HRAC(2024)에 따르면 전 세계적으로 156종의 쌍자엽과 117종의 단자엽 등 제초제 저항성 잡초 534건이 74개국 101개 작물에서 보고되어 있다. 이 보고서에서는 단일 제초제 또는 동일한 작용점을 저해하는 제초제를 장기 사용하게 되면 제초제 저항성이 가속화 되는데, 전 세계적으로 약 250종의 잡초가 적어도 하나의 제초제 또는 작용 부위에 저항성이 있는 것으로 확인되었고, 제초제 저항성 잡초의 출현은 작물 생산을 제한하게 된다고 하고 있다. 또한, 2000년 이후에는 EPSP 저해제(Glyphosate) 저항성이 급증하고 있을 뿐만 아니라, multi-site 저항성이 증가하는 추세라고 분석하였다.
비선택성 제초제 글리포세이트〔N-(phosphonomethyl)glycine〕는 식물과 미생물에서 방향족 아미노산을 생성하는 시키메이트 경로(shikimate pathway)를 방해하는데(Funke et al., 2006), 식물 효소인 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSP) 작용을 억제하여(Funke et al., 2006; Maeda and Dudareva, 2012; Casida, 2017) 식물 조직에 시키메이트가 축적됨으로서 식물체가 고사되는 작용기전을 갖고 있다. 글리포세이트는 글로벌 시장에서 가장 많이 사용되는 제초제로 1996년 호주에서 최초로 저항성이 보고된 이후(Powles et al., 1998) 이 제초제를 사용하고 있는 대부분 국가에서 저항성이 발견되고 있는데(Ribeiro et al., 2014; Chen et al., 2015; Heap. 2017), Heap (2021)의 보고에 의하면 전 세계 53개 종에서 확인되고 있다. 한편, 2000년에 말레이시아에서 왕바랭이(Eleusine indica)에 대한 글리포세이트 저항성이 처음 보고된 이후(Lim and Jeremy, 2000) 아르헨티나, 멕시코, 칠레 등 남미나 일본, 중국, 말레이시아, 인도네시아 등 동남아시아(Chen et al., 2015; Heap and Duke, 2017; Liu et al., 2019 ;Liu et al., 2021) 지역의 많은 국가에서 지속적으로 보고되고 있다. 국내의 경우 제주도 감귤 밭에서 발생한 망초(Conyza canadensis)에 대한 글리포세이트 저항성이 최초 보고된 바 있지만(Aung and Park, 2017), 지금까지 왕바랭이에 대한 저항성 보고는 없다. 왕바랭이는 북아프리카와 인도가 원산이나 지금은 전 세계적으로 온대에서 열대에 걸쳐 널리 분포하는데, 밭상태의 농경지와 비농경지에서 생육하는 대표적인 여름 밭 잡초로서 논뚝, 밭, 밭뚝은 물론이고 포장도로의 갈라진 틈이나 포석 사이에도 발생하는 생명력이 강한 잡초이다(Kim and Park. 2009). 왕바랭이 방제를 위해 글리포세이트와 같은 비선택성 제초제를 사용하는데 다년간 반복사용으로 인한 저항성 발생 문제가 대두되고 있으나 국내에서는 그 실태파악이 부재한 상황이라 할 것이다.
본 연구에서는 국내에서 수집한 2종의 왕바랭이에 대한 글리포세이트 약량 반응을 통해 저항성 발현 여부를 확인하여 국내 왕바랭이 저항성 발생 실태를 파악하고 합리적인 방제체계 방안을 모색해 보고자 수행하였다.
감수성 종자는 대전 근교에서 채종한 종자를 이용하여 ㈜대승바이오팜 포장에서 자체 증식을 통해 확보하였다. 글리포세이트 저항성 종자 1(RT-1)은 충남 부여군 세도면 가회리에서 채종하였고, 저항성 종자 2(RT-2)는 전남 완주군 지역에서 채종하였다. 각 채종 종자는 정선 후 4~6℃ 저온고에 보관하면서 필요시 꺼내어 사용하였다. 표면적 350 cm2 사각 플라스틱 포트에 원예용상토를 충진 한 후 저온고에 보관중인 감수성 및 2종의 저항성 왕바랭이 종자를 파종하여 온실조건(28±5℃, 광/암=14/10시간)에서 관리하다가 제 2본엽이 완전히 전개된 후 표면적 64 cmcm2 원형포트에 1개체씩 이식하여 생육시켰으며, 이식 후 각 왕바랭이 잎이 평균 3.6엽(초장 13.1 cm), 1분얼이 시작되기 시작할 때 glyphosateisopropylamine(제품명; 근사미(팜한농))을 4,920, 2,460, 1,230, 615(포장 처리량), 308, 154, 77, 39, 20, 10, 5g/10a로 조제하여(Tween 20®, 0.1% 포함) 150mL/20L 처리기준으로 살포물량은 400L/10a가 되도록 하여 흄후드에서 분무 경엽 처리하였다. 약제 처리 후 동일한 온실에서 관리하다가 처리 17일 후에 약효 정도를 달관조사(0; 효과없음, 100; 완전방제)하였다. 또한, 달관조사 결과를 기반으로 감수성 종과 저항성 종간의 저항성 비(R/S ratio)를 다음의 식으로 산출하였으며, 모든 실험은 3반복으로 수행하였다.
