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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

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아프리카의 옥수수 농사에서는 Striga라고 하는 기생식물 때문에 피해가 많다고 한다. 이 풀이 얼마나 지독한지 사람들은 '악마의 풀' '보랏빛 뱀파이어' 등으로 부른다. 이 풀이 발생하면 옥수수 등의 곡물 생산량이 30% 정도, 심할 경우에는 100% 감소한다고 하니 그 무시무시함을 가늠할 수 있다.



예쁜 꽃이 핀 Striga.



이 풀이 발생하면 하나에서 2만~5만 개의 씨앗이 생긴다니 씨앗을 맺기 전에 얼른 제거하는 것이 상책이겠다. 만약 씨앗이 맺혀서 흙속으로 들어가면 15년까지 휴면하다가 다른 식물이 자랄 때, 특히 다른 곡식을 심을 때 다시 자란다고 한다. 흐미 징한 것. 생긴 건 예쁘장한데 정말 징하구만. 


이 기생식물은 숙주의 뿌리에 자신의 뿌리를 박아 넣어 옆에서 영양분을 쪽쪽 빨아먹는다. 그래서 작물이 키도 크지 않고 수확량도 급감하게 되는 것이다.


옥수수 옆에서 그 뿌리에서 양분을 쪽쪽 빨아먹고 있는 모습. 여기는 올해 농사 망했다.



이 풀의 피해를 해결하기 위하여 저항성을 갖춘 옥수수를 개발하기도 한다. 여기에는 옥수수 박사로 통하는 한국의 김순권 씨도 유명한 분이다(http://www.christiantoday.co.kr/view.htm?id=260131).


그런데 또 다른 방법이 있으니, 바로 '밀땅 농법'이 그것이다. 영어로는 Push-Pull이라고 하니 우리말로는 밀땅이지 뭔가? 이 농법은 주로 아프리카 케냐 등지에서 활용되고 있다.


방법은 간단하다. 섞어짓기를 활용하는 것이다.

옥수수 사이에는 도둑놈의 갈고리라는 콩과식물을 심어서 다비성인 옥수수에 거름을 공급하는 역할을 하는 한편, 뿌리선충이 싫어하는 물질을 내뿜어 그 피해도 막아준다. 또한 Striga 같은 풀이 자라는 것도 억제한다니 참 장하다.

그리고 옥수수밭의 양 끝으로는 네이피어 그라스 같은 사료작물을 심는다. 그러면 도둑놈의 갈고리에서 나오는 물질 때문에 옥수수에서 쫓겨난 해충이 네이피어 그라스에 가서 알을 낳고, 그 알에서 나온 벌레가 네이피어 그라스에서 내뿜는 끈적끈적한 물질 때문에 끈끈이에 달라붙은 파리처럼 꼼짝 못하고 죽는다는 것이다.



밀땅 농법의 모든 것.




해충 피해도 줄이고, 선충의 피해도 줄이며, 수확량도 높이고, 토양도 개선하고, 섞어짓기한 식물들은 사료 등으로 이용할 수 있으니 이 농법이 지닌 장점이 얼마나 대단한가! 그러나 이러한 방식은 아마 대규모 기계화 농업에서는 귀찮아 할지도 모른다. 일단 손이 많이 가지 않는가.


하지만 중소 규모의 농사를 짓는 농민에게는 환영할 만한 일. 값비싼 농약이나 신품종 옥수수를 사다가 심을 필요 없이 간단하게 문제를 해결하면서 다양한 이익을 얻을 수 있는 농법이다.

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"먹는 것이 바로 너이다"라는 문구가 있다.
에이, 설마 그러겠느냐고 반응하는 사람들이 대부분이겠지만 과학적으로 입증이 되고 있다.

비록 꼬마선충을 대상으로 한 실험이긴 하지만, 

인간도 조금 더 시간이 걸리고, 조금 더 다양한 먹을거리를 먹어서 실험하기 어려워서 그렇지 마찬가지일 것이다.
꼬마선충이나 인간이나 똑같은 생명이기에...


