Construction and Characterization of Dual-functional Bacillus subtilis Strain against Phytopathogenic Fungi and Insect Pests

Abstract

식물병과 해충은 세계 농업 식량 손실의 주요 원인으로 손꼽히며, 전체 생산량 손실의 약 20%를 차지하고 있다. 이러한 농업 피해를 최소화하기 위해, 현대 농업에서는 살충제, 살균제, 제초제 등의 다양한 화학 농약들을 사용하고 있다. 그러나 화학 농약은 환경 독성, 잔류 독성, 해충 저항성 등의 문제를 야기시켰으며, 화학 농약의 오남용을 줄이고자 새로운 친환경 농약들이 개발되었다. 친환경 농작물에 대한 수요와 화학농약에 의한 환경 오염 문제가 대두되면서 이러한 친환경 농약의 수요는 날로 증가하고 있다. 그 중 생물 농약은 자연계에 존재하는 생물체 및 그로부터 유래한 소재를 이용하여 농작물 생산 및 보존에 피해를 미치는 병원균, 해충 및 잡초 등을 방제하는 작물보호제로 현대에는 식물이나 미생물 등을 이용한 새로운 친환경 생물 농약 연구가 활발히 진행되고 있다. Bacillus 속에 속하는 균주들은 대표적인 미생물 농약으로 이용되고 있다. Bacillus 속은 호기성 그람 양성의 간균으로 토양이나 연안, 심지어 해양에서 발견될 만큼 다양한 환경에 널리 분포한다. Bacillus 균주들은 내생포자(endospore)를 형성하며 다양한 활성을 지닌 2차 대사산물을 분비하고, 종에 따라서는 특정 곤충 목에 대한 살충활성을 지니기도 한다. Bacillus 속의 대표 종인 Bacillus subtilis (Bs)는 다양한 이차 대사산물과 효소를 생산해내는 것으로 알려져 있으며, 이로 인해 산업적으로 다방면에서 활용되고 있다. 농업에서는 이러한 이차 대사산물의 항균활성을 이용한 살균제가 주로 개발되고 있다. 또 다른 종인 Bacillus thuringiensis (Bt)는 곤충 병원성 세균으로 곤충 병원성 단백질인 δ-endotoxin을 생산하여 이를 이용한 살충제 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이처럼 미생물을 이용한 다양한 친환경 제제들을 생산해내기 위해서는, 개량된 미생물 균주의 확보가 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 개량된 Bacillus 균주를 확보하기 위하여, 살균활성과 살충활성을 동시에 가지는 균주를 개발하고자 하였다. 식물 병원성 곰팡이에 대한 항균활성을 지닌다고 알려진 Bs (KACC 17109) 균주에 Bt의 Cry toxin 유전자(cry1Ab, cry1Be, 그리고 cry1C)를 도입하여 새로운 균주를 제작하고자 하였으며 해당 균주를 Bs-Z2 (KACC 92465P)로 명명하였다. 본 연구에서는 또한 개량 균주인 Bs-Z2 균주의 살균활성과 살충활성을 평가하였다. 그 결과, C. jacksonii, F. asiaticum, 그리고 R. solani AG-4 Large patch에 대한 살균활성을 보였으며, 나비목 해충인 Spodoptera frugiperda, S. exigua, 그리고 Plutella xylostella에 대한 강한 살충 활성 효과를 보였다. 이상의 결과를 종합하면, Bs-Z2 균주가 식물 병원성 곰팡이와 나비목 해충에 대해 유의미한 방제능을 가짐을 확인할 수 있었으며, 이는 향후 식물병과 해충을 동시에 방제할 수 있는 복합 기능성 미생물 제제를 제작하는데 있어 유용할 수 있을 것으로 기대된다.

Biocontrol in agriculture is a crucial method for the management of insects and plant diseases. It reduces the use of various synthetic pesticides which cause many harmful effects on the environment. Bacillus subtilis (Bs) is known as a biocontrol agent against plant diseases due to its ability to produce a range of antimicrobial compounds such as iturines, fengicines and surfactines. Also, Bacillus thuringiensis (Bt) produces δ-endotoxins used to control insects. This study aimed to construct the dual-functional biocontrol agent against insects and plant fungal diseases by introducing the pMBD-ABC encoding cry1Ac, cry1Be, and cry1C Bt insecticidal proteins genes into the Bs strain, which controls the growth of certain plant pathogenic fungi. The improved Bs strain was also evaluated for its insecticidal activities and antifungal activities in this study. These results suggested that the improved Bs strain could be useful for the development of microbiome pesticides which could be applied for simultaneous control of both insect and plant diseases.