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돼지풀(Ambrosia artemisiifilia L.)은 1998년 환경부에서 지정한 최초의 생태계교란식물 중 하나로 국내 생태계교란식물 중에서 가장 넓은 면적에 분포하는 것으로 알려져 있다. 국내 주요 발생 지역으로는 낙동강 하천변, 강원도 속초시 설악동, 대구 달성습지, 충북 청원군 등으로 빠르게 그 세력이 전국적으로 확산되고 있다. 돼지풀은 국화과 하계 1년생 식물로 원산지는 북아메리카로 알려져 있으며, 아시아와 유럽 등에 널리 전파되었다. 국내 환경에서는 초장이 30-180 cm 정도로 8-9월에 개화하여 1주당 3,000립 정도의 종자를 형성하고 자연에서 휴면 상태로 존재한다(Kim and Park, 2009).
환경부는 생물다양성 보전 및 이용에 관한 법률 제2조 제7항에서 외래생물은 ’외국으로부터 인위적 또는 자연적으로 유입되어 그 본래의 원산지 또는 서식지를 벗어난 존재’라고 정의하고 있으며, 그 중 위해성 평가를 통해 현재까지 16종의 생태계교란식물이 지정되어 있다(Kim, 2017). 이러한 생태계교란식물은 주요 분포지역이 주로 사람들이 활동하는 생활주변이기 때문에(Moon et al., 2008) 유기합성 제초제를 이용하는 방제는 현실적으로 제한적이라고 할 수 있다. 그 동안 국내에서 생태계교란 식물의 확산 또는 제거를 위한 수단으로는 주로 예취와 같은 물리적인 방법에 의존하는 실정인데, 자생력과 재생력이 강하여 제거 속도보다 번식속도가 빠르기 때문에 일시적인 개체수 감소에 그치는 수준으로 확산이 가속화되고 있는 실정이다(Choi, 2017).
이와 같은 문제로 생태계교란식물의 방제에는 현실적인 어려움이 있어 화학적 방제에 대한 유혹이 있을 수 있지만, 생태계교란 식물의 서식지, 사용시 발생할 수 있는 안전성 문제 등으로 유기합성 제초제 사용은 제한적일 수밖에 없다. 이러한 문제를 해결하 수 있는 대안으로 천연물 기반의 제초활성 소재 발굴 및 기술개발이 주목받고 있다. 천연물 기반의 제초할성 소재는 특성에 따라 기존 제초제와는 다른 작용특성이 발현될 가능성이 크고, 상대적으로 환경 생태계에 대한 안전성을 확보할 수 있는 장점을 갖고 있는 경우가 많다(Christy et al., 1993; Dayan et al., 2009).
국내의 경우 생태계교란 식물의 친환경적 제거기술 개발 연구가 꾸준히 진행되고 있으며, 한국잡초학회지에 게재되어 있는 외래잡초 관련 연구 현황을 분석해 보면 외래잡초의 발생특성 및 분포, 발생실태에 관한 모니터링 또한 꾸준히 증가하고 있는 추세다. 외래잡초 제거 기술과 관련하여 가시박 방제를 위해 천연 제초활성물질인 d-limonene, chrysophanic acid 및 pelargonic acid를 이용한 가시박 방제에 관한 연구(Choi et al., 2012), 돼지풀과 단풍잎돼지풀 속 잡초의 생물적 방제를 위한 천적곤충 선발 및 방제 효과에 관한 연구(Lee et al., 2007; Na et al., 2008) 및 토양 처리형 제초제와 관련된 연구 등(Yoo et al., 2008)이 있다.
