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2016 IS-MPMI (International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions) - XVII congress 참석후기
2016 IS-MPMI (International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions) - XVII congress 참석후기 저자 박숙영, 전준현 (순천대학교, 영남대학교)
등록일 2016.09.20
자료번호 BRIC VIEW 2016-C06
조회 2928  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
2016년 7월 17일부터 7월 21일까지 총 5일간 미국 오레곤주 포틀렌드의 Oregon Convention Center에서 제17회 International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions (IS-MPMI) meeting이 개최되었다. 전세계 50여개국에서 총 1,000명이상의 연구자가 참가하였고, 총 7개의 Plenary session과 24개의 concurrent session을 통해 다양한 식물과 곰팡이, 세균, 및 바이러스 등의 미생물과의 상호작용에 관한 현재 진행되는 연구내용에 관한 발표가 이루어졌다. 학회기간 동안 총 720여편의 포스터가 전시되어 다양한 분야의 연구자들의 연구내용들을 직접 질의 문답을 통해 논의가 이루어져 많은 내용을 공부할 수 있었다. 특히, 2021년에 열리게 될 19회 meeting이 중국과 경합을 통해 제주도에서 열리게 되어 우리나라에서 앞으로 이 분야에 대한 연구가 활발해질 수 있는 계기가 될 것으로 생각된다. 이번 meeting 참석후기는 다양한 연구분야 중에서도 저자들의 연구분야와 관심사를 중심으로 symbiosis(공생)과 phytobiome(식물의 마이크로바이옴)에 초점을 두고 작성되었다.
키워드: 2016 IS-MPMI, symbiosis, plant-microbe interactions, phytobiome
분야: Plant Science

목 차

Ⅰ. 학회 소개
Ⅱ. 주요 발표 내용
  1. Symbiosis
  2. Phytobiome
Ⅲ. 총평


Ⅰ. 학회 소개

2016년 7월 17일부터 7월 21일까지 총 5일간 미국 오레곤주 포틀랜드의 Oregon Convention Center에서 제17회 International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions (IS-MPMI) meeting이 개최되었다. 이번 meeting에서는 앞으로의 식물-미생물 상호작용에서 연구될 분야인 microbiome, tritrophic interactions, RNA-mediated interaction, 그리고 systems biology 뿐만 아니라, 많은 연구자들의 관심분야인 resistant mechanisms, mutualism, 그리고 microbial virulence functions에 관한 최신 연구 결과들이 집중적으로 다루어졌다. 특히, 학회 첫날 opening ceremony가 시작되기 전 행사로 bioinformatics에 관한 새로운 분석 기법을 가르쳐주는 session을 비롯해 “벼와 병원균의 상호작용”, “Rust fungi”, “Agrobacterium biology의 최신 연구 동향”, 그리고 “Molecular dissection of wheat disease” 등에 관하여 special session이 열려 관련분야에 관한 현재 동향들을 집중 소개하였다. Opening ceremony에서는 Local Scientific Committee Chair이자 Oregon State University의 Brett Tyler 박사의 환영 인사를 시작으로, IS-MPMI 수상자인 Stanford University의 Sharon Long 박사의 Award lecture로 Plenary lecture를 시작으로 본격적으로 학회가 시작되었다.

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 Plenary session에서 발표 후 질문과 토론을 하는 모습

Ⅱ. 주요발표 내용

1. Symbiosis (공생) 연구를 중심으로

1-1. Bacterial cell dynamics and molecular differentiation in symbiosis (PL).
     Sharon Long (Department of Biology, Stanford University, USA)

IS-MPMI의 수상자로서 Long 박사는 Rhizobium bacteria와 이들의 기주 식물간의 상호작용을 분자생물학, 생화학, 그리고 유전학에 이르는 다양한 스펙트럼을 통해 연구를 수행하고 있다. 특히, 질소-고정 세균과 식물간의 신호와 신호전달경로를 밝히는 연구를 중점적으로 수행하고 있다. 이번 연구 발표는 수상자로서의 지금까지의 집약적인 연구를 발표하였다. Long 박사는 발표 서두에 멘토이자 스승인 Fred Ausubel 박사의 “Don’t just study mutants: use genetics to ask the question”을 우리들에게 숙지시키며 발표를 시작하였다.

