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2019 IS-MPMI (International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions) XⅧ Congress 참석 후기
2019 IS-MPMI (International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions) XⅧ Congress 참석 후기 저자 김현 (서울대학교 농생명공학부 식물균병학연구실)
등록일 2019.09.10
자료번호 BRIC VIEW 2019-C23
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요약문
2019년 7월 14일부터 18일까지 5일 동안 영국 스코틀랜드 글래스고의 Scottish Event Cam-pus (SEC) centre에서 제18회 International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions (IS-MPMI) Congress가 개최되었다. 52개국, 총 1,400여 명 이상의 연구자가 참가하였으며, 8개의 plenary session과 21개의 concurrent session이 진행되었다. 이와 더불어, 6개의 satellite meeting이 진행되어 식물과 병원성 미생물, 공생 미생물 등의 분자 수준에서의 상호작용과 관련하여 진행되고 있는 연구내용에 대한 발표가 이루어졌다. 또한, 개별 미생물과의 상호작용을 넘어 마이크로바이옴(Microbiome)과 식물의 상호작용에 대한 발표 또한 2개의 concurrent session을 통해 다루어졌다. Congress 기간 동안 총 980편 이상의 포스터가 2회의 poster session에 걸쳐 전시되었다. 또한, 포스터 발표와 함께 새로 구성된 2회의 flash talk이 진행되어 식물-미생물 상호작용과 관련된 여러 연구자들의 연구내용을 직접 들을 수 있었다. 이번 학회 참석 후기는 학회 기간 동안 다루어진 식물-미생물 상호작용의 주요 발표를 요약하고 마이크로바이옴 연구의 최신 동향에 초점을 맞추어 작성하였다.
키워드: Plant-microbe interaction, Plant pathogen, Symbiosis, Microbiome
분야: Plant Science, Microbiology

목차

Ⅰ. 학회 소개
Ⅱ. 주요 발표 내용
  1. Satellite meeting: New Insights into Rice-Pathogen Interactions
  2. IS-MPMI Congress에서의 주요 발표
  3. 마이크로바이옴 관련 주요 발표
Ⅲ. 총평


Ⅰ. 학회 소개

2019년 7월 14일부터 7월 18일까지 5일간 영국 스코틀랜드 글래스고의 Scottish Event Campus (SEC) centre에서 제18회 International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions (IS-MPMI) Congress가 개최되었다. 이번 Congress에서는 식물과 병원성 미생물의 상호작용에서의 PAMP-triggered immunity (PTI)와 Effector-triggered immunity (ETI)에 관여하는 유전자 및 단백질, 그리고 이들이 관여하는 signaling pathway, resistosome 등에 대한 내용과 더불어 최근 주목받고 있는 small RNA와 extracellular vesicle에 대한 연구들이 다루어졌다. 또한, 공생 미생물로써 legume과 rhizobial bacteria, arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)에 의한 root nodulation, arbuscule 형성 및 물질 교환 등 symbiotic association의 형성과 관련된 내용 또한 심도 있게 다루어졌다. 이와 더불어 앞으로의 식물-미생물 상호작용에서 새로운 분야로 떠오르고 있는 마이크로바이옴(Microbiome)이 비중 있게 다루어졌다. Congress 시작 전 6개 분야(powdery mildew와 insect-transmitted pathogen, plant virus, gram positive plant-associated bacteria, plant-human pathogen interaction, rice-pathogen interaction)에서 satellite meeting이 진행되어 각 분야에서의 최신 연구동향에 대한 소개가 진행되었다. Opening ceremony의 연사는 올해 IS-MPMI Awardee인 Dr. Brian Staskawicz로 지난 수십 년간 Dr. Brian Staskawicz의 연구실에서 밝힌 연구 사항에 대한 발표를 진행하였다. Opening ceremony 이후, The Sainsbury Laboratory의 Dr. Jonathan Jones가 IS-MPMI Keynote Address로 어떻게 하면 좋은 host가 되는 것을 피할 수 있는지를 주제로 발표가 이루어졌다. 이들 발표를 시작으로 본격적인 Congress가 시작되었다.

Ⅱ. 주요 발표 내용

1. Satellite meeting: New Insights into Rice-Pathogen Interactions

본격적인 Congress가 시작되기에 앞서 각 분야별 satellite meeting이 진행되었다. 이 중 New Insights into Rice-Pathogen Interactions에 참석하였다. 이 satellite meeting은 The Ohio State University의 Dr. Jonathan M. Jacobs와 Dr. Guo-Liang Wang를 chair로 하여 진행되었다. Satellite meeting의 내용은 크게 Xanthomonas oryzae pv. oryzae로 대표되는 세균성 식물병과 Magnaporthe oryzae로 대표되는 진균성 식물병을 중심으로 진행되었으며, root knot nematode(뿌리혹선충)과 벼를 감염하는 식물바이러스에 대해서도 다루어졌다. 아래에서는 Satellite meeting에서 다루어졌던 주요 발표에 대해 이야기하고자 한다.

