현재 전세계적으로 제초제는 대부분의 농경지에서 필수적으로 사용되고 있으며, 그에 따른 시간과 노동비용 절감의 효과는 매우 크다. 그러나 지난 30년동안 새로운 작용기작을 갖는 제초제 개발의 부재로 인해 오랜 기간 동안 동일 작용점을 타겟으로 하는 기존 제초제들이 반복적으로 사용되어 왔고, 이로 인해 기존 제초제에 대한 저항성 잡초종들이 발생하여 문제가 되고 있다(Duke et al., 2012). 제초제 저항성과 관련된 주요한 기작은 target-site resistance (TSR)와 non-target-site resistance (NTSR)가 있으며(Powles et al., 2010), 두 저항성 기작 모두 구조적 또는 유전적 돌연변이에 의해 야기된다(Délye et al., 2015). TSR은 제초제의 작용점 단백질의 3차원 구조가 돌연변이에 의해 변형되어 나타나는 특성이며, NTSR은 작용점에 도달하는 제초제의 양을 최소화하거나 제초제로 인한 산화적 손상으로부터 식물체를 보호하여 나타나는 특성이다(Délye et al., 2013).
Acetolactate synthase (ALS) 저해제에 대한 저항성 잡초들도 해당 제초제를 다년간 사용한 농경지에서 무독화효소에 의한 제초제 분자의 대사적 분해능의 증가나(Wang et al., 2022; Shim et al., 2020) ALS 유전자 돌연변이가 발생하여 다양한 종류의 잡초종들에서 저항성이 나타난 것으로 보고되었다(Sen et al., 2021).
국내 농경지에서도 저항성 잡초 문제가 심각하게 대두되고 있으며, 그 중에서도 ALS 저해 제초제에 대한 저항성 잡초는 1998년 충남 서산 간척지에서 최초로 발견된 이후 급속도로 확산되었다(Park et al., 1999). ALS 저해 제초제에 대해 저항성을 띄는 잡초 종으로는 물달개비, 미국외풀, 마디꽃, 올챙이고랭이, 알방동사니, 올미, 새섬매자기, 올챙이자리, 쇠털골, 논피, 벗풀 등이 알려져 있다(Lee et al., 2016). 이 중 올챙이고랭이와 관련된 선행연구에서 경남 지역 수집종 중 ALS 저해 제초제에 대해 높은 저항성을 나타내는 것이 보고된 바 있다(Shim et al., 2020). 한편 또 다른 선행연구에서는 ALS 저해 제초제 저항성 벗풀이 감수성 수집종에 비해 발아율이 더 높은 경향을 나타냈는데(Jia et al.,2021), 이것은 포장에서 제초제 저항성 잡초가 대량으로 확산할 수 있음을 시사하였다. 그러나 현재 국내에서 제초제 저항성 잡초가 여러 세대가 경과해도 여전히 저항성을 유지하는 지에 관한 보고는 없으며, 제초제 저항성 잡초의 발아율에 관한 연구도 알려진 바 없다. 따라서 본 연구에서는 제초제 저항성 올챙이고랭이가 세대가 거듭되어도 약제에 대한 저항성이 여전히 유지되며, 저항성 및 감수성 올챙이고랭이 간에 발아율의 차이를 파악하기 위해 실험을 수행하였다
Penoxulam에 대한 HC121과 GS28의 저항성 차이
ALS 저해 제초제 저항성 올챙이고랭이는 2017년 수집된 GS28 (resistance, R) 올챙이고랭이 종자를 4년간 증식하여 수확된 종자를 사용하였다. 감수성 종자도 동년에 수집되어 4년간 증식된 HC121 (susceptible, S)을 사용하였다. 저항성 검정을 위해 저온 침지하여 휴면타파된 종자를 페트리디쉬에 치상하고 30℃ 광조건 14시간/20°C 암조건 10시간의 인큐베이터에서 최아시켰다. 균일하게 최아된 유묘는 트레이에 이식하고 유리온실에서 생육시켰다. 