연구 발표는 Long박사의 오랜 연구의 결과물들을 소개하면서 최신 연구를 발표하는 순으로 진행되었다. Root nodulation을 만드는 세균이 기주 식물을 만날 때 다양한 과정을 통해서 기주로 들어가 공생하게 되는데, 이때 무작위적으로 공생이 이루어지지 않으며 일련의 과정을 통하게 된다. 초기 공생에 관여하는 유전자 연구는 뿌리혹 세균 Sinorhizobium meliloti로부터 Tn transposon을 이용하여 무작위적인 mutant를 만든 뒤, 기주 식물에 접종하여 nodule을 만들지 못하거나 혹은 fix에 문제가 생긴 형질전환체를 선발하는 방식으로 이루어져 왔다. 이 방법을 통해 symbiosis (공생)을 위해 필요한 세균 유전자 nodD1, nodABC(I), nodPQ, nodEFG, 그리고 nodH이 밝혀졌다. 그러나, Long박사는 끊임없이 질문을 던지며, 이를 해결하려고 노력했다고 한다. nodule을 만드는데 관여하는 최초의 신호는 무엇일까? 라는 질문을 해결하기 위해, 1985년 Long 박사는 세균의 nod-lac fusion을 통해 이들 유전자들이 식물의 삼출액(exudates)에 의해 강하게 발현된다는 것을 밝혔다. 이는 세균이 기주식물로부터 최초로 받는 신호가 식물로부터 유래되는 식물 삼출액이라는 것이며, Long 박사는 이 기주 식물 삼출액이 식물 phenolic compound인 luteolin임을 생화학적으로 밝혔다. 이 최초의 신호를 통해 nodule이 발달하게 됨을 밝혀 Science에 논문을 보고하였다. 이후 “그렇다면 두 번째 신호는 무엇일까?” 하는 의문을 갖게 되었다. 이 의문을 해결하는 과정에서 식물의 Auxin, other 호르몬, 그리고 lectin이 두 번째 신호임을 알게 되었다. 이 과정에서 nod 유전자들이 symbiosis에 반드시 필요한 유전자이고 이들 유전자중 일반적인(common) 유전자 nodABC와 기주 특이적인 nod 유전자가 존재함을 알게 되었다.

최근 과학의 비약적인 발전은 유전학과 유전체학 연구라는 기반을 마련해 주었는데, Long박사는 이러한 연구 기반을 활용하여 “rhizobia와 기주 식물이 공생하게 되는 각각의 시기 동안 서로 어떻게 communication하는지?”에 관하여 좀 더 세부적으로 나누어 연구를 수행하였다. 이 연구는 Promoter-trapping과 전사체 연구를 통해 특정시기에 관여하는 유전자들을 밝히고, 현재 공생 기능에 결정적인 역할을 하는 S. meliloti 유전자를 Tn-seq을 이용하여 시스템 수준에서 연구를 진행 중이다. 이 기법을 이용하여 medicago(알팔파) 공생 mutant들이 nodulation에 있어 칼슘을 매개로 하는 신호전달 과정이 관여하는지에 관한 연구 역시 수행 하고 있다. 한편 야생형 세균을 질소 고정에 결점을 갖는 6개의 식물 mutant에 접종한 뒤 nodule 형성 동안 발현되는 유전자 연구 수행하였는데, 발현체를 기반하여 PCA분석을 이용하여 특정 시기에 활성적인 4개 유전자군(wild-type nodules (dnf3); intermediate-arrest nodules (dnf4, dnf7); dnf2; early-arrest nodules (dnf1, dnf5))을 밝혔다. 앞으로 식물 시그널링에 관한 정보를 얻기 위해 공생 동안의 transcriptome을 사용할 예정이며, 어떻게 식물 세포와 bacteria가 상호작용하는지 분자적 그리고 세포질적인 수준 연구를 수행하여 식물-미생물 상호작용 밝히는 연구를 지속적으로 수행할 것이라고 하였다. 과학자로서 연구를 하는데 있어 근원적인 물음과 이에 합당한 적합한 연구 방법을 이용하여 그 해답을 찾아내는 사명감의 중요성에 대해서 깊이 깨닫게 되는 발표였다.

1-2. Specialised protein secretion in plant-microbe symbioses (PL).
     Dong Wang (University of Massachusetts, Amherst, U.S.A.)

Dong Wang 박사는 이번 IS-MPMI의 young investigator 수상자로서 그 동안의 수행한 연구 내용을 발표하였다. Dong Wang 박사는 Duke University에서 Ph. D.를 받았으며, 이후 Stanford University의 Sharon Long박사와 함께 식물과 유용 미생물 간의 symbiotic interaction에 관한 연구를 수행하였고, 현재 University of Massachusetts-Amherst에 faculty로 재직 중이다.