1-1. Basis of tissue-specific behavior in Xanthomonas species
Jonathan Jacobs (The Ohio State University, USA)

Satellite meeting의 chair인 Jonathan Jacobs의 발표는 Xanthomonas species의 tissue specificity에 대한 comparative study에 관한 내용으로 진행되었다. Xanthomonas spp.는 감염하는 벼의 조직에 따라 크게 2가지로 구분된다. 하나는 vascular tissue를 가해하여 leaf blight를 일으키는 Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo)와 mesophyll의 intercellular space (Non-vascular tissue)를 가해하여 leaf stripe를 일으키는 Xanthomonas oryzae pv. oryzicola (Xoc)가 있다. 이들은 genome이 98% 이상 일치하지만, 병징(Symptom)이 상이하여 구분된다. 이들의 차이를 유발하는 요인을 보고자 comparative analysis를 수행하여 Xoo group에서 cellobiose hydrolase가 특이적으로 분포한다는 것이 확인되었다. 반대로 Xoc group에서는 hypothetical protein이 특이적으로 분포한다는 것이 밝혀졌다. 또한, 계통학적으로 celA가 Xoo에서는 존재하나 Xoc에서는 loss가 일어난 것이 확인되었다. 이러한 차이를 바탕으로 vascular X. oryzae (Xo)로부터 nonvascular Xo가 분화되었을 것으로 추측하였다. celA 유전자가 Xanthomonas spp.의 tissue specificity에 관여할 것으로 생각하여 XoccelA 유전자를 삽입하여 vascular tissue에서 병을 일으키는지 확인하였다. 하지만, celA 유전자가 있음에도 병이 발생하지 않았는데, 이 돌연변이체에 AvrXa7 유전자를 같이 발현하도록 한 경우, vascular tissue에서 병이 발생함을 보았다. 이를 바탕으로 vascular Xo와 non-vascular Xo 사이의 유전자들의 gain (horizontal gene transfer) and loss에 의하여 Xo의 tissue specificity가 나타나는 것으로 추측하였다.

1-2. Molecular interactions between the root-knot nematode Meloidogyne graminicola and the resistant African rice (Oryza glaberrima) TOG5681
Diana Fernandez (IRD-French Research Institute for Development, France)

Root-knot nematode(뿌리혹선충)는 식물의 지하부를 가해하는 Sedentary endoparasitic nematode(정착형 내부기생성 선충)으로 눈에 띠는 증상이 미약하고 만연하여 쉽게 진단하기 어렵다. 벼 또한 다른 작물과 마찬가지로 뿌리혹선충에 의한 피해를 입을 수 있다. 뿌리혹선충은 stylet을 통해 벼의 뿌리에 물리적 상해를 유발하며, 침샘(salivary gland)에서 cell wall-degrading enzyme(세포벽 분해효소, CWDE)과 다른 미생물과 마찬가지로 effector molecule을 분비한다. 이를 통해 유충 시기 동안 영양분을 획득할 거대 세포(giant cell)를 생성한다. 아시아 벼로 대표되는 Oryza sativaMeloidogyne graminicola에 대하여 거의 모든 품종이 취약한 반면, 아프리카 재배종인 O. glaberrima는 뿌리혹선충에 대하여 저항성을 보인다. O. glaberrima의 저항성 반응은 주로 뿌리혹선충이 생성하는 거대 세포(giant cell)이 붕괴됨으로써 이루어진다. Dual RNA-seq을 이용하여 저항성 반응에서 나타나는 벼의 반응과 선충의 반응을 조사함으로써 O. glaberrima에서 7개의 QTL이 선충 감염 후 크게 발현이 증가함을 보았다. 반면, 선충의 경우 저항성 품종 내에서 cell wall-degrading enzyme (CWDE)의 발현이 증가함을 보았는데, 이는 CWDE를 이용하여 거대 세포를 어떻게 해서라도 만들려고 하는 움직임으로 예상된다고 하였다. 반면, 감수성 품종(Nipponbare) 내의 선충은 CWDE의 발현이 적었는데, 이는 조금의 enzyme으로도 큰 효과를 볼 수 있기 때문이라고 추측된다고 한다. 이에 따라 감수성 품종 내 선충에서는 CWDE보다 주로 선충의 development에 관련된 유전자의 발현이 크게 늘어난다고 한다. 이 연구는 incompatible/compatible interaction 상황에서 기주 식물과 parasite 간의 분자 수준에서의 비교 연구에 도움이 될 것으로 보인다.

