에서는 2012년도에 옥수수에서 분리한 F. meridionale를 계통 번호인 lineage 2로 논문에 사용하였다(Lee 등, 2012). 그러나 옥수수에서 분리한 F. meridionale의 병원성 여부는 알려지지 않은 상태이다. 위 문헌에서 사용된 균주는 현재 KACC에서 보관 중이지 않고, 옥수수에서 분리한 다른 균주를 보관 중이다(Table 1). 이에 따라, KACC에서 보존 중인 균주를 활용해 병원성 실험을 진행 한 뒤 한국식물병명목록에 추가로 등록하는 과정이 필요하다.
F. vorosii
F. vorosii는 일본과 헝가리의 밀에서 분리되었으며, 2007년에 붉은곰팡이병의 분리주를 식별하는 과정에서 최초로 보고되었다(Starkey 등, 2007). 국내에서는 2016년에 벼, 보리에서 붉은곰팡이병을, 옥수수에서 이삭썩음병 및 밑둥썩음병의 발생이 확인되었다(Lee 등, 2016). 수수에서 분리한 F. vorosii도 있으나, 이는 수수에 병원성이 나타나지 않는 것으로 보고되었다(Choi 등, 2019b).
KACC에서는 문헌으로도 사용되어진, 벼에서 분리한(Kim 등, 2016) KACC 46885 (GWR12R1), 보리에서 분리한(Lee 등, 2016) KACC 48006 (#195), 수수 알곡에서 분리한(Choi 등, 2019b) KACC 48820 (S1620)과 KACC 48829 (S33), 옥수수에서 분리한(Lee 등, 2016) KACC 48005 (GWS)를 보관 중이다.
KACC에 보존된 F. vorosii 균주 중 문헌으로 보고되지 않은, KACC 46443은 tef1, rpb2를 이용한 분자적 분석 방법으로 2010년에 기탁되었지만 기탁자가 당시 참고했던 문헌(O’ Donnell 등, 2000)으로 인해 F. asiaticum으로 보존되어 왔고 이번 연구를 통해 재동정되었다.
따라서, 한국식물병명목록에는 벼와 보리에 붉음곰팡이병을 일으키고, 옥수수에 이삭썩음병과 밑둥썩음병을 발생시키는 F. vorosii를 추가해야 한다(Lee 등, 2016).
이상으로 국내에서는 F. sambucinum 종복합체에서 5종(F. armeniacum, F. asiatiucm, F. vorosii, F. graminearum, F. sambucinum)이 24개의 기주에 식물병을 일으키는 것으로 확인되었다. 콩에 뿌리썩음병을 일으키는 F. armeniacum, 귀리, 밀, 벼, 보리, 옥수수에 붉은곰팡이병을 일으키는 F. asiaticum, 고구마에 밑썩음병, 귀리, 밀, 벼, 보리, 큰조아재비, 호밀풀에 붉은곰팡이병을, 수수에 이삭곰팡이병, 옥수수에 이삭썩음병, 일본잎갈나무와 잣나무에 모잘록병, 참외에 열매썩음병, 카네이션에 모마름병, 콩에 뿌리 및 줄기 썩음병을 일으키는 F. graminearum, 참외에 열매썩음병을 일으키는 F. sambucinum, 벼와 보리에 붉은곰팡이병을, 옥수수에 이삭 및 밑둥 썩음병을 일으키는 F. vorosii을 확인하였다. 그러나 한국식물병명목록에는 보고된 것 중, 2개의 종(F. graminearum, F. sambucinum)과 14개의 기주에 대한 식물병만 등록되었기에, 3개의 종(F. armeniacum, F. asiatiucm, F. vorosii)과 함께 10개의 기주에 대한 식물병을 추가해야한다. 또한, 3종(F. boothii, F. meridionale, F. kyushuense)이 일으키는 식물병 정보가 없기에 추가적인 연구가 필요하다. 본 연구는 한국식물병명목록에 추가로 등록해야 할 정보를 제공 하고, 향후에 수행해야하는 Fusarium 연구에 필요한 종의 정보를 제시한다.
Notes
Conflicts of Interest
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
Acknowledgments
This study was carried out with the suppot (PJ017286) of National Institute of Agricultural Sciences, Rural Development Administration, Republic of Korea.