세계적으로는 환경에 대한 관심이 증가하면서 인축독성이 낮고 생분해가 가능한 친환경 제초제에 대한 관심이 높아지고 있고(Hoagland, 1990), 천연물을 활용한 새로운 제초활성 물질을 탐색하는 연구가 다양하게 수행되고 있다. 식물 추출물을 활용한 연구는 Piper sarmentosum (Gang et al., 2019), Brucea javanica (L.) (Huang et al., 2021), Flaveria bident (L.) (Huo et al., 2014) 등의 식물을 부위별로 추출하여 제초활성 물질을 획득하는 연구가 진행되었다. 또한, 미생물 기반의 제초활성물질은 연구방법과 가능성에서 높은 효율성을 나타내 주목을 받고 있는데(Christy et al., 1993; Dayan et al., 2009), 곰팡이균을 활용한 제초활성물질의 예로서 Fusarium fujikuroi (Jair et al., 2018) 또는 Pythium aphanidermatum (Zhang et al., 2010) 등이 알려져 있다. 방선균은 일반적으로 토양에서 존재하는 미생물로 알려져 있고 2차 대사산물이 항생물질 뿐만 아니라 다양한 종류의 유용한 물질을 생산하기 때문에 특히 각광을 받고 있다(Joseph et al., 2012). 토양 방선균이 생산하는 2차 대사산물을 활용한 제초활성물질의 예로는 glufosinate-ammonium (Hoerlein, 1994)을 대표적으로 말할 수 있는데, 최초 bialaphos (Bayer et al., 2004; Duke et al., 1996)를 발굴하고 이를 효율적으로 개발하여 현재까지도 널리 사용하고 있는 제초제이다. 그 밖에도 albucidin (Hahn et al., 2009), herbimycin (Li et al., 2003), herbicidin (Lee et al., 2013) 등이 제초활성을 나타내는 물질로 연구되고 있다.
본 연구에서 활용하고자 하는 토양 방선균 KRA16-334 균주는 한국화학연구원에서 발굴한 천연제초활성 후보소재로서 이 균주가 생산하는 2차 대사산물(secondary metabolite)은 농경지에서 발생하는 주요 잡초에 대해 우수한 방제활성을 기 확인한 바 있다(자료 미제시). 본 연구에서는 KRA16-334 균주의 배양 여액을 생태계교란 광엽식물인 돼지풀을 대상으로 온실조건에서의 활성평가를 통해 천연물 유래의 환경 친화적인 생태계교란 광엽식물 방제제로서의 활용 가능성을 확인해 보고자 하였다.
재료 및 방법
시험 균주
본 연구개발에 사용한 토양 방선균 KRA16-334 균주은 충남 보령군 풍산리 일대 토양으로부터 분리한 방선균으로 16s rRNA의 염기서열 분석을 통해 Streptomyces drozdowiczii로 분류 동정되었으며, 이 방선균은 5종의 제초활성물질을 생산하는 것을 확인하였다. M3 액체배지를 기본배지로 사용하여 배양한 KRA16-334 배양 여액을 사용하였으며, 생태계 교란 광엽식물에 대한 방제 활성을 조사하였다. KRA16-334 균주는 27℃, 교반속도 170 rpm, pH 7.0으로 7일동안 배양하였다.
식물 재료
본 연구에 사용한 돼지풀(A. artemisiifilia L.) 종자는 2017년 및 2018년 9-11월경에 충북 청주시 청원군 오창읍에 위치한 미호천 일대에서 채종하여 정선한 후 4-6℃의 저온고에 건조상태로 보관하면서 충실한 종자를 선별하여 사용하였다. 표면적 350 cm2 사각 플라스틱 포트에 원예용상토 1호(Punong, Kyungju, Korea)를 충진하여 저온고에 보관중인 각 식물 종자를 파종한 후 떡잎이 지상부로 출현했을 때 초기 및 중기 경엽처리용은 표면적 40 cm2 폴리스티렌 컵, 후기 경엽처리용은 표면적 314 cm2 플라스틱 포트에 이식하여 온실조건(30/25±5℃, light/dark=14/10 h)에서 관리하였다. 이식 후 각 시험에 해당하는 엽기가 되었을 때 균일한 개체를 선정하여 사용하였다.
생육시기별 경엽처리 활성평가
이식 후 온실에서 생육 중인 각 식물의 2-3엽(초기), 4-5엽(중기) 및 7-8엽(후기)가 되었을 때, KRA16-334 균주 배양 여액을 희석하여(Tween-20®, 0.1%) 처리하였다. 각 생육시기별 처리농도는 배양 원액 2배 및 4배 희석액이었다. 이때 처리물량은 각 처리 농도별로 초기 및 중기처리는 5 mL, 후기처리는 20 mL이었다. 처리 후 동일한 온실조건에서 관리하다가 처리 5일, 10일 및 15일 후에 외형적인 증상 및 약효를 기준표에 준해 달관조사(0; 효과 없음, 100; 완전고사)하였다.