1-3. Nuclear effectors of Magnaporthe Oryzae modulate host susceptibility via transcriptional reprogramming of immunity-associated target genes
Seongbeom Kim (Seoul National University, Republic of Korea)

이 연구에서는 M. oryzae – rice (O. sativa) pathosystem을 이용하여 M. oryzae에서 벼 세포 내 핵에서 기주 식물의 transcription을 reprogramming하여 immunity response의 발현에 관여하는 nuclear effector를 찾고 이들에 대한 characterization을 실시하였다. M. oryzae에서 분비되는 단백질 중 transcription factor의 특징을 가지는 20개의 단백질을 찾아 MoHTR (Host Transcription Reprogramming) 유전자라 명명하였다. 시간별 transcriptome을 기반으로 활물기생 시기에 상대적인 발현 정도가 높아 병 발생에 기여할 것으로 보이는 MoHTR1과 HTR2를 선정하여 추후 characterization을 실시하였다. 각 HTR1 단백질에 형광단백질을 tagging하여 이들 단백질이 어디에 위치하는지 본 결과, 두 단백질이 활물기생 단계에서 BIC에 집적되며 식물의 핵으로 이동하는 것이 확인되었다. 흥미롭게도 이들 단백질은 침입 균사가 다음 세포에 도달하기 전, 이미 다음 세포의 핵으로 이동한다는 것 또한 확인되었다. 두 유전자를 제거한 돌연변이체를 이용하여 병원성 실험을 진행하였을 때, 진균의 development(영양생장 및 포자 생성, 발아, appressorium 생성)에는 영향을 주지 않으나, in planta에서 virulence가 모두 감소하는 것을 확인하였다. Defense에 관여하는 유전자와 식물 호르몬에 반응하는 유전자들의 발현 정도를 보았을 때, HTR 유전자가 삭제된 돌연변이체에서 모두 이들 유전자들의 발현이 유의하게 증가하는 것으로 나타나, HTR 유전자가 immunity response의 발현에 관여함을 밝혔다. HTR 단백질이 C2H2 Zinc finger를 가지고 있어 DNA에 binding할 것으로 예측되어 이들의 DNA target을 찾기 위해 binding affinity가 높은 DNA 서열을 확인하여 MoHTR1의 target으로 OsMYB4가, MoHTR2의 target으로 OsWRKY45OsHPL2 유전자가 확인되었다. Yeast one hybrid를 통해 이들 target gene에 HTR 단백질이 결합함을 확인하였고, in planta gene expression을 보았을 때, HTR 단백질이 삭제된 돌연변이에서 target gene의 발현이 모두 증가함을 보았다. MoHTR이 식물체 내에서 constitutive expression을 할 때의 target gene의 발현을 보기 위해 MoHTR 단백질을 발현하는 transgenic rice를 제작하였고, 이들에서 target gene의 발현을 확인한 결과, target gene의 발현이 감소함을 보았다. 이들이 basal defense gene의 발현에 관여하기 때문에 다른 병원성 미생물의 병 발생에도 영향을 줄 것으로 예상되어 활물기생체인 X. oryzae pv. oryzae (Xoo)와 사물기생체인 Cochliobolus miyabeanus를 각각 접종하여 병 발생량을 확인하였다. 그 결과, Xoo의 병 발생이 두 HTR-transgenic rice에서 모두 증가하였으며, C. miyabeanus의 병 발생은 감소하는 경향을 보였다. 이를 통해 transcription repressor로서 기주 식물의 immunity-associated gene의 발현을 억제함으로써 병 발생 환경을 병원체에 호의적으로 만드는 nuclear effector가 있음을 증명하였다.

이와 같이 satellite meeting에서는 벼를 가해하는 다양한 미생물에서의 연구동향을 봄으로써 서로 다른 병원성 미생물이 가지고 있는 특이적인 가해 방법과 분자 수준에서의 interaction을 볼 수 있었으며, 병원성 미생물 사이에서의 공통적인 요소를 통합적으로 생각해볼 수 있는 기회가 되었다.

 

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< Congress 전 참가한 satellite meeting >

 

2. IS-MPMI Congress에서의 주요 발표

이번 Congress는 방대한 주제를 다루는 만큼 30명의 plenary session speaker와 126명의 concurrent session speaker들로부터 식물-미생물 상호작용 안에서 흥미로운 발표들이 이어졌다.