이후 생육상태가 균일한 3엽기의 유식물체를 선발하여 사각포트(가로 13 cm, 세로 18 cm, 높이 6 cm)에 3개체씩 이식한 후 ALS 저해 제초제인 triazolopyrimidine계의 penoxsulam 0.12% 입제를 처리하였다. 약제 처리량은 HC121에서 포장사용량(3 kg a.i. ha-1)의 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 및 1배로, GS28은 1, 4, 8, 16 및 32배로 설정하였다. 약제 처리 14일 후에 식물체를 흐르는 물로 세정한 후 지상 및 지하부를 포함한 전체 생체중을 측정하였으며, log-logistic model에 의한 비선형 회귀분석법으로 제초제에 대한 올챙이고랭이의 growth ratio (GR)50를 구하였다. 실험 결과 4세대인 HC121(S)은 포장사용량의 1/4 농도에서도 생육이 현저히 저하되었고 1배량의 표준 농도에서는 고사 직전의 단계에 이르렀으나, 4세대인 GS28은 표준량에서 대조구에 비해 별다른 생장 억제가 나타나지 않았으며 32배 농도에서도 여전히 생존하였다(Fig. 1). 약제 처리 14일 후 식물체의 생체중을 기준으로 log-logistic equation을 계산하였을 때 HC121의 GR50 값은 0.38 μM로 매우 낮았으나, GS28의 GR50 값은 29.87 μM로 매우 높았으며, 두 수집종간의 R/S ratio는 78.6배의 현저한 차이를 나타내었다(Fig. 2). 따라서 GS28의 저항성은 여러 세대가 경과하여도 여전히 유지되는 것으로 판단되었다.
HC121과 GS28의 발아율 차이
HC121 및 GS28의 4세대 종자를 증류수에 침지 시킨 후 저온(4℃)에서 휴면타파를 유도하였으며, 증류수는 1주일 마다 교체하였다. 침지 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12주 후 종자를 100립씩 100 mL의 유리튜브에 옮긴 후, 각각 증류수 12 mL를 첨가하고 입구를 wrap으로 밀봉한 뒤 25°C, 광조건 하의 인큐베이터에서 15일 동안 발아율을 조사하였다. 실험 결과 두 수집종 모두 저온 침지 2주 후 까지 발아하지 않았으며, HC121(S)은 2주 이후부터 12주차 까지도 발아율이 3% 미만으로 매우 낮았다. 그러나 GS28은 2주차부터 4주차 사이에 발아율이 급격하게 증가하였으며 12주 후에는 약 85%의 높은 발아율을 나타내었다(Fig. 3). 따라서 GS28은 HC121에 비하여 휴면성이 매우 낮은 반면 발아율은 현저히 높은 것으로 판단되었다.
요 약
본 실험은 ALS 저해 제초제인 penoxsulam에 대해 저항성인 GS28(R)이 세대가 거듭되어도 약제에 대한 저항성이 유지되며, 감수성인 HC121(S)과 발아율의 차이가 있는지를 파악하기 위해 수행되었다. 선행 연구(2017년)에서 GS28은 다른 감수성 수집종들에 비하여 매우 높은 R/S ratio 값을 나타내었다. 본 실험에서도 GS28과 HC121의 4세대 유식물체는 penoxulam에 대한 R/S ratio 값이 각각 78.1:1로 선행연구의 결과와 유사한 경향을 보였으며, GS28의 저항성은 세대가 거듭되어도 유지되는 것으로 판단되었다. 또한 GS28은 HC121에 비하여 휴면성이 매우 낮고 발아율이 현저하게 높았으므로, 그 종자가 포장에 유출되었을 때에는 ALS 저해 제초제에 대한 저항성 올챙이고랭이가 대발생 할 것으로 예상 되었다.