이번 발표에서는 식물-미생물 공생에 관여하는 분비단백질(secreted protein)에 관한 최근 연구에 관해 중점적으로 발표하였다. 기주와 상호작용하는 다수의 미생물들은 식물이 갖는 일반적인 막과는 구분되는 미생물과의 interface에 특이적인 막을 갖는다. Wang 박사는 “이 막의 존재가 식물-미생물의 상호작용에 있어 중요한지?”를 이해하기 위해 연구를 진행하였다. 상호작용의 모델로서 콩과 식물(Medicago truncatula)과 세균 rhizobia를 이용하여 연구를 수행하였다. 이들간의 공생은 symbiosome(질소-고정 기관)에서 이루어지는데, 식물은 세균과의 interface에 특이한 막을 형성하며 intracellular에서 세균을 감싸며, 이때 세균은 발달에 중요한 기주식물 분비 단백질을 받아들인다. Wang 박사는 최근 Nature Plant Journal에 공생에 있어 기주식물이 분비하는 t-SNARE라는 분비단백질의 중요성을 발표하여 주목 받았다. 콩과식물 Medicago truncatula SYNTAXIN132 (SYP132) 유전자는 transcription동안 alternative cleavage와 polyadenylation을 거치는데, 이는 두 개의 target-membrane soluble NSF attachment protein receptor (t-SNARE) isoform이 된다. 이들 isoform중 하나는 SYP132A로서 공생 동안 유도되며, peribacteroid 막에 위치한다. Wang 박사는 이 SYP132A는 기능적인 형태로 symbiosomes의 maturation에 필요하다는 사실을 밝혔다. 두번째 isoform인 SYP132C는 공생과는 중요한 연관성이 없는 것으로 밝혀냈다. 기주 식물의 SYP132A 염기서열은 arbuscular mycorrhizal 공생을 형성하는 flowering 식물의 넓은 범위에서 발견되며, 이 유전자를 silencing시킬 때 arbuscule의 군집이 심하게 억제되었다. 이 결과로, SYP132A가 식물-미생물 interface에 특화된 ancient factor임을 밝혀냈다. 따라서, 공생에 관여하는 t-SNARE의 적절한 발현은 공생에 매우 중요하다는 사실을 발견하였다. AM 곰팡이와 다르게, rhizobia는 지속적인 감염을 통해 외세포적으로 존재하는데, 이와 같은 만성적인 감염을 유지하고 제어하는데 기주식물로부터 유래되는 분비단백질이 질소-고정 공생의 발생에 주요한 key factor가 될 수 있다는 사실을 발표하였다. 또한, Bacteroids 성숙에 있어 세균의 생존능력을 유지하는데 새로운 요인들이 필요하다는 사실을 발표하였다. 이에 더하여 Nodule-specific Cysteine-rice (NCR) peptides중 하나가 분화된 bacteroids 생존을 위해 필요하다는 사실을 발견하였다고 보고하였다. 최근 연구 결과 이러한 NCR peptide들이 bacterial surface에 위치하며, 기주와 세균 사이의 대사산물의 교환을 용이하게 하여 bacteroid의 생존을 증진시킬 수 있다는 사실 역시 밝혔다.

1-3. Molecular genetics of arbuscular mycorrhizal symbiosis in cereals (PL).
     Uta Paszkowski (University Cambridge, United Kingdom)

영국의 캠브리지대학 소속의 Paszkowski 박사는 2015년 Science지에 “Rice perception of symbiotic arbuscular mycorrhizal fungi requires the karrikin receptor complex”를 개제한 바 있는데, 이에 관한 전반적인 연구결과들을 소개하였다.

가장 먼저 식물-곰팡이의 뿌리에서의 인식과정을 설명하였다. Arbuscular mycorrizal 공생은 대부분의 육상 식물계 뿌리와 Glomeromycota속 곰팡이 간의 상리공생적 상호반응으로 영양적인 상호교환이 이루어진다. 곰팡이는 식물에 미네랄(특히 인(phosphate))을 공급하고 식물은 유기탄소를 제공한다. 그렇다면 “symbiosis signaling system”은 어떻게 이루어지나? 이러한 인식은 식물-곰팡이의 근권내에서 상호간의 인식으로 시작되며, 성공적인 인식 후 식물의 뿌리 코르크피층 세포내로 곰팡이 영양수수체인 arbuscule을 형성하고 colonization되면서 상리공생이 완성된다. 이러한 arbuscule가 발달함에 따라 식물 세포는 자라나는 곰팡이 균사를 감싸게 되는데, 이때 식물은 membrane biogenesis을 엄청나게 증가시킨다. 식물의 거대하게 커진 막 표면에서 신호와 영양분이 교환된다. 그렇다면, “어떻게 두 공생자 간의 인식하고 서로간 communication하게 되나?” Paszkowski 박사 연구실에서는 이러한 공생을 분자적인 메커니즘으로 설명하기 위해 유전학과 이미지 방법을 통해 연구를 진행하였다. 모델 식물로는 벼를 이용하여 연구하였으며, 벼 d141 mu-tant를 사용하였다. 이 mutant는 AM 곰팡이가 colonization이 안되며, 이 mutant의 삼출물은 발아하는 곰팡이 포자가 일시적으로 반응하지 않는다. 이 연구를 통해 벼의 alpha-beta hydrolase D14L이 AM 곰팡이의 초기 인식에 관여함을 보여주었다. 밝혀낸 과정은 다음과 같다. D14L은 식물의 발아를 유도하는 화합물 karrikin을 위한 F-box 단백질 MAX2와 복합체를 만드는 receptor를 형성한다. 이 복합체는 Arabidopsis에서 유묘의 morphogenesis를 조절하는데, 공생을 만드는데 관련 있는 D14L-MAX2의 분자적인 기능과 신호적 downstream을 연구하기 위해 Lotus japonicas(연)을 사용하여, D14L의 구조-기능 분석 하였다. 또한, AM 공생에 있어 signal 억제의 중요성을 Lotus karrikin receptor mutant의 특성을 통해 karrikin의 역할을 규명하였다.

