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미생물이야기 뿌리혹세균과 콩과식물과의 공생관계에 대해 살펴보자.
2013-08-13 14:56:50
이엠생명과학연구원

뿌리혹세균과 콩과식물과의 공생

 

콩과식물과 특정 그람-음성 질소고정 세균 간의 관계가 가장 중요한 식물 세균 상호작용 중의 하나이다. 콩과식물은 꼬투리에 종자를 갖는 식물로 꽃이 피는 식물 중 세 번째로 큰 과로 대두 (soybean), 토끼풀 (clover), 자주개자리 (alfalfa), 강낭콩 (bean)과 완두 (pea) 같은 농업적으로 중요한 식물들을 포함한다. 이 식물들은 인간의 영양을 위한 주요 야채일 뿐만 아니라 콩 가공 산업과 가축사료로도 매우 중요하다. 질소비료 없이 자라는 콩과식물의 능력은 매년 수백만 달러의 비료 비용을 절감한다.

Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium, AzorhozobiumPhotorhizobium은 그람-음성의 운동성 막대형 Proteobacteria로서 토양에서 독립생활을 할 수 있으며 또는 콩과식물에 감염하여 공생관계를 성립할 수 있다. 이 속들 중 적절한 하나의 종으로 콩과식물 뿌리의 감염은 질소를 고정하는 뿌리혹 (root nodule) 의 형성을 유도한다. 이 공생에 의한 질소고정은 농업적으로 중요하며 토양에서 복합질소의 상당한 증가를 가져온다. 시비하지 않은 맨 땅에서 질소 부족이 흔히 일어나므로 혹을 형성한 콩과식물은 다른 식물이 자라지 못하는 곳에서 잘 자란다.

 

레그헤모글로빈과 교차접종군

정상 조건 하에서 콩과식물 또는 그 세균공생자 어느 것도 질소를 고정하지 못한다. 그러면 어떻게 둘 사이의 상호작용이 질소고정을 유도하는가? 순수배양에서 뿌리혹세균은 미호기성 조건에서 자랄 때 단독으로 N2를 고정할 수 있다. 분명히 뿌리혹세균은 N2 고정을 위한 에너지를 생성하기 위해 약간의 O2를 요구하지만 그들의 질소화효소 (nitrogenase)도 다른 질소고정 생물의 그것과 같이 O2에 의해 불활성화된다.

혹에서 정확한 O2 수준은 O2-결합 단백질인 레그헤모글로빈 (leghemoglobin)에 의해 조절된다. 이 적색 철함유 단백질은 건강한 N2-고정 혹에만 존재하며, 식물 숙주와 세균 공생자의 상호작용을 통해 유도된다. 레그헤모글로빈은 혹 내부의 유리산소 수준을 낮게 유지하기 위해 산화형 (Fe3+)과 환원형 (Fe2+) 간의 “산소 완충” 순환으로 작용한다. 뿌리혹에서 레그헤모글로빈-결합 산소 대 유리산소의 비율은 10,000:1 수준이다.

모든 콩과식물종의 약 90%가 혹을 형성할 수 있다. 그러나 콩과식물 종과 뿌리혹세균 종 간에 분명한 특이성이 존재한다. 단일 뿌리혹세균 종이 일반적으로 특정 콩과식물종에 감염하지만 다른 종에는 감염하지 못한다. 관련 콩과식물에 감염할 수 있는 뿌리혹세균 종 또는 종류를 교차접종군 (cross-inoculation group) (표 1)이라 한다. 그러나 한 뿌리혹세균 균주가 특정 콩과식물에 감염할 수 있어도 질소고정 혹을 항상 만드는 것은 아니다. 만일 그 균주가 유전적으로 비유효적이면 (ineffective) 형성된 혹은 작고, 옅은 녹색이며 질소를 고정하지 못한다. 반면 만일 균주가 유효적이면 (effective) 혹은 크고 적색이며 질소를 고정한다. 유효성 (effectiveness)은 세균의 유전자들 (이 절의 후반부 nod 유전자들에 대한 설명 참조)에 의해 결정되며 아세틸렌 환원법에 의해 측정될 수 있다.

 

뿌리혹 형성 단계

뿌리혹의 감염과 발달 단계는 현재 잘 알려져 있으며 다음과 같다:

1. 식물과 세균 양쪽에 모두 적합한 상대방의 인식 (recognition)과 뿌리털에 세균의 부착 (attachment);

2. 세균에 의한 nod 인자의 분비 (excretion);

3. 뿌리털의 세균 침입 (bacterial invasion);

4. 감염사를 통한 주된 뿌리로의 이동 (travel);

5. 식물 세포 내에서 변형된 세균 세포, 박테로이드의 형성과 질소고정 단계의 발달;

6. 지속적인 식물과 세균 분열 (continued plant and bacterial division)과 성숙한 뿌리혹 (root nodule)의 형성.

 

표 1.콩과식물의 주요 교차접종군

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숙주 식물뿌리혹 형성세균

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완두Rhizobium leguminosarum biovar viciaea

강낭콩Rhizobium leguminosarum biovar phaseolia

강낭콩Rhizobium tropici

노랑들콩 (lotus)Mesorhizobium loti

토끼풀Rhizobium leguminosarum biovar trifoliia

자주개자리Sinorhizobium meliloti

대두Bradyrhizobium japonicum

대두Bradyrhizobium elkanii

대두Rhizobium fredii

Sesbania rostrataAzorhizobium caulinodans

(열대 콩과식물)

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aRhizobium leguminosarum의 여러 변종 (biovar)이 존재하는데 각각 다른콩과식물에 혹을 형성할 수 있다.