2-1. Molecular dialogue between insect eggs and Arabidopsis thaliana
Philippe Reymond (University of Lausanne, Switzerland)

Multikingdom interaction의 한 부분으로 다루어진 이 연구에서는 insect의 egg가 plant의 immunity를 증가시켜 Pseudomonas, Botrytis cinerea, Oomycetes와 같은 식물병원균에 대한 defense반응이 나타나게 된다는 내용이었다. White butterfly (Pieris brassicae)의 Egg mass가 있던 자리에는 reactive oxygen species (ROS)가 축적되고, salicylic acid (SA)의 양이 증가하며, cell death 또한 증가하는 것을 발견하였다. 이러한 현상의 원인 물질을 찾고자 egg extract에서 어떤 secondary metabolite가 형성되는지 확인한 결과, phosphatidylcholine이 있음을 찾았고 이 물질을 처리한 결과, mixed egg extract를 처리했을 때와 마찬가지로 plant immunity가 증가하는 결과를 보았다. 이에 대하여 산란을 통해 SA가 관여하는 immunity를 높임으로써 유충의 feeding activity를 통해 발현하는 jasmonic acid (JA)-dependent defense system을 억제하는 동시에 다른 식물 병원성 미생물에 의한 병 발생을 억제함으로써 유충의 생존을 높이는 것이 아닌가라는 추측을 하였다. 이 발표에서는 egg extract를 미리 처리해줌으로써 많은 식물병원균에 대한 defense 반응을 올려줄 수 있는 egg extract 농약에 대한 idea를 제시해 주었으며, 식물병리학에서 multikingdom interaction 또는 multitrophic interaction이 중요하게 고려될 사항임을 알 수 있는 기회가 되었다.

2-2. Regulation of resistance and cell death pathways in TNL receptor immunity (EMBO keynote speaker)
Jane Parker (Max Plank Institute for Plant Breeding Research, Germany)

Plenary session 2의 첫 시작은 EMBO Keynote lecture로 진행되어 Max Plank Institute for Plant Breeding Research의 Dr. Jane Parker에 의해 진행되었다. 발표 주제는 host immunity와 관련하여 Toll-Interleukin1-Receptor signaling (TIR) domain NLRs (TNRs)가 plant immunity의 결과로 나타나는 programmed cell death에 관여한다는 내용으로 TNR의 interaction partner로 Enhanced Disease Susceptibility1 (EDS1)과 interaction을 함으로써 이루어진다는 것을 증명하는 것이었다. EDS1은 EP domain과 lipase-like domain을 가지고 있는데, EP domain을 기반으로 Phytoalexin Deficient 4 (PAD4)와 Senescence-Associated Gene101 (SAG101)과 같은 protein과 binding하여 heterodimer를 형성한다. EDS1-PAD4 heterodimer의 경우, 세균에 대한 TNL immunity에서 SA와 다른 defense를 촉진하기 위해 JA-SA hormone network를 modulation하는 것으로 알려져 있다. EDS1의 EP domain에 특정 아미노산을 바꿀 경우, functionality가 감소하며, defense expression 또한 감소하는 것으로 확인되었다. 반면 EDS1-SAG101 heterodimer의 경우, 어떠한 역할을 하는지 분명하지 않았으나, 이 연구를 통해 Arabidopsis thaliana에서 EDS1-SAG101 heterodimer가 NRG1 RPW-type CC-domain helper NLR과 함께 작동하여 TNL-activated host cell death에 관여함을 증명하였다. 이와 같이 EDS1이 pathogen에 대한 early detection으로써 감염 후 6~8시간 내 방어(golden time 내 방어)를 위한 중요한 protein임을 강조하였다.

2-3. How do parasitic plants perceive host plants?
Ken Shirasu (RIKEN Center for Sustainable Resource Science, Japan)

식물병리학에서 쉽사리 접하지 못하였던 parasitic plant(기생 식물)에 대한 흥미로운 발표를 들을 수 있었다. 벼와 수수 등에서 기생하는 식물인 Striga의 경우 벼 생산의 10대 위험 요소에 포함되는 biological factor로 선정되었다고 한다. 이 기생 식물은 진균성 병원균과 마찬가지로 뿌리에 침투하여 haustoria라고 하는 영양분 흡수 구조를 형성한다. 흥미로운 점은 host의 뿌리를 인지하여 발아를 하는 신호가 stringolactone이라고 하는 hormone을 인지하여 이루어지는데 이것은 AMF가 host를 인지하는 물질과 구조적으로 유사하다. 기생 식물은 뿌리의 tip 부분이 아닌 transition zone만을 항상 감염하며, 이 연구에서는 forward genetics를 이용하여 host를 인지하는 기작을 구명하였다. 또한, 기생 식물의 haustorium formation에 대한 inducing factor로 Quinone 계열의 물질(Dimethylbenzoquinone, DMBQ)이 작용함을 밝혔다. 이 물질을 인지하기 위해서는 leucine-rich repeat receptor-like protein kinase (LRR-RLK)인 CARD1 protein이 receptor로서 필요하다는 것이 확인되었다. 이 CARD1은 non-parasitic plant인 Arabidopsis에서는 plant immunity에 관여하는 것으로 확인되었다. 이 결과를 바탕으로 기생식물의 host를 인지하는 기작이 immunity 기작과 관련이 있다는 결론을 내렸다.