1-4. Dissecting and Engineering symbiosis signaling (PL).
      Giles Oldroyd (John Innes Centre, United Kingdom)

영국의 John Innes Centre의 Oldroyd 박사는 콩과 식물의 공생 시스템에서 발견한 다양한 지식을 활용하여 질소-고정 곡식을 engineering하는데 첫 단계로서 곡물내의 여러 가지 신호적인 과정들을 engineering하는 시도를 어떻게 할 수 있을 것인지에 관한 다양한 지식과 응용에 관한 내용을 발표하였다.

미네랄 영양분, 특히 질소와 인을 흡수하는 능력은 일반적으로 식물 생장에 중요한 요소이다. 식물들은 이러한 영양분을 흡수할 수 있는 미생물과 유익한 상호작용을 지속적으로 발달 시켜왔다. Legume은 인의 흡수를 가능하게 하는 mycorrhizal 곰팡이 그리고 질소원을 식물에 공급하는 rhizobial bacterial와 함께 공생적인 상호작용을 형성한다. 이러한 공생은 토양 내에서 식물과 공생적 미생물간의 분자적인 communication이 관여한다. 근균 곰팡이와 세균은 기주 식물에 의해 인식되는 신호들을 방출하고 공생자의 숙소와 association되는 발달로 이어진다. legume내의 유전학적인 연구는 이러한 공생과 관련된 signaling pathway들을 밝혔으며 그리고 이러한 신호적 과정은 핵 부위 내 칼슘의 oscillation이 관여한다. Oldroyd 박사는 “공생 신호적 분자의 자각이 식물에 어떻게 핵 내 칼슘 oscillation 활성으로 이어지는지?” 그리고 “이러한 칼슘의 oscillation이 공생과 연합된 발달적인 변화를 어떻게 이끌어내는지?”를 이해하는데 초점을 두고 연구하였다. 인-흡수 채널이 공생적인 칼슘 oscillation에 필요한 것으로 알려져 있지만, 이러한 칼슘 채널이 자체에 관해서 정확히 알려지지 않았었다. Oldroyd 박사는 콩과 식물내 3개의 cyclic nucleotide-gated 채널이 nuclear 칼슘 oscillations에 필요하며 또한 공생적인 반응에 필요하다는 사실을 밝혔다.  이 cyclic nucleotide-gated 채널이 핵막에 위치하고 칼슘의 침투에 필요하며, 이 cyclic-gated 채널 nuclear 칼슘 방출을 조정하는 인-침투 채널과 복합체를 형성하는 것을 실험적으로 밝혀 2015년 Science에 출판하였다. 이 채널들은 마치 동물 세포의 상응하는 것처럼 발달과 환경 조건에 반응하는 nuclear 칼슘 방출을 조절하는 것으로 생각되며, 이러한 결과를 앞으로 다른 곡식 작물을 기를 때 활용하여 engineering에 응용하는 시도를 진행 중이라고 한다.

1-5. A novel interactor of symbiotic RLKs is involved in nodulation in Lotus japonicus.
     Akihiro Yamakazi (Center for Sustainable Resource Science, Riken, Japan)

Yamazaki 박사는 Lotus japonicus와 상호작용하여 nodule을 만드는 rhizobia에서 새로운 공생적인 RLK 상호반응에 관하여 발표하였다.

뿌리에서 공생하는 콩과 식물과 rhizobia 간의 상리공생은 다수의 receptor-like kinase를 필요로 한다. 기주에 의해 방출되는 flavonoid에서, 공생적 rhizobia는 nod factor (NFs)라고 불리는 lipochitooligosaccarides를 만들고 방출한다. 이들 strain-specific signal들은 LysM 타입의 수용기에 의해 받아 들여지는데, 이는 다시 대기의 질소 고정을 식물이 할 수 있는 nodule을 형성하는데 있어 downstream event를 활성화하게 된다. 현재까지 공생 수용체 kinases들은 E3 ubiquitin ligase PUB1, Rho small GTPase ROP6, scaffold protein SYMREM1, 그리고 mevalonate pathway HMGR내의 key enzyme을 비롯해 다양한 상호 작용체들이 밝혀져 왔다. 그러나, 칼슘 spiking에 NF 수용체와 같이 초기 signal transduction에 관해서는 아직까지도 미스터리로 남아있다. Yamazaki 박사는 초기의 signal transduction을 좀더 이해하기 위해 NF receptor주변의 시그널들을 더 깊이 연구하기 시작하였다. 이 연구는 Yeast-two hybrid를 통해 수행되었다. bait로 NF receptor NFR1을 사용하였는데, NFR1 interactor로서 ACRE76을 발견하게 되었다. ACRE76은 transmembrane domain을 포함하고 있어서, plasma membrane에 위치할 것으로 예상되었다. 흥미로운 발견으로는, ACRE76이 yeast와 식물에서 공생적인 RLK, 즉 SymRK 와 상호 반응하였다. ACRE76은 동일 영역에서 두 개의 RLKs와 상호작용하는데, 이는 ACRE76이 NF receptor와 SymRK 사이의 signal mediator(신호적 조절자)로서 가능한 역할을 한다는 것을 알게 되었다. 또한, ACRE76을 knockdown했을 때 nodulation이 약화되는 것을 발견하였는데, 이는 ACRE76이 nodulation이 있어 중요한 역할을 한다는 가능성을 제시하였다. Yamazaki박사의 연구를 통해 새로운 interactor로서 symbiotic RLKs가 nodulation에 관여함을 밝혔다.