 

부착과 감염

콩과식물 뿌리는 근권 미생물들의 생장을 촉진하는 다양한 유기화합물들을 분비한다. 이 촉진은 뿌리혹세균에만 국한되는 것이 아니라 다양한 근권세균에도 해당된다. 만일 토양에 뿌리혹세균이 있다면 그들은 근권에서 자라나 높은 개체군 밀도를 형성한다. 콩과식물-Rhizobium 공생에서 식물에 세균의 부착은 혹 형성의 첫 단계이다. Rhicadhesin이라는 특별한 부착 단백질이 RhizobiumBradyrhizobium 종의 표면에 존재한다. Rhicadhesin은 칼슘-결합 단백질로 뿌리털 표면에서 칼슘 복합체에 결합함으로써 작용한다. 렉틴 (lectin)이라는 탄수화물-함유 단백질 같은 다른 물질과 식물 세포막의 특별한 수용체도 식물-세균 부착에 관여한다.

뿌리혹세균 세포의 뿌리털 내로의 초기 침투는 뿌리털 끝을 통해 일어난다. 결합한 뒤에 뿌리털은 nod 인자 (후반부 참조)라는 세균에 의해 분비되는 물질에 의해 구부러진 (curling) 후 세균은 뿌리털 안으로 들어가고 식물에 의해 뿌리털 안으로 연결되는 감염사 (infection thread) 라는 섬유소 관의 형성을 유도한다. 뿌리털에 인접한 뿌리 세포는 점차 뿌리혹세균에 의해 감염되고 nod 인자는 식물 세포 분열을 촉진한다. 지속된 식물 세포 분열은 혹의 형성을 초래한다.

 

 

박테로이드

뿌리혹세균은 식물 세포 내에서 신속하게 증식하고 팽창된 기형의 가지친 모양의 박테로이드 (bacteroid)로 전환된다. 박테로이드는 식물 세포막에 의해 단독 또는 작은 무리로 둘러싸여 심비오솜 (symbiosome)이라는 구조를 형성한다. 심비오솜 형성 후에만 질소고정이 시작된다 (질소고정 혹은 아세틸렌의 에틸렌으로의 환원에 의해 검출될 수 있다). 식물이 죽으면 뿌리혹도 파괴되어 토양 내로 세균이 방출된다. 박테로이드는 분열을 할 수 없지만 소수의 막대형 휴지 뿌리혹세균 세포들이 항상 혹 안에 존재한다. 이들이 파괴되는 혹의 일부 산물을 영양물질로 사용하여 다시 증식한다. 세균은 그 후 다른 뿌리에 감염을 시작하거나 토양에서 자유생활 상태를 유지한다.

 

뿌리혹 내 질소고정의 생화학

앞에서 설명되었듯이 질소고정은 철과 몰리브덴을 함유한 두 개의 구성원의 큰 단백질인 질소화효소 (nitrogenase)를 요구한다. 뿌리혹에서 질소화효소는 독립생활 질소고정세균으로부터의 효소와 비교할 때 산소 민감성과 N2뿐만 아니라 아세틸렌을 환원시키는 능력을 포함하여 유사한 특성을 갖는다. 질소화효소는 박테로이드 자체 내에 위치하며 식물 세포질 내로는 방출되지 않는다.

박테로이드는 질소고정을 위한 에너지원을 전적으로 식물에 의존한다. 심비오솜 막을 통과해 박테로이드 내로 수송되는 주된 유기화합물은 구연산회로 중간산물 특히 C4 유기산인 숙신산염 (succinate), 말산염 (malate)과 퓨마르산염 (fumarate)이다. 이들은 ATP 생성을 위한 전자공여체로, 그리고 피루브산으로의 전환 후 N2 환원을 위한 궁극적인 전자공여체로 사용된다.

질소고정의 최초의 안정적인 산물은 암모니아이며, 뿌리혹에서 암모니아의 유기 질소화합물로의 동화는 일차적으로 식물에 의해 수행된다. 비록 박테로이드가 일부 암모니아를 유기화합물로 동화할 수 있지만 박테로이드 내의 암모니아 동화효소의 수준은 매우 낮다. 반면, 식물의 세포질에서 암모니아 동화효소인 글루타민 합성효소 (glutamine synthatase)는 많이 존재한다. 따라서 박테로이드에서 식물세포로 수송된 암모니아는 식물에 의해 아미노산 글루타민과 아스파라긴으로 동화될 수 있다.

 

비콩과식물 질소고정 공생: Azolla-AnabaenaFrankia

질소고정 시안세균이 다양한 식물과 공생한다. 수서 양치류 Azolla는 그 엽상체의 작은 구멍 내에 이형세포성 질소고정 시안세균 Anabaena azollae를 갖고 있다. Alla는 아주 오랫동안 논에서 고정된 질소를 공급해왔다.

오리나무 (Alnus 속)는 사상성 방선균의 일종인 Frankia를 함유한 질소고정 뿌리혹을 갖고 있다. Frankia의 질소화효소가 Azotobacter의 온전한 세포처럼 분자상 산소에 민감하지만, Frankia의 온전한 세포는 정상 대기 산소분압에서 N2를 고정하는데 Frankia가 소낭 (vesicle)이라는 세포 끝의 부푼 곳에 질소화효소를 가지고 있어 효소가 보호되기 때문이다. 이 소낭은 O2 확산을 막는 두꺼운 벽을 가져서 효소를 보호한다.

오리나무는 영양물질이 부족한 나대지에 살 수 있는 특징적인 개척자 나무인데 아마도 Frankia와 공생적 질소고정 관계를 갖는 능력 때문일 것이다. Rhizobium-콩과식물 관계와 달리 Frankia의 단일 균주는 여러 다른 식물 종들에 뿌리혹을 형성할 수 있다.




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