체계처리를 통한 약효증진 효과
저온 건조상태로 보관중인 종자를 선별하여 표면적 350 cm2 사각 플라스틱 포트에 파종한 후, 떡잎이 지상부로 출현했을 때 표면적 95 cm2 포트에 이식하여 4-5엽기가 되었을 때 균일한 개체를 선정하여 사용하였다. 선발 소재 KRA16-334 균주 배양액의 처리농도는 원액, 2배 및 4배 희석액이었으며, 처리물량은 각 농도별로 5 mL이었다. 1회 처리 7일 후에 동일한 농도와 처리물량으로 체계처리 하였으며, 3반복으로 수행하였다. 1회 및 2회 처리 7일 후에 방제효과를 달관조사(0; 효과없음, 100; 완전고사)하였다.
결과 및 고찰
초기 경엽처리 효과
2-3엽기의 초기 돼지풀에 KRA16-334 균주 배양 여액을 처리하면 전 처리농도에서 완전방제되어 매우 우수한 방제 활성을 나타냈다(Table 1; Fig. 1). 방제효과는 처리 5일 후 전 처리농도에서 98%였으며, 10일 이후부터 15일까지 100%의 방제효과가 지속되어 잎은 물론 줄기까지 완전히 사멸되었다. KRA16-334 균주 배양 여액을 돼지풀에 처리했을 때 발현되는 주요증상은 처리 24시간 이내에 외형적인 살초증상이 발현되어 매우 속효성이며, 처리 초기부터 잎 표면에 황화(chlorosis) 증상이 발현된 이후 시간이 지나면서 잎과 줄기가 완전고사(desiccation)되었다.
Fig. 1. Herbicidal activity of foliar application of KRA16-334 culture broth filtrate to Ambrosia artemisiifolia with early leaf stage (2-3Ls) in a greenhouse condition. Herbicidal activity was determined by visual injury (0: No injury, 100: Complete death). The representative pictures were taken 15 days after foliar application. DAT: Days after treatment.
중기 경엽처리 효과
중기 돼지풀에 KRA16-334 균주 배양 여액 원액, 2배 및 4배 희석액 처리 시 15일 후의 방제효과는 각각 100, 98 및 80%이었다(Table 2; Fig. 2). 처리 5일 후 동일한 농도에서의 방제효과는 각각 70, 80, 60%이었다가 10일 후에는 각각 100, 100, 95%이었는데, 처리 15일 이후 2배와 4배 희석액 처리에서는 신엽 재생이 관찰되었다. 중기 처리 시 발현되는 주요증상은 처리 5일 후에 수침상 반점이 형성된 이후 고사로 진행되었다.
후기 경엽처리 효과
KRA16-334 균주 배양 여액을 후기 돼지풀에 처리했을 때 처리 15일 후 원액, 2배 및 4배 희석액에서의 방제효과는 각각 90, 95, 90%로 나타났다(Table 3; Fig. 3). 처리 5일 후 전 농도에서 방제효과가 모두 70%이었는데 처리 10일 후에는 각각 90, 95, 90%로 증가되었다가 15일까지 지속되었다. 처리 5일 이후에 모든 처리 농도에서 처리된 모든 잎에서 고사증상이 발현되면서 약효가 발현되었는데 처리 10일째에는 처리된 잎은 모두 고사되기 시작하였지만 완전히 방제되지 않았던 신엽이 재생되기 시작하였다. 처리 처리 15일 후 약제가 묻은 잎은 완전 고사되었지만, 생장점에서는 새로운 잎이 재생하였다. 이와 같이 중기처리와 더불어 전 처리농도에서 재생되는 신엽을 방제하기 위해서는 334 균주의 유효활성물질 생산량 증가와 체계처리 등의 방법을 동원할 필요가 있을 것으로 사료되었다.