1-6. Medicago truncatula MtLAX2, an orthologue of the AtAUX1 auxin influx transporter, mediates auxin control of nodulation.
     Sonali Roy (The Samuel Roberts Noble Foundation, U. S. A.)

Noble foundation 소속의 Roy 박사는 Arabidopsis thaliana의 auxin influx transporter 유전자인 AtAUX1와 orthologue인 Medicago truncatula MtLAX2 유전자가 nodulation에서 auxin을 제어하는데 관여한다는 연구를 발표하였다.

Nodules은 질소-고정 bacteria인 rhizobia와 기주 식물인 legume이 함께 공존하는 공생적 서식처로서 특화된 뿌리 측지 기관이다. 식물 호르몬인 auxin은 nodule organogenesis(기관형성)에 관여하지만, 관련된 molecular machinery는 현재까지 잘 알려지지 않았다. Roy 박사 그룹에서는 이 식물 auxin이 공생에 어떤 역할을 하는지 밝히기 위해 콩과 식물을 이용하여 연구 수행한 결과를 발표하였다. 우선, 약리학적 assay를 통해 auxin influx와 efflux의 수송이 nodule의 수에 어떠한 역할을 하는지 관찰하였다. 그 결과, auxin과 nodule의 수가 positive하게 관련이 있음을 관찰하고, auxin이 nodule 수 감소에 충분조건임을 발견하였다. 이는 auxin 수송 machinery가 nodulation에 중요한 역할을 함을 지시한다. Quantitative RT-PCR 기법을 이용하여, 5개의 부분으로 이루어진 AUX-LAX auxin influx transporters family중 Arabidopsis AUX1 유전자의 orthologue가 rhizobial inoculation의 위치에서 최초로 전사적으로 반응함을 밝혔다. 또한, 콩과 식물의 Promoter에 GUS를 fusion하여 MtLAX2의 공간적 및 시간적인 발현 패턴을 관찰하였다. 이 결과, nodule primordia 확장과 관련되었지만, 성숙한 nodule내의 분열조직의 zone에 제한됨을 관찰하였다. 그 후, 두 개의 lax2 mutant들이 Arabidopsis aux1 mutant와 비슷하게 후기 뿌리의 수가 감소하고 뿌리의 성장이 auxin에 둔감하다는 것 역시 관찰하게 된다. 또한, Medicago lax2의 allele들은 계속해서 nodule의 수가 감소함을 발견하였다. 이 결과는 발달적인 nodule의 세포 내에서 auxin 유입 활성이 nodule의 organogenesis 굉장히 중요하다는 사실을 밝혔다. 더 나아가 Auxin maker DR5-GUR와 함께 형질 전환된 Lax2-1 line들을 통해 감염 부위가 auxin의 축척과 관련이 있음을 밝혔다. 더욱이, 이 감염이 lax2 뿌리 내에서 WT 수준으로의 축척에 실패했고, auxin response factor arf16a를 유도하였다. 이 결과를 통해, Roy박사 그룹은 nodulation에 있어 콩과 식물에서 auxin의 기능을 유전학적 증거를 통해 밝혔다. 연구를 종합하여, Roy 박사는 nodule의 organogenesis에서 auxin transport와 auxin signaling)이 서로 연결되어있다는 mechanistic model을 제안하였다.

2. Phytobiome 관련 연구

이번 MPMI학회의 두드러진 변화 중의 하나는 Max Planck Institute의 Paul Schulze-Lefert 박사의 Reductionist approaches to explore plant microbiota functions이라는 제목의 Plenary session talk을 시작으로 Microbime & Phytobiome I 그리고 II로 두 개의 concurrent session이 있었다는 점이다. 최근 몇 차례의 학회에서 거의 대부분의 talk들이 식물의 병원균에 대한 면역반응과 병원균의 effector에 대한 내용들이었기 때문에, 이러한 변화는 사람을 포함한 동물에서와 마찬가지로 식물에서도 식물과 연관이 되어 있는 식물의 microbiome (phytobiome) 에 대한 관심이 높아졌다는 것을 알게 해 주었고, 앞으로 microbiome에 대한 연구들이 훨씬 더 많아질 것이라는 예측을 가능하게 해 주었다. 아래에서 소개하고 요약할 발표들 외에 더 많은 발표와 훨씬 더 많은 숫자의 포스터들이 있었으나, 단순히 16S rRNA를 이용한 군집의 다양성이나 구조 분석은 제외하고, 앞으로 연구의 방향을 제시하고 생각할만한 거리들을 던져주는 발표들을 선별하였다.