2-4. Rice NLRs and Magnaporthe oryzae AVR effectors: their interactions and coevolution
Ryohei Terauchi (Kyoto University, Japan)

이 발표는 Pia (RGA4/5 or Pia-1/-2), Pii (Pii-1/-2), Pik (Pik-1/-2) R gene과 Avrpia, Avrpii, Avrpik에 대한 연구를 주제로 하였다. Pia와 Pik의 HMA domain에 avirulence gene들이 직접적으로 binding하여 interaction하고 있지만, Pii와 Avrpii는 서로 directly interaction하고 있지 않는다. Avrpii가 plant 내부에서 interaction하고 있는 단백질(OsEXO70)을 찾아 silencing한 뒤 Pii가 있는 rice에 Avrpii가 있는 M. oryzae를 접종한 결과, 병이 발생한 것을 통해 EXO70이 R gene과 Avr gene의 interaction에 의한 defense 과정에 있다고 밝혔다. 그리고 indica rice에 존재하는 R gene인 Pias (Pias-1/-2)를 확인했는데, Pias-1과 Pia-1는 서로 92% similarity를 보이고, Pias-2와 Pia-2는 54%의 similarity를 보였다. Pia-1과 Pia-2, Pias-1을 가지고 있는 transgenic line, Pia-1와 Pia-2, Pias-2를 가지고 있는 transgenic line을 만든 뒤 Avrpias를 가지고 있는 벼도열병균을 접종한 결과 전자에서는 병이 발생했지만, 후자에서는 hypersensitive reaction (HR)이 나타난 것으로 보아 Pia-1과 Pias-2가 한 쌍으로써 avirulence gene에 대한 R-gene역할을 할 수 있다고 보여주었다. R-gene과 effector를 characterization하고 각각이 어떻게 function을 할 수 있는지, 어떻게 interaction을 하고 있는지에 대한 심층적인 연구를 수행하였음을 알 수 있었다.

2-5. A micro RNA acts as a systemic mediator of symbiotic susceptibility
Young Investigator Awardee: Katharina Markmann (Tübingen University, Germany)

microRNA가 symbiotic susceptibility를 조절하는 역할을 한다는 주제로 발표하였다. Symbiotic microbe로 Lotus japonicus와 symbiotic association을 형성하는 Mesorhizobium coli를 연구에 사용하였다. 뿌리혹박테리아는 혹(nodule)을 형성함으로써 질소 고정을 하여 식물에 NH4+를 제공해주는 중요한 역할을 한다. 하지만 legume host는 nodule의 수를 제한하기 위해 auto-regulatory process를 유도한다. 이 이유를 찾기 위해 연구를 시작했다고 한다. 실제로 nodulation에 관여하는 유전자를 과발현 시킨 결과, 식물의 development가 감소하였다. 따라서 식물의 입장에서 과한 nodulation은 좋지 않다고 보여진다. Symbiosis repressor로 알려진 Too Much Love (TML) suppressor는 F-box protein이다. 뿌리혹박테리아를 접종한 뒤에 legume에서 miR2111과 TML level을 확인한 결과, 그리고 miR2111 처리 및 TML 삭제를 통한 nodule의 수를 확인한 결과, miR2111은 symbiosis activator로써, TML은 symbiosis repressor로써 서로 nodulation을 조절하고 있는 것으로 밝혀졌다. Nodulation을 조절하기 때문에 뿌리에서 발현 및 생성이 될 것이라 생각하였지만, miR2111은 잎에서 발견이 되었고, shoot to root systemic movement가 이루어지는지 확인하기 위해 shoot와 root 사이를 자른 경우와 자르지 않은 경우를 비교하여 뿌리에서 small RNA와 TML level을 확인한 결과, small RNA가 shoot에서 root로 systemic 이동을 하는 것으로 확인되었다. 이 연구를 통해 small RNA의 profiling뿐만 아니라 small RNA의 역할까지도 확인하는 연구가 많아지고 있다는 것을 알 수 있었다.

2-6. Convergent gain and loss of genomic islands drive lifestyle changes in plant-associated Pseudomonas
Ryan Melnyk (The University of California Davis, USA)