그나저나 예쁜꼬마선충은 참 예쁘구나.


http://bit.ly/Z9HZLT

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연합뉴스) 건강에 해로운 음식을 아주 조금이라도 먹으면 유전자 발현에 큰 변화를 일으키며 이것이 신체 생리와 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 밝혀졌다고 사이언스 데일리가 1일 보도했다.


미국 매사추세츠 의대(UMMS) 과학자들은 예쁜꼬마선충(C. elegans) 실험을 통해 먹이의 차이가 유전자 발현에 큰 차이를 일으킨다는 사실을 발견했다고 셀(Cell) 지에 발표했다.

연구진은 꼬마선충 실험에서 한 집단에는 자연의 먹이인 코마모나스균을, 다른 집단에는 실험실 표준 먹이인 E.콜라이균을 먹인 결과 전자의 경우 후자에 비해 발육이 빠르지만 후자보다 자손도 적고 수명도 짧은 것으로 나타났다고 밝혔다.

이들은 다른 먹이를 섭취한 두 집단에서 최소한 87가지의 유전자 발현 변화를 찾아냈다. 놀랍게도 이들 변화는 영양소 센서 경로인 TOR 및 인슐린 신호전달계와는 관계없이 성장·발육과 관련된 탈피(molting) 조절인자에서 일어나는 것으로 밝혀졌다.

이는 섭식과 유전자 발현 및 생리 사이의 필수적인 관련성을 보여주는 것이다.

연구진은 "중요한 사실은 꼬마선충의 먹이로 영향받는 것과 같은 조절인자가 사람의 활동일주기를 좌우한다는 것"이라고 밝혔다.

더욱 놀라운 사실은 한 집단에 주로 E.콜라이균을 먹이로 주면서 코마모나스균을 소량만 섞어 줬을 때도 유전자 발현과 생리에 극적인 변화가 나타났다는 것이다.

이는 특정 먹이가 `건강에 좋거나 나쁘거나' 둘 중 하나가 아니라 각기 다른 조건에서 각기 다른 생리적 효과를 내는데 특정량의 특정 먹이가 최상의 효과를 낸다는 것을 의미한다.

연구진은 "대체로 건강에 이롭지 않은 음식이라도 건강에 좋은 음식을 조금만 섞어 먹으면 유전자 발현에 이로운 변화를 이끌어내 매우 큰 생리적 효과를 낼 수 있다는 것이 사실"이라고 말했다.

이 연구는 생물의 대사 균형을 유지하기 위해 체내 생리와 외부 환경의 신호에 빠른 속도로 반응을 일으키는 유전자 조절 네트워크가 존재한다는 사실을 시사하는 것이다.

youngnim@yna.co.kr


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ntroduction

Nematodes are microscopic, wormlike organisms (Fig. 1) that live in water films and water-filled pore spaces in the soil. Typically, they are most abundant in the upper soil layers where organic matter, plant roots, and other resources are most abundant. Nematode abundance in soils—managed and unmanaged—ranges from 1–10 million individuals/m2 (Peterson and Luxton, 1982; Lavelle and Spain, 2001).



Figure 1. A typical free-living, bacterial-feeding nematode, less than 1mm (0.04in) in length. Figure credit: Ed Zaborski, University of Illinois.

Most research on soil nematodes has focused on the plant-parasitic nematodes that attack the roots of cultivated crops. Less attention has been given to nematodes that are not plant-feeders and play beneficial roles in the soil environment. This article describes the important roles played by nematodes in soil ecosystems, as well as their potential to be used as indicators of soil condition in organic farming systems.

Nematode Feeding Habits

Nematodes can be classified into functional groups based on their feeding habits, which can often be deduced from the structure of their mouthparts (Fig. 2). In agricultural soils, the most common groups of nematodes are the bacterial-feeders, fungal-feeders, plant parasites, predators, and omnivores. Predatory nematodes feed on protozoa and other soil nematodes. Omnivores feed on different foods depending on environmental conditions and food availability; for example, omnivorous nematodes can be predators, but in the absence of their primary food source, they can feed on fungi or bacteria.



Figure 2. Nematodes can be classified into different feeding groups based on the structure of their mouthparts. (a) bacterial feeder, (b) fungal feeder, (c) plant feeder, (d) predator, (e) omnivore. Figure credit: Ed Zaborski, University of Illinois.