2-1. Reductionist approaches to explore plant microbiota functions (PL).
     Paul Schulze-Lefert, (Max Planck Institute, Germany)

Paul Schulze-Lefert 박사는 최근 몇 년간 자신의 연구실에서 진행해온 Arabidopsis를 모델로 한 phytobiome 연구들을 요약으로 발표를 시작하였다.

제목이 의미하듯이 단순히 Arabidopsis의 뿌리와 잎으로부터 culture-independent한 방법으로 어떤 미생물들이 존재하는지를 본 것에서 그치지 않고, 이 데이터를 기반으로 SynCom(synthetic community)를 만들어서 이를 gnobiotic Arabidopsis (germ-free Arabidopsis plant)에 인위적으로 접종하여 이들이 원래 분리가 되었던 조직과 기관에서 비슷하게 colonization하고 기능하는 것을 확인하였다. 이는 phytobiome 데이터를 이용해서, 특히 배양이 가능한 유용한 미생물의 경우에는 인위적인 접종을 통해서 식물의 phytobiome을 원하는 형태로 엔지니어링 할 수 있는 가능성을 제시하는 것이다. Paul Schulze-Lefert 박사의 연구는 모델 식물인 Arabidopsis에서 그치지 않고, 식물의 뿌리혹 내에서 질소고정을 하는 rhizobia와 콩과 식물인 Lotus japonicas에 대한 관계에서의 phytobiome에 대한 연구로 확장을 하였다. 16S rRNA 유전자를 이용한 연구에서 rhizosphere(근권)의 미생물 군집 구조가 식물이 rhizobia와 공생 관계를 만들 때와 그렇지 않을 때에 상당한 차이가 난다는 것을 야생형 식물과 뿌리혹 형성 과정에 필요한 유전자들의 돌연변이 식물체들을 비교 함으로서 보여주기도 하였다. 이러한 차이는 식물의 뿌리혹 형성이 단순히 rhizobia와 공생 관계를 유지하는 것뿐만 아니라 식물의 생장을 촉진할 수 있는 다양한 미생물 종들의 군집 구조 형성에도 영향을 미치는 것으로 해석할 수 있다. 이 외에 마지막으로 Paul Schulze-Lefert 박사는 최근에 그의 연구실에서 진행하고 있는 흥미로운 실험 데이터를 보여주었는데, 그것은 식물에 다양한 조합의 미생물들을 접종하여 그들이 식물에 미치는 영향을 관찰하는 것이었다. 그 결과는 다소 놀라웠다. 진균들이나 난균들의 조합만을 가지고 접종을 했을 때에는 식물이 죽어버리는 것을 볼 수 있었으나 세균 군집이 함께 접종이 되었을 때에는 식물이 병들지 않고 정상적으로 생장하였다. 이를 Paul Schulze_Lefert 박사는 아마도 대부분의 생물학적 방제제로 사용되는 미생물이 세균인 이유가 이 실험 결과와 관련이 있을 것으로 추측을 하였다.

2-2. Microbiome at the intersection of metabolism and defense.
     Cara Haney (University of British Comlumbia, Canada)

Cara Haney 박사의 talk은 Microbiome에 관한 발표 임에도 불구하고 Microbiome & Phytobiome session이 아니라 Commonalities between Mutualism and Defense 세션에서 진행이 되었다.

Cara Haney 박사의 연구는 rhizosphere(근권)에 존재하는 미생물 군집과 식물의 방어 반응에 관한 것이었다. Cara Haney 박사는 Arabidopsis의 뿌리에서 분리된 Pseudomonas fluorescens라는 균주를 이용하여 실제로 이들이 식물 잎을 가해하는 병원균들에 대한 유도 방어 반응(ISR: induced systemic resistance)을 일으키는 것을 밝혀내었다. 그리고 단순히 이들이 방어 반응만을 유도하는 것이 아니라 질소가 제한되어 있는 환경에서 식물의 생장을 촉진하는 효과도 가지고 있다는 것을 알 수 있었다. 이러한 ISR 반응은 또한 식물에 Fe3+를 주었을 때에 유도가 될 수 있었다. 그렇다면 식물에 질소원을 충분히 공급해 주었을 때에는 어떻게 될까? Cara Haney 박사의 실험에 따르면 충분한 양의 질소를 주었을 때에는 잎을 가해하는 병원균에 대한 감수성(susceptibility)가 나타나는 것을 알 수 있었고 이를 ISS(induced systemic susceptibility)라고 명명하였다. 아직까지 식물의 영양상태와 근권 미생물에 의한 유도저항성을 연결시키는 메커니즘을 구체적으로 밝히지는 못한 상태이지만 이러한 일련의 결과들을 통해서 적어도 식물의 microbiome이 식물의 영양 상태를, 아마도 간접적으로, 조절함으로써 방어 반응에 영향을 줄 수 있다는 것을 알 수 있었다.