돼지풀은 자연상태에서 첫 봄비가 내린 다음부터 일제히 발아하기 시작해서 여름에서 가을에 걸쳐 개화하고 결실한다(Kim and Park, 2009). 생육초기에 일정 기간이 경과하면 생육이 매우 빨라서 초장과 마디수가 기하급수적으로 증가된다. 따라서 중기 이후에는 생육이 매우 왕성하기 때문에 이 시기 이전에 돼지풀을 방제하지 못하면 이후의 방제는 더더욱 어려운 상황이 될 것으로 예상할 수 있다. 본 실험 결과, 발굴한 후보소재 KRA16-334 균주 배양액은 온실조건에서 7-8엽기의 돼지풀에 대해서도 매우 우수한 방제효과를 발휘하기 때문에 자연상태에서도 급속한 생육이 진행되기 이전에 처리하면 매우 유용한 돼지풀 방제수단으로 활용이 가능할 것으로 기대할 수 있었다.
Fig. 2. Herbicidal activity of foliar application of KRA16-334 culture broth filtrate to Ambrosia artemisiifolia with middle leaf stage (4-5Ls) in a greenhouse condition. Herbicidal activity was determined by visual injury (0: No injury, 100: Complete death). The representative pictures were taken 15 days after foliar application. DAT: Days after treatment.
Fig. 3. Herbicidal activity of foliar application of KRA16-334 culture broth filtrate to Ambrosia artemisiifolia with late leaf stage (7-8Ls) in a greenhouse condition. Herbicidal activity was determined by visual injury (0: No injury, 100: Complete death). The representative pictures were taken 15 days after foliar application. DAT: Days after treatment.
체계처리를 통한 약효증진 효과
선발 소재 KRA16-334 균주 배양 여액은 1회 처리에서도 가시박, 단풍잎돼지풀 등의 생태계교란 광엽식물을 효과적으로 방제하지만 각 식물 개체의 생육상황에 따라서는 처리 후 일정기간이 경과하면 신엽이 재생되어 방제효과가 다소 낮아지는 경향을 보이고 있었다. 따라서 이와 같은 재생문제를 해결하기 위한 한 가지 방안으로 2회 체계처리를 통한 약효증진 여부를 확인해 보고자 온실조건에서 수행하였다.
온실조건에서 후보소재 KRA16-334 균주 배양 여액을 돼지풀에 1회 처리하면 원액과 2배 희석액에서는 방제효과가 우수하였으나 4배 희석액에서는 다소 약하게 나타났는데, 2회 체계처리를 하면 4배 희석액에서도 뚜렷하게 증가되었다(Table 4; Fig. 4). 1회 처리 시 원액, 2배 및 4배 희석액에서의 방제효과는 각각 100, 98 및 60%이었는데, 원액에서는 줄기와 잎 모두 완전 고사되었고, 2배 희석액에서는 잎은 거의 고사되었으나 일부 줄기에 녹색이 남아 있으며 생장점 부근에 신엽이 재생되고 있었다. 이와 같은 상태에서 동일한 농도로 2회 체계처리를 하면 각각 100, 100 및 95%로 방제효과가 크게 증가되었다. 2회 처리를 하면 원액과 2배 희석액은 줄기와 잎이 거의 흔적조차 발현할 수 없을 정도로 완전 고사되었고, 4배 희석액의 경우에는 줄기 일부가 녹색이 남아 있고 생장점에서 신엽이 미약하게 재생되고 있는 정도였다. 따라서 선발 후보소재 KRA16-334 균주 배양여액 2회 체계처리는 온실조건에서 돼지풀에 대한 방제효과가 크게 증가되는 것으로 확인하였으며, 이후의 돼지풀 방제연구에도 이용될 수 있을 것으로 판단하였다.
이상의 실험 결과로부터 토양 방선균 KRA16-334 균주 배양 여액은 온실조건에서돼지풀에 대한 방제효과가 매우 우수하기 때문에 천연물 기반의 돼지풀 방제제 후보소재로 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 이와 같은 후보소재의 돼지풀 방제효과는 온실조건에서의 결과이기 때문에 광조건, 온도 및 습도 등 다양한 자연조건에서도 우수한 방제효과가 발현될 지에 대한 추가연구가 필요할 것으로 사료된다. 흡착성 또는 침투성을 증가시킬 수 있는 전착제 선정, 배양 및 배지 최적화, 유효 제초활성물질 증진을 위한 균주개량, 좀 더 체계적인 2~3회의 체계처리 또는 다른 천연물 기반의 제초활성 소재와의 합제처리 등의 후속연구를 통해 자연상태에서도 효과적인 돼지풀 방제수단으로 유용하게 활용할 수 있는 기술개발이 필요한다 할 것이다.