Pseduomonas에서의 pathogen과 beneficial strain의 차이를 genome 상에서 찾아내고, 이러한 차이가 진화적으로 어떻게 나타나게 되었는지를 연구한 내용이었다. 이 발표에서는 P. fluorescens species (Pfl) complex 중 P. brassicacearum clade에 속한 균주에서 plant의 growth를 촉진시켜주는 mutualist (Pseudomonas sp. N2E2)와 병을 일으키는 pathogen (Pseudomonas sp. N2C3)이 phylogenetic tree 상에서 매우 밀접하게 위치하는 것을 발견하였다. 이러한 차이를 만들어내는 유전적 요인을 찾아보고자 병을 일으키는 균주인 N2C3와 commensal인 Pfl strain과 병원균인 P. syringae strain의 genome을 비교하였다. 이에 pathogenic strain에서만 나타나는 genomic island (LPQ island)를 찾아내었다. 이 island는 lipopeptide 생합성과 quorum-sensing에 관련된 유전자들이 포함되어 있었다. 이 island를 제거할 경우, 병원성 strain인 N2C3에서 pathogenic phenotype이 사라지는 것(lateral root density가 증가함)을 확인하였다. 더 나아가 LPQ island가 pathogenic Pseudomonas strain에 대한 marker로 이용될 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 진화과정 동안 homologous recombination을 통해 각 lineage에서 island의 gain and loss가 일어났고, pathogen과 beneficial한 lifestyle을 가지게 된 것이라 말하였다. 이 연구 내용은 2019년 ISME journal에 게재된 것(https://doi.org/10.1038/s41396-019-0372-5)으로 자세한 실험 방법 및 연구 내용을 확인할 수 있다.

3. 마이크로바이옴 관련 주요 발표

3-1. Mapping barley genes shaping the rhizosphere bacteria
Carmen Escudero-Martinez (University of Dundee, United Kingdom)

이 연구에서는 Barley의 wild relative와 elite variety를 이용하여 wild와 elite variety에서 distinct하게 association을 형성하는 microbiota의 assembly에 관여하는 genetic source를 구명하고자 하였다. 이를 위하여 HEB-25라는 Elite와 wild relative의 cross line을 이용하여 일련의 실험을 진행하였다 (HEB-25는 barley 개화 시기 연구와 관련하여 2015년 BMC genomics에서 발표된 Klaus Pillen group에서 개발한 barley nested association mapping (NAM) population이다.). 이 연구에서의 barley는 wild barley genome이 introgression이 된 wild-like barely와 elite cultivar (Barke)와 Barke-like barley genotype이 이용되었고, 분석 대상은 root bacterial community가 대상이 되었다. Microbial abundance를 quantitative trait으로 이용하여 HEB-25 line 내의 특정 loci가 elite cultivar와 비교하여 보이는 compositional difference나 OTU와 상관관계가 있는지를 보고자 하였다. OTU의 normalized read를 이용하여 이미 알고 있는 locus와 상관관계 분석함으로써 genetic component를 구명하고자 하였다. 이 연구에서 locus 3H에 있는 genetic component에 의해 community의 차이가 발생함을 찾았고, locus 내의 B91과 B124가 특히 significant한 영향을 주는 것으로 확인되었다. 이 두 요소와 관련하여 Burkholderiales, Sphingomonadales, Enterobacteriales, Pseudomonadales에 속한 OTU들이 wild introgression이 된 barley와 elite-like 또는 elite와 차이가 있음을 보았다. 이들의 추후 연구로는 Locus 3H 내의 B91과 B124의 어떤 gene이 확인된 차이에 기여할 것이고, wild-like bacterial microbiota가 실제 barley productivity에 영향을 줄 것인지 확인할 예정이라고 한다. 이 연구를 통해 느낀 점은 단순히 community의 구성을 보는 수준에서 community의 구성에 영향을 주는 host genetic factor를 reverse genetics 또는 genomics를 통해 기 구축된 plant host line을 이용하여 분석하고자 한다는 것을 볼 수 있었다.

3-2. The structure of the rice leaf microbiome is controlled by a complex host-microbe interplay
Ricardo Oliva (International Rice Research Institute, Philippines)

이 연구에서는 이전 3K rice genome을 통해 확보된 rice genome의 raw sequence로부터 bacterial read에 해당하는 disposable read를 회수하여 진행되었다. 전체 dataset 중 필리핀과 중국에서의 rice cultivar들의 leaf microbiome의 composition과 function을 확인하였다. 두 국가의 leaf microbiome의 composition을 비교하였을 때, location(국가)이 두 community의 차이에 가장 큰 기여를 한다는 것을 보았다. 그럼에도 불구하고 Abundant genera가 Clostridium, Mycoplasma, Helicobacter 등으로 유사하다는 점을 미루어 전체적인 community structure는 유사하다는 것을 강조하였다. 지역적 차이와 더불어 rice genotype 별로 분리하여 community를 보았을 때, predicted function이 유사하다는 것을 보았고, 이를 통해 rice에서 genotype에 상관없이 공통적인 기능을 요구할 수 있다는 가정을 하였다. 앞서 요약한 Carmen Escudero-Martinez (2-6)의 연구와 마찬가지로 Genome wide associated study (GWAS)를 이용하여 rice의 metabolic pathway가 leaf microbiome structure에 영향을 준다는 것을 확인하였다. 또한 cell wall enforcement나 Salicylic acid accumulation과 관련된 host factor가 bacterial OTU 그 중 hub OTU에 영향을 준다는 것 또한 확인하였다. 이 연구는 bioRxiv에 게재된 상태(https://doi.org/10.1101/615278)로 보다 자세한 내용을 공개된 논문을 통해 참고할 수 있다.