2-3. Tracing the domestication route of the barley rhizosphere microbiota.
      Davide Bulgarelli (University of Dundee, England)

Davide Bulgarelli 박사는 Paul Schulze-Lefert 박사의 연구실에 소속되어 phytobiome 연구를 진행하였던 연구자이다. 그는 Max Planck Institute에서 연구할 당시 근권 미생물들을 야생형과 domestication된 보리 사이에서 비교한 결과들을 발표하였다. 이러한 비교 연구를 통해서 역사적으로 재배가 되어온 보리와 관련되어 있는 미생물 군집의 구조와 진화를 추적해 보고자 하는 것이 그의 연구의 목적이었다.

근권 미생물들의 프로파일링은 16S rRNA와 whole metagenomics를 함께 이용하였다. 근권에서 주로 발견되는 미생물들은 Comamonadaceae, Favobacteriaceae, 그리고 Rhizobiaceae였고, 미생물들이 샘플링 된 기주 식물의 유전형은 이들 미생물 군집의 다양성과 구조에 작지만 유의미한 영향을 가지고 있었다. 특히 whole metagenome 분석을 통해서 이들 근권 미생물 군집 내에 병원성, 물질 및 단백질의 분비, 영양분의 이동 등에 관련되어 있는 기능들이 작동하고 있다는 것을 알 수 있었다. 뿐만 아니라 이러한 기능들에 관여하는 단백질들을 비교 분석하였을 때에 이들이 positive selection을 받고 있다는 것을 확인할 수 있었다. Davide Bulgarelli 박사는 이 결과들이 미생물과 미생물 사이의 상호 작용 그리고 미생물과 기주 식물과의 상호 작용이 식물의 근권에서 미생물 군집의 분화(differentiation)에 있어서 하나의 driving force로 작동한다는 것을 알려주는 것이라는 결론으로 talk을 마무리 지었다.

2-4. Diffuse symbioses: pathogen suppression in the soil microbiome.
     Linda Kinkel (University of Minnesota, U. S. A.)

Linda Kinkel 박사는 흔히 말하는 disease-suppressive soil과 관련하여 토양 내 미생물 군집의 역할에 대해서 이야기를 하였다. 그 중에서도 특히 antagonistic chemical들을 많이 생산하는 것으로 알려져 있는 Streptomyces들에 초점을 맞추어서 이야기를 하였는데, 그녀의 talk이 특별했던 이유 중의 하나는 발표를 잘 하는 부분도 있었지만 무엇보다도 phytobiome과 관련하여 기주식물과 미생물간의 상호작용 그리고 미생물과 미생물간의 상호작용이라는 부분에서 co-evolutionary framework을 적용하여 이야기를 풀어냈다는데 있다는 생각이 든다.

Linda Kinkel 박사는 근권 내에 존재하는 전체 microbiome에 대한 분석 뿐만 아니라 suppressive soil의 형성에 중요한 역할을 할 것으로 예측이 되는 Streptomyce 종들을 타겟으로 한 분석을 결합하여 토양 내에서 미생물들 간의 상호작용이 어떻게 suppressive soil의 형성에 기여하게 되는지, 그리고 여기에 있어서 기주식물의 유전적인 다양성과 같은 요인들이 어떻게 기여를 하게 되는지를 분석하여 그 결과를 소개하였다. 이러한 새로운 시도를 통해서, 예를 들어서 단일 품종의 식물을 키우는 토양이 (long-term monoculture) disease suppressive soil이 될 수도 있다는 것을 보여주었다. 이 결과들로부터 지금까지는 많은 경우에 기주 식물과 미생물간의 상호작용에 초점을 맞추어서 많은 연구들이 이루어져 왔지만, 우리가 soil microbiome을 좀 더 잘 이해하고 농업에서 이를 효율적으로 관리를 하고 이용을 하기 위해서는 각각의 특정 군집들이 다양한 다른 군집들과 상호작용을 하면서 진화를 한다는 것, 그래서 이러한 co-evolution이 해당 토양의 생물학적, 물리 화학적 특성을 결정하게 된다는 것을 이해하는 것이 중요하다라고 하는 메세지를 전달해 주었다. 이러한 의미에서 기존에 많은 식물병리에서 다루는 식물기주와 병원균 둘 간의 양방향 상호작용에 의한 특정 형질의 진화가 아니라 disease suppressive soil과 같은 특성에 대한 선택(selection)이 여러 다른 군집들 간의 상호 작용에 의해서 일어나는 diffuse co-evolution의 틀로 바라 보아야 한다고 주장하였다.