Fig. 4. Enhancement efficacy of KRA16-334 culture broth filtrate by second followed-by treatment to Ambrosia artemisiifolia in a greenhouse condition. Herbicidal activity was determined by visual injury (0: No injury, 100: Complete death). The representative pictures were taken 14 days after foliar application.
외국에서의 돼지풀 방제 방법으로는 pendimetalin, metolaclor, terbutilazin (Carmina, 2010), bentazone (Hager and Renner, 1994) 또는 2,4-D (Bassett and Crompton, 1975) 등의 유기합성 제초제를 활용하는 연구가 있는데, 국내에서는 생태계교란 식물 방제를 위해 유기합성 제초제 사용은 제한적이기 때문에 적용할 수 없을 뿐만 아니라 외국의 농장에 적용한 사례이기 때문에 국내 돼지풀 식생과는 차이가 있어 국내에 적용하기는 현실적으로 어려울 것으로 판단된다. 국내에서는 돼지풀 방제에 관한 기술개발 및 연구가 거의 없는 실정이기 때문에 국내 실정에 맞는 체계적인 방제연구가 필요하다고 생각된다(Kim et al., 2017). 돼지풀은 1998년 생태계교란식물 지정이 된 이후로 경기북부 지역부터 충남서부 및 전라지역 등으로 빠르고 광범위하게 확산되고 있기 때문에(Kim et al., 2016) 적절한 방제체계 구축이 시급히 요구되고 있다. 본 연구팀에서는 국내 서식환경 및 실정에 적용할 수 있는 기술개발 및 연구를 지속적으로 수행하고 있는 바 (Kim et al., 2018; Kwak et al., 2019; Lee et al., 2013; Won et al., 2015), 국내 환경에 적용할 수 있는 효과적인 천연물 기반의 생태계교란 식물 방제제 개발을 기대해 본다.
요 약
토양 방선균 KRA16-334 균주 배양여액의 돼지풀에 대한 방제효과를 온실 및 포장조건에서 수행하여 돼지풀 방제제 후보소재로서의 가능성을 검토하였다. 본 균주 배양 여액은 온실조건에서 돼지풀 초·중·후기 경엽처리 시 처리 농도범위에서 우수한 방제 활성을 보였으며, 2회 체계처리에서 4배 희석액 처리농도까지 우수한 방제효과를 나타내었다. 선발 균주 KRA16-334 배양여액의 돼지풀에 대한 살초특성은 속효성이었고 약효가 2주 이상 지속되는 특성을 확인하였다. 외형적으로는 처리 초기에 황화 증상이 발현되었다가 고사로 진행되어 사멸되는 양상을 보였다. 선발 후보소재 토양 방선균 KRA16-334 균주는 국내 환경 및 식생 조건에서 생태계교란 광엽잡초인 돼지풀에 대한 친환경적인 방제제로서 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
주요어: 돼지풀, 생태계교란 식물, 친환경적 방제, 토양 방선균 KRA16-334, 후보소재
Acknowledgment
This work was carried out with the support of "Cooperative Research Program for Agriculture Science & Technology Development (Project No. PJ01612801)" Rural Development Administration, Republic of Korea.
Author Information
Jae-Deok Kim, Korea Research Institute of Chemical Technology
Young-Sook Kim, Korea Research Institute of Chemical Technology
Kyoung-Soo Jang, Korea Research Institute of Chemical Technology
He-Kyoung Lim, Korea Research Institute of Chemical Technology
Kee Woong Park, Chungnam National University, Professor
Jeong-Hyun Lim, National Institute of Agricultural Sciences
Kyong-Mi Chon, Korea Research Institute of Chemical Technology
Jung-Sup Choi, Korea Research Institute of Chemical Technology