3-3. Soil-borne legacies of plant disease
Roeland Berendsen (Utrecht University, Netherlands)

이 연구는 Suppressive soil에서 영감을 받아 Arabidopsis thaliana-Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa)와 Pseudomonas syringae를 이용하여 연속적으로 병에 감염되었을 때, Arabidopsis에서 보이는 defense priming과 이와 관련된 bacterial microbiome을 다루었다. 이것에 대한 연구 내용은 2018년 ISME journal (https://doi.org/10.1038/s41396-018-0093-1)과 Microbiome journal (https://doi.org/10.1186/s40168-018-0537-x)에 게재되었다. Leaf pathogen인 Hpa에 감염된 A. thaliana에서 rhizosphere community의 composition이 변함을 확인하였으며 (Stenotrophomonas, Microbacterium, Xanthomonas에 속하는 OTU의 abundance가 증가한다.), culture-dependent approach를 통해 각각의 OTU를 분리하여 plant phenotype 및 pathogen에 대한 antagonism을 확인하였다. 그 결과, Hpa에 대해 induced systemic resistance (ISR)를 유도하고 plant growth 또한 promotion함을 확인하였다. 무엇보다 1차로 Hpa에 감염한 후, 감염된 plant를 제거하고, 동일한 토양에 새로 Arabidopsis를 심고 2차로 동일한 pathogen에 감염시켰을 때, 2차 감염된 plant에서 enhanced protection을 관찰함에 따라 pathogen에 의한 soil-mediated legacy가 있음을 확인하였다. 이 soil-borne legacy가 bacterial pathogen인 P. syringae에서도 존재함을 보았다. 또한, 추후 연구에서 Hpa에 감염 시 Arabidopsis의 root exudate profile에 변화가 생김을 확인하였다. Root-specific transcription factor인 MYB72가 soil-borne legacy의 creation에 관여함을 확인하였다. 이 연구가 가지는 큰 의미는 plant disease와 plant, soil microbiome에 대하여 suppressive soil이 어떻게 구성되고 어떠한 mechanism을 가지며, 이에 관여하는 host factor와 microbial partner가 누구인가에 대해 detail한 분석을 하였다는 것에 있다.

3-4. A fundamental role of microbiotas in age-dependent immunity
Bradley Paasch (Michigan State University, USA)

또 다른 흥미로운 발표는 Age-dependent immunity(성체 저항성)와 microbiome의 상관관계에 대한 연구였다. 이를 확인하기 위하여 FlowPot system (https://doi.org/10.1101/254953)을 도입하여 실험을 진행하였다. Sterile한 상태에서 재배한 Arabidopsis (Axenic status)와 natural community (Soil slurry에서 재배)가 보존된 Arabidopsis (Holoxenic status)에서의 transcriptome을 비교하여 defense 관련 유전자의 transcription을 비교하는 것에서 출발하였다. Axenic culture와 holoxenic culture의 Arabidopsis를 비교하여 defense 관련 gene이 axenic culture에서 depletion되는 것을 확인하였다. 특히, flg22를 이용하여 PAMP-triggered immunity (PTI) 반응을 보았을 때, holoxenic Arabidopsis가 axenic Arabidopsis보다 유의하고 강하게 높다는 것을 확인하였다. 또한, ROS 및 callus 생성 또한 axenic Arabidopsis에서 감소함을 보았다. P. syringae pv. tomato DC3000을 이용하여 disease sensitivity를 보았을 때, holoxenic Aradidopsis가 병에 덜 걸리는 것을 보았으나, 관련된 defense signaling이 SA나 JA와 관련 있어 보이지는 않다는 결과를 보여주었다. Human에서는 immune maturation에 gut microbiome이 관여하는 것으로 나타났지만, plant에서는 이와 같은 maturation이 아직 관찰되지 않았다고 한다. 이와 같이 이번 MPMI에 주로 발표된 연구들은 plant pathology 측면에서 기존에 pathogen-plant interaction에서 익히 보고된 PTI의 요소들과 microbiome의 관계를 보아서 microbiome이 enhanced immunity에 주는 영향을 PTI를 구성하는 일련의 기작과 연결하고자 하는 연구방향을 보이고 있다.