2-5. Effect of drought and host selection in the grass root microbiome.
     Devin Coleman-Derr (University of California, Berkeleym, U. S. A.)

Devin Coleman-Derr 박사는 식물의 근권에 존재하는 미생물 군집에 대한 가뭄 조건과 기주 식물에서 오는 차이들을 훌륭하게 분석한 결과를 발표하였다.

Devin Coleman-Derr 박사는 현재 전세계적으로 가장 작물의 생산에 영향을 주는 실험은 비생물학적 요인(abiotic stress)은 가뭄이라고 하는 데이터들로 talk을 시작하였다. 이에 가뭄조건의 여부와 기주식물의 차이가 근권 미생물 군집에 어떤 차이를 가져오는지 보기 위해서 실험이 설계가 되었고 기주식물 요인의 경우에는 발달 단계(early vs. late development)에 따른 phytobiome의 차이들을 관찰하였다. 특징적으로 Actinobacteria가 control가 비교하여 drought 조건에서 군집의 major shift를 보였다. 이 외에도 각 실험 조건에서 발견된 microbiome간의 거리 그리고 기주식물간의 계통분류학적인 거리들을 계산하여 변수로 설정하고 이들 변수간의 상관관계를 보는 분석을 보여주었다. 이러한 분석 방법은 앞으로 microbiome의 분석에 나온 데이터들의 분석 방법의 예를 보여주었다고 하겠다. 수 많은 microbiome 연구들이 community profiling 수준에서 그치고 있는데 반해서, 간단하지만 잘 디자인이 된 실험을 통해서 많은 질문에 답을 할 수 있고 더 나아가 더 많은 질문을 던질 수 있는 데이터를 만들 수 있는지를 보여준 발표였다.

Ⅲ. 총평

이번 학회를 통해서 그 동안 주류를 이뤄왔던 식물의 면역에 대한 연구와 병원균의 effector 단백질들에 대한 연구뿐만 아니라 공생관계와 phytobiome에 대한 연구가 주목을 받고 뜨고 있다는 것을 실감할 수 있었다. 특히 phytobiome은 미국에서도 대규모의 체계적인 연구와 활용 계획이 수립되고 있는 시점이어서 국내에서도 이러한 연구와 연구 결과의 활용에 대한 기대감이 커지고 있는 상황이다. 그러나 16S rRNA나 ITS sequence와 같은 마커를 기반으로 한 community profiling을 뛰어넘어 이런 community 구조와 그 community가 존재하는 토양을 포함하는 환경에서의 기능을 연결시킬 수 있는 연구를 앞으로 어떻게 할 수 있느냐가 핵심적인 과제가 될 것이라는 생각이 들었다. 그리고 이번 학회가 더욱 뜻 깊었던 이유 중의 하나는 2021년도 학회 장소가 대한민국 제주도로 결정이 되었기 때문이었다. 2021년도 학회 유치를 두고 중국과 한국이 경쟁을 벌였던 상황이었는데, 한국식물병리학회가 주축이 되어 체계적이고 치밀하게 진행했던 유치활동이 빛을 발하게 된 것이다. 2021년 IS-MPMI 유치를 통해서 국내 연구자들이 세계 각 국의 연구자들과 더 많이 교류할 수 있는 기회를 가지고 plenary session과 concurrent session을 통해서 훌륭한 연구 성과들을 멋지게 발표하는 그 날을 그려볼 수 있게 되었다. 
 

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Portland 시내에 있는 Stanford's 레스토랑에서 코리안 나이트 행사를 하고 참가자들과 기념촬영


마지막으로 앞으로 첫 Plenary talk을 했던 Sharon Long 박사가 자신의 연구 인생을 되돌아보며 했던 연구에 대한 당부를 공유하고자 한다. 오역을 하거나 문맥에 맞지 않는 번역이 있을 수 있어 슬라이드의 내용을 그대로 옮기고자 한다.


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Advice

To get “out of the box”
 Value unique education you have had at each stage of your training
 Teaching can give you different perspectives


How to pick an important experiment – a few ideas
 Can you turn it into a question for which the answer is yes or no?
  “What happens at stage 3” is not such as question
  “Does gene X change expression at stage 3” has hypothesis and helps identify controls
   Ask, will the outcome change what you do next? Corollary:
   if you had the answer to the question now, what would you do next?
   Use imagination and do more reading to help answer the question
   If it’s not clear how the outcome would affect your next experiment,
   it’s probably not the right experiment (yet)

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박숙영, 전준현(2016). 2016 IS-MPMI (International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions) - XVII congress 참석후기. BRIC View 2016-C06. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2576 (Sep 20, 2016)
* 자료열람안내 본 내용은 BRIC에서 추가적인 검증과정을 거친 정보가 아님을 밝힙니다. 내용 중 잘못된 사실 전달 또는 오역 등이 있을 시 BRIC으로 연락(member@ibric.org) 바랍니다.
 
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