Dose-response equation: Y=d+( a-d / [1+(x/c)b] ) y-fresh weight, d-the maximum value, a-the minimum value, x-the dose rates of glyphosate, c-GR50(the rate causing 50% biomass reduction), b-response line slopes around the rate of GR50
저항성 종자는 감수성 종자에 비해 상대적으로 종자의 크기가 작았고, 종피 색은 연갈색(pale brown)으로 진갈색(dark brown)인 감수성 종자와 차별되었다. 또한, 저항성 종자의 장축 및 단축은 감수성 종자에 비해 상대적으로 적은 것으로 관찰되었다. 감수성 및 저항성 왕바랭이는 종자 발아속도 및 생육속도에서도 감수성 종과 저항성 종간에는 뚜렷한 차이가 관찰되었는데, 감수성 왕바랭이의 경우에는 파종 5일 후에 대부분의 개체가 지상부로 출현을 하였지만 저항성 왕바랭이는 1~2개체만 출현하였으며, 지상부 출현 후 생육속도에서도 큰 차이를 보이고 있었다. 초형에서도 두 종간에서 차이를 보이고 있었는데, 감수성의 초형은 분지각형(가시벌림새 형)으로 분얼 각도가 아주 넓고 분얼수는 많지 않아 소분얼의 특성을 보인 반면, 저항성의 경우에는 직립형(곧추서기 형)이며, 분얼수가 감수성 종에 비해 상대적으로 많아 다분얼의 특성을 보이고 있었다(데이터 미제시).
글리포세이트에 대한 왕바랭이 감수성(S)과 2종의 저항성(RT-1 및 RT-2) 종간에는 뚜렷한 약량 반응 차이가 있었다. 감수성 왕바랭이의 경우 글리포세이트 포장 처리량 615g/10a 이상 농도처리에서의 방제가는 모두 100%이었을 뿐만 아니라 포장 처리량의 x1/8 농도인 77g/10a 에서도 100%의 방제가를 나타내었다. 또한, 포장 처리량의 x1/16 농도인 39g/10a 에서도 99.3%이었고, 20, 10, 5g/10a 처리농도에서는 각각 83.3, 43.3, 13.3%이었다.
그러나 저항성 RT-1의 경우 글리포세이트 포장 처리량의 8배 농도인 4,920g/10a 처리농도에서도 93.3%로 완전방제되지 않았고, 2,460, 1,230, 615, 308g/10a 처리농도에서 각각 90, 83.3, 70, 46.7%이었다(표 1). 이와 같은 감수성과 RT-1의 글리포세이트에 대한 달관조사 결과를 기반으로 50% 저해농도(GR50 value)를 산출하였는데, 감수성 종에서는 12.72g/10a 이었고, 저항성 종의 경우에는 372.8g/10a로 두 종간의 저항성 비는 29.3이었다.
또한, 저항성 RT-2의 경우에도 감수성에 비해 뚜렷한 약량 반응 차이를 보였는데, 글리포세이트 포장 처리량의 8배 농도인 4,920g/10a 처리농도에서도 93.3%로 완전방제되지 않았고, 2,460, 1,230, 615, 308g/10a 처리농도에서 각각 91.7, 80, 53.3, 33.3%이었다. 저항성 RT-2의 50% 저해농도는 525.8g/10a로 감수성과의 저항성 비는 41.3이었다. 이상의 결과로부터 국내에서 수집한 2종의 왕바랭이는 글리포세이트에 대해 감수성 종과는 뚜렷한 약량 반응 차이를 보이고 있었기 때문에 저항성 종으로 판단되었다(그림 1).