3-5. Evidence for host specificity within root-associated bacterial communities
Kathrin Wippel (Max Plank Institute for Plant Breeding Research, Germany)

동일한 토양에서도 association을 형성하는 식물에 따라 root bacterial community가 다르다는 것이 잘 알려져 있다. 이 연구에서는 A. thalianaL. japonicus의 root에서 각각 세균 균주를 확보하고, 총 16개 family에 포함되는 32종으로 이루어진 synthetic community (SynCom)을 이용하여 host preference를 조사하였다. 분리된 SynCom을 바탕으로 본래 분리된 plant와 다른 plant에 접종함으로써 이를 확인하였다. SynCom 상에서도 식물에 따라 군집의 차이가 있다는 것을 확인하였고, 특히 분리된 균주들이 원래 분리된 식물에서 높은 relative abundance를 보인다는 것을 보여주었다. 흥미로운 실험 방법과 결과는 native SynCom과 non-native SynCom을 번갈아 접종함으로써 host preference를 보았다는 것이다. 구체적으로, 본래 Arabidopsis에서 분리된 SynCom을 Lotus에 접종하고(non-native SynCom에 노출) 이후 Lotus에서 분리된 SynCom을 다시 접종하여(native SynCom에 노출) root community를 보았고 Arabidopsis에 대해서도 똑같이 non-native와 native를 번갈아 접종하였다. 이와 더불어, 반대로 native SynCom을 먼저 접종하고 이후 non-native SynCom을 2차 접종하는 실험을 진행하였다. 흥미롭게도 모든 경우에서 native SynCom이 1차 접종원이건, 2차 접종원이건 상관없이 pioneer 또는 invader로 역할을 하여 본래 association을 형성하는 식물과 상호작용한다는 것을 확인하였다. 이것은 microbiome이 분명한 host specificity를 보인다는 것을 의미하는 결과로 보여졌다. 그중에서 Pseudomonas가 가장 뚜렷한 host preference를 보였으며, Lotus와 symbiotic relationship을 형성하는 Mesorhizobium loti 또한 specific한 분포를 보였다. 이 연구가 의미하는 바는 human gut microbiome에서 probiotics 제제를 섭취하더라도 섭취를 멈추면 다시 본래 자기가 가지고 있는 microbiome으로 회귀하는 것과 유사한 결과를 이야기하는 것으로 보여진다. 이러한 특성은 추후 crop microbiome의 probiotics를 이용한 approach에서도 고려되어야 할 부분이라 생각된다.

 

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< Congress 기간 동안 Opening ceremony와 Plenary session, Closing ceremony가 진행되었던 Clyde Auditorium >

 

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< 이번 Congress에서 신설된 Flash talk과 포스터 발표 모습 >

 

Ⅲ. 총평

이번 Congress에서는 분자 수준에서 이루어지는 비병원성 유전자(Avirulence gene)와 effector, 그리고 식물의 receptor들과 downstream signal cascade 등을 기반으로 하는 병원성 미생물과 식물의 상호작용 기작에 대해서 매우 자세히 볼 수 있는 기회가 되었다. 또한, 세균과 진균, 선충, 바이러스에 이르는 여러 미생물에 대해서 이해함으로써 개별적인 생물학적 요소로써 식물과 어떠한 상호작용을 함에 있어 차이점이 무엇이고 공통점이 무엇인지 생각해볼 수 있는 기회가 되었다. 병원균에만 집중되어 있지 않고 공생 미생물에 대해서도 다루면서 병원성 미생물과 공생 미생물의 식물과의 상호작용에서의 차이점과 공통점은 무엇인지에 대해 볼 수 있다는 기회를 가질 수 있었다. 무엇보다 개별 미생물과 더불어 미생물 군집이라는 측면에서 식물과 미생물의 관계를 뜯어보는 기회가 되었다. 특히, 마이크로바이옴 연구의 최신 동향으로써 미생물 군집의 형성과 구조, 기능에 영향을 주는 기주 식물의 유전적 요인을 찾고자 기주 식물의 whole genome을 함께 분석하는 연구를 직접적으로 느낄 수 있는 기회가 되었다. 또한, 16S rRNA 유전자나 ITS 유전자와 같이 culture-independent approach와 SynCom을 이용한 culture-dependent approach의 병행은 culture-independent approach에서 한계점으로 여겨지는 마이크로바이옴에 대한 실험적 증명과 실제적인 이용을 가능하게 한다는 점을 다시 한번 느낄 수 있었다. 마지막으로 미생물과 식물 간의 상호작용과 그 결과를 분자 수준에서의 이해함과 더불어 이를 생태학적 의미로 확장하고 앞으로 우리가 해야 할 연구가 농업적 이용을 위해 무엇을 고려해야 하는지 알 수 있는 기회가 되었다는 점에서 큰 의미가 있었다.

 

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< 2019 IS-MPMI XVIII Congress가 진행되었던 SEC centre의 전경 >

 

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김현(2019). 2019 IS-MPMI (International Society for Molecular Plant-Microbe Interactions) XⅧ Congress 참석 후기. BRIC View 2019-C23. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3312 (Sep 10, 2019)
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