왜 돌려짓기가 좋은가

작물을 바꾸면 그에 따라 토양미생물도 바뀐다는 사실을 밝힘.

토양층

로마시대부터 활용된 돌려짓기는 식물의 영양을 개선하고, 병이 퍼지는 걸 억제한다. Nature의 ‘ISME 저널’에 발표된 새로운 연구에서는 박테리아와 균류, 원생동물이 토양을 기름지게 하는 데 미치는 지대한 영향을 밝혔다.

“작물의 종을 바꾸면 토양미생물의 함유량이 크게 바뀌어, 결과적으로 식물이 영양을 얻고, 성장을 조절하며, 스스로 병해충을 막는 일을 도와 수확량을 증대시킵니다”라고 존이네스 센터의 Philip Poole 교수는 말한다. 

토양을 노리치 근처의 밭에서 수집했는데, 여기에는 밀과 귀리, 완두콩을 재배했다. 밀을 재배한 뒤, 크게 변하지 않고 남아 있었으며 그 안에 있는 미생물은 대부분 박테리아였다. 그러나 동일한 토양 표본에서 귀리와 완두콩을 재배하자 원생동물과 선충으로 확 전환되었다. 완두콩을 재배한 토양은 균류가 매우 풍부해졌다. 

“뿌리 근처의 토양은 밀을 재배하기 전과 후에는 비슷했지만, 완두콩과 귀리는 미생물의 다양성을 고쳐 놓았습니다”라고 Poole 교수는 말한다.

지구에 있는 모든 생물은 원핵생물(박테리아를 포함)과 진핵생물(인간과 동식물만이 아니라 균류를 포함)로 나눌 수 있다. 4주 정도 재배한 뒤 밀 주변의 토양은 약 3%의 진핵생물을 함유했다. 이것이 귀리와 완두콩에서는 12~15%로 상승했다. 균형의 변화는 작물을 몇 주가 아니라 몇 달씩 재배하는 밭에서는 더 심해질 수 있다.

분석은 기존의 증폭 DNA 표본에 의존했다. 이는 한 번에 박테리아 같은 하나의 분류학적 집단을 분석하려는 과학자들을 제한한다. 그건 또한 해당 집단에 존재하는 모든 것이 활성 역할을 담당하고 있는 것이라기보다는 분석된 것임을 뜻한다. 토양 1g당 5만 종 이상의 박테리아가 함유되어 있어서 이 작업은 엄청난 것이다. 

발현된 활성 유전자, 또는 RNA가 상대적으로 더 적은 것이 있다. 현재 계에 걸쳐 RNA를 시퀀스할 수 있어서 전체 스냅샷은 활성 박테리아와 균류, 원생동물 및 기타 토양미생물을 잡을 수 있다. 연구는 이스트 앵글리아 대학과 노리치 리서치파크의 게놈분석 센터와 협력하여 이루어졌다. 

“RNA 시퀀싱으로 우린 활성 토양미생물의 큰 그림을 볼 수 있습니다”라고 존이네스 센터의 박사과정 Tom Turner 씨는 말한다. 

“이를 통해 어떻게 그것들이 식물을 돕고 있는지를 포함하여 그들이 거기에서 하고 있는 일을 알 수 있게 해줍니다.”

“우리의 작업은 밭에서 농민들이 경험하는 걸 설명하는 데 도움이 됩니다”라고 Poole 교수는 말한다.

“최고의 종자는 최대의 잠재력을 발휘할 수 있는 최선의 농법과 결합되어야 합니다.”

“대규모 단작에서는 하나의 종만 계속 이어짓기하여 한 방향으로 토양을 끌어당기지만, 돌려짓기는 토양을 건강하게 한다는 이점이 있습니다.”

종자는 인간이 우호적인 박테리아를 접종하듯이 파종하기 전에 박테리아를 접종할 수 있다. 그러나 이 연구에서는 그렇게 하여 미생물의 다양성이나 수량을 획득하지는 못한다는 것을 밝혔다. 

또한 과학자들은 균류 병원균으로부터 뿌리를 보호하는 화합물인 아베나신(avenacin)을 정상적인 수준으로 생산할 수 없는 귀리 품종을 재배했다. 그들은 그 결과 토양에 균류가 더 높은 수준으로 함유되겠다고 예상했지만, 그 대신 원생동물 같은 기타 진핵생물의 다양성이 더 풍부해졌음을 발견했다. 

연구 결과는 토양에 이로운 미생물을 북돋는 식물 품종을 개발하기 위해 사용될 수 있다. 존이네스 센터의 과학자들은 이미 일반적으로 완두콩과 관련된 질소고정 박테리아와 연계할 수 있는 곡물 작물을 개발할 수 있는지 조사하고 있다.

“식물 유전자형의 작은 변화가 뿌리 주변의 토양미생물에 복잡하고 예기치 않은 영향을 미칠 수 있습니다”라고 Poole 교수는 말한다.

“과학자와 육종가, 농민은 이러한 효과를 최대한 활용할 수 있습니다.”

연구는 생명공학과 생물학 연구협의회(BBSRC)와 존이네스 센터의 핵심전략 교부금에서 자금을 지원받아 이루어졌다. 

전체 참조

Comparative metatranscriptomics reveals Kingdom level changes in the rhizosphere microbiome of plants by Thomas Turner et al. The ISME Journal advance online publication 18 July 2013; doi: 10.1038/ismej.2013.119

http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-07/nbi-wcr071513.php