형질전환(genetic transformation) 또는 제초제에 대한 도태압(selection pressure)을 통해 발현되는 저항성이 고정되기까지는 일정기간 적응 (fitness)과정이 필요하다(Martin, 2019; Keshtkar et al., 2018). 본 실험에서 사용한 저항성(RT-1) 왕바랭이의 경우 글리포세이트 처리 이력이 불명확하기 때문에 저항성으로 완전하게 고정된 상태인지 적응과정인지는 판단하기 어렵지만 종자 크기나 색, 발아 후 생육속도, 초형이나 분얼수 등의 생태적 특성에서 감수성 종과는 뚜렷한 차이가 관찰되었다. 일반적으로 제초제 저항성은 target-site resistance(TSR)와 non-target-site(NTSR)이 있는데(Gaines et al. 2020), TSR은 작용점 변형(Devine and Eberlein 1997)이나 유전자 과발현(Nol et al. 2012) 등이 포함되며, NTSR은 흡수(Powles and Preston 2006) 및 이행의 감소(Shaner 2009), 대사(Wakelin et al. 2004), 제초제 배제 또는 격리(Yu et al. 2009) 등이 포함된다. 글리포세이트의 작용점인 EPSPS는 주로 식물 색소체에 위치해 있기 때문에 처리된 글리포세이트는 식물 체내로 흡수되어 활성화된 부위로 이동해야만 한다(Baylis 2000). 글리포세이트에 대한 저항성 기전 역시 광범위하게 연구되고 있는데, EPSPS 아미노산 치환, 증폭된 EPSPS 유전자 복제 수, 이행의 감소, 액포로의 격리 및 빠른 괴사 등 여러 저항성 기작이 제안되고 있다(Sammons and Gaines 2014). 또한, 잎으로의 제한된 흡수가 상대적으로 낮은 수준의 저항성이 발현되는 것으로 보고되어 있다(Vila-Aiub et al., 2012). 본 실험 결과 국내에서 수집한 2종의 글리포세이트 저항성 왕바랭이는 감수성 종과 비교할 때 저항성 비가 각각 29.3(RT-1) 및 41.3(RT-2)으로 저항성 종임을 확인하였다(그림 2). 하지만 이러한 저항성 발현이 TSR인지 NTSR인지 등에 대한 후속 연구를 통해 명확한 저항성 기전이 구명되어야 할 것이다.
Fig. 2
Fifty percent (50%) growth inhibitory concentration of Eleusine indica susceptible (A), resistant species RT-1 (B) and RT-2 (C) to glyphosate under greenhouse conditions. S denotes susceptible species, and RT-1 and RT-2 denote glyphosate-resistant species 1 and 2. Vertical bars are standard deviations of the means. In some cases, the error bar is obscured by the datum symbol.
지금까지 국내에서 글리포세이트 저항성 왕바랭이에 대한 보고는 없었는데, 국내에서 수집한 왕바랭이 저항성 종을 보고한 본 연구 결과는 시사하는 바가 매우 크다 할 것이다. 향후 명확한 저항성 기전 규명 및 다중 저항성 발현 등에 대한 후속 연구가 필요하다고 하겠다. 본 연구 결과를 기반으로 국내 글리포세이트 저항성 왕바랭이에 대한 지속적인 모니터링을 통한 확산 방지 및 효율적인 방제체계 시스템을 구축할 수 있는 계기가 되길 기대한다.
요약
전 세계적으로 왕바랭이 방제에 글리포세이트는 효과적이지 않다는 여러 사례가 보고되고 있는데, 최근 들어 우리나라에서도 이와 비슷한 양상이 지속적으로 제기되고 있는 실정이다. 본 연구는 글리포세이트 저항성이 의심되는 2종의 왕바랭이 종자를 수집하여 저항성 여부를 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 온실 조건에서 수행한 글리포세이트 약량 반응 결과 2종의 저항성 종 RT-1 및 RT-2의 50% 생육저해농도는 감수성 종에 비해 각각 29.3 및 41.4배 높았다. 또한, 감수성 왕바랭이 종과 비교했을 때, 저항성 종은 종자의 크기, 색깔, 잎 모양, 발아율, 식물의 생장 정도에서 뚜렷한 차이가 있음을 확인하였다. 우리나라에서 왕바랭이에 대한 글리포세이트 저항성을 확인한 본 연구 결과는 제초제 선택, 사용 빈도, 방제 방법 등의 저항성 왕바랭이 방제 시스템 구축에 유용한 자료가 될 것이다. 본 연구 결과는 또한 2017년 제주도에서 발생한 망초(Conyza canadensis)에서 저항성이 처음 확인된 이후, 우리나라에서 두 번째로 확인된 글리포세이트 저항성 사례가 될 것이다.
Acknowledgement
This work was supported by Korea Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agriculture and Forestry (IPET) through Agricultural Machinery/Equipment Localization Technology Development Program, funded by Korea Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agriculture and Forestry (IPET) (321056-05), and the KRICT Institutional Program (Project Name : Development of leading agents for crop protection, Project Number : KK2561-10) and supported by the KOREA RESEARCH INSTITUTE of CHEMICAL TECHNLOGY.
Authors Information
Jung Sup Choi, https://orcid.org/0000-0001-7978-8985
Young Sook Kim, https://orcid.org/0000-0002-7233-4806
He Kyoung Lim, Korea Research Institute of Chemical Technology, Researcher
Kyoung Soo Jang, Korea Research Institute of Chemical Technology, Researcher
Umurzokov Mirjalol, https://orcid.org/0000-0001-8148-8041
Kwang Min Cho, https://orcid.org/0000-0003-0537-2164
Kee Woong Park, https://orcid.org/0000-0003-0053-9543