Importance of Nematodes in Agricultural Systems

Nematodes contribute to a variety of functions within the soil system. In agricultural systems, nematodes can enhance nutrient mineralization and act as biological control agents.

Nematodes and Soil Fertility

Soil nematodes, especially bacterial- and fungal-feeding nematodes, can contribute to maintaining adequate levels of plant-available N in farming systems relying on organic sources of fertility (Ferris et al., 1998). The process of converting nutrients from organic to inorganic form is termed mineralization; mineralization is a critical soil process because plants take up nutrients from the soil primarily in inorganic forms. Nematodes contribute directly to nutrient mineralization through their feeding interactions. For example, bacterial-feeding nematodes consume N in the form of proteins and other N-containing compounds in bacterial tissues and release excess N in the form of ammonium, which is readily available for plant use. Indirectly, nematodes enhance decomposition and nutrient cycling by grazing and rejuvenating old, inactive bacterial and fungal colonies, and by spreading bacteria and fungi to newly available organic residues. In the absence of grazers, such as nematodes and protozoa, nutrients can remain immobilized and unavailable for plant uptake in bacterial and fungal biomass.

Bacterial-feeding nematodes are the most abundant nematode group in agricultural soils. Their abundance closely follows that of bacterial populations, which tend to increase when soil disturbances, such as tillage, increase the availability of readily-decomposable organic matter. Nitrogen mineralization in the soil occurs at a higher rate when bacterial-feeding nematodes are present than when they are absent. The contribution of bacterial-feeding nematodes to soil N supply depends, in part, on the quality and quantity of soil organic matter fueling the system. Net N mineralization from decomposing organic residues takes place when the carbon:nitrogen (C:N) ratio of organic residue is below 20 (that is, 20 parts C to 1 part N). When the C:N ratio is greater than 30, the rate of mineralization decreases because microbes compete for N to meet their nutritional requirements. In this situation, N is immobilized in the microbial biomass. Incorporation of manure, compost, and cover crops with intermediate C:N ratios (ranging from 10 to 18) may stimulate bacterial growth and the abundance of bacterial-feeding nematodes, and increase soil N availability to plants.

Fungal-feeding nematodes are relatively more abundant in less-disturbed (e.g. notill systems) and perennial systems, where conditions for fungal growth are promoted, than in disturbed systems. Like bacterial feeding nematodes, fungal-feeding nematodes contribute to the process of nutrient mineralization by releasing N and other plant nutrients from consumed fungal tissue. However, in agricultural systems, bacterial-feeding nematodes typically release more inorganic N than fungal-feeding nematodes.

Nematodes as Natural Enemies and Biological Control Agents

Predatory nematodes are of interest because of their role in regulating the populations of other organisms. They generally feed on smaller organisms like protozoa and other nematodes. Thus they can help moderate population growth of bacterial- and fungal-feeding nematodes and protozoa, and help regulate populations of plant-parasitic nematodes.

Insect-parasitic nematodes are species of bacterial-feeding nematodes that live in close association with specific species of bacteria; together, they can infect and kill a range of insect hosts. The infective juvenile stage of insect-parasitic nematodes seeks out insect hosts to continue its development into adults. once a host is found, the nematodes penetrate the insect body and release their bacterial associates into the insect’s body cavity. These bacteria multiply and overwhelm the immune response of the host insect, ultimately killing the host. The nematodes feed on these bacteria, mature, and reproduce until all the resources within the insect host are consumed; then, infective juvenile nematodes escape the insect host's body and disperse in the soil to seek new hosts. Insect-parasitic nematodes are available commercially for use in inundative releases to manage the populations of a variety of insect pests.

Plant-Parasitic Nematodes

Most plant-parasitic nematodes feed on the roots of plants. Some species attach to the outside surface of plant roots (Fig. 3), piercing the root tissue to suck up the cellular content; other species pierce and penetrate the roots of plants, living and reproducing entirely within the root itself. A relatively small number of important plant-parasitic nematode species are known to cause substantial economic damage in cropping systems around the world. The determination of tolerance limits or economic thresholds for plant-parasitic nematodes varies with many factors like species, plant tolerance, and soil type. Because plant parasitic nematodes show varying degrees of host specificity, carefully designed crop rotations are usually a powerful tool for reducing nematode-associated yield losses.



Figure 3. White potato cyst nematode, Globodera pallida (Stone) Behrens, on plant roots. Cyst nematode females attach to root systems with their mouthparts to feed, and then their bodies swell into egg-filled cysts that can be visible to the naked eye. Figure credit: Bonsak Hammeraas, Bioforsk—Norwegian Institute for Agricultural and Environmental Research, Bugwood.org.

Soil Nematode Communities

The proportions of the different feeding groups in the soil nematode community vary between systems and seasons, and they are influenced by a variety of factors, including crop and soil management practices (Freckman and Ettema, 1993) and the presence and abundance of natural enemies. Management practices like tillage, crop rotation, and the use of organic amendments influence the physical and biological characteristics of the soil that influence the abundance of nematodes. Fungal-feeding, predatory, and omnivorous nematodes are very sensitive to soil disturbances (Ferris et al., 2001), and agricultural systems with fewer physical and chemical disturbances, such as pastures, hay fields, and orchards, tend to support larger populations of these nematodes than more frequently disturbed systems like vegetable- and row-crop fields. on the other hand, tillage and incorporation of organic residues increase the proportion of some bacterial-feeding nematodes (Griffiths et al., 1994; Ferris et al., 2001; Nahar et al., 2006), often offsetting declines in the numbers of other feeding groups and increasing the total abundance of nematodes (Neher, 1999). The wide variety of natural enemies that feed on or infect nematodes—predatory nematodes, predatory microarthropods, and nematode-trapping fungi, for example—may have a considerable impact on nematodes in agricultural systems (Stirling, 1991).

Implications for Farming System Management

Agricultural management may increase the abundance of soil nematodes, primarily through the increase in the abundance of bacterial-feeding nematodes associated with tillage and the incorporation of organic residues (Neher, 1999). Soil conditions in agricultural production systems can be improved by enhancing nutrient availability and providing habitat for beneficial soil organisms. Maintenance of large populations of bacterial-feeding nematodes with practices that promote N mineralization throughout the growing season may enhance crop productivity, but a surplus of mineral N is not desirable from the environmental point of view because of an increased risk of nitrate leaching. In an ideal production system, N supply would be synchronized with plant demand. on the other hand, cultural practices like tillage or cultivation may reduce the complexity of the soil food web. Thus, a decrease in the frequency and intensity of tillage may promote the conservation of predatory nematodes and contribute to improved farming system performance.

References

  • Ferris, H., T. Bongers, and R. G. M. de Goede. 2001. A framework for soil food web diagnostics: Extension of the nematode faunal analysis concept. Applied Soil Ecology 18: 13–29.
  • Ferris, H., R.C. Venette, H.R. van der Meulen, and S.S. Lau. 1998. Nitrogen mineralization by bacterial-feeding nematodes: Verification and measurement. Plant and Soil 203: 159–171.
  • Freckman, D.W., and C.H. Ettema. 1993. Assessing nematode communities in agroecosystems of varying human intervention. Agriculture, Ecosystems & Environment 45: 239–261.
  • Griffiths, B.S., K. Ritz, and R.E. Wheatley. 1994. Nematodes as indicators of enhanced microbiological activity in a Scottish organic farming system. Soil Use and Management. 10: 20–24.
  • Lavelle, P., and A.V. Spain. 2001. Soil ecology. Kluwer Academic Publishers, Boston, MA.
  • Nahar, M.S., P.S. Grewal, S.A. Miller, D. Stinner, B.R. Stinner, M.D. Kleinhenz, A. Wszelaki, and D. Doohan. 2006. Differential effects of raw and composted manure on nematode community, and its indicative value for soil microbial, physical and chemical properties. Applied Soil Ecology 34: 140–151.
  • Neher, D.A. 1999. Soil community composition and ecosystem processes: Comparing agricultural systems with natural ecosystems. Agroforestry Systems 45: 159–185.
  • Peterson, H., and M. Luxton. 1982. A comparative analysis of soil fauna populations and their role in decomposition processes. Oikos 39: 287–388.
  • Stirling, G.R. 1991. Biological control of plant parasitic nematodes. CAB International, Wallingford, U.K.

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