Microbiome-Mediated Enhancement of Powdery Mildew Resistance in Cucumber: Discovery and Application of Keystone Strains = 오이 흰가루병 저항성 미생물군집 매개 강화: 핵심 균주의 발견 및 응용

국문 초록 (Abstract)

흰가루병(Powdery Mildew, PM)은 주로 Podosphaera xanthii에 의해 발생하는 오이(Cucumis sativus L.)의 대표적인 곰팡이 병으로, 잎 표면에 흰 가루 모양의 병반을 형성하여 광합성을 저해하고 식물의 생장 능력을 약화시켜 수확량과 품질에 심각한 손실을 초래한다. 흰가루병은 빠른 전염성과 전 세계적인 발생으로 인해 농업적으로 경제적 피해가 큰 병해로 잘 알려져 있다. 주로 화학적 살균제에 의존한 방제가 주로 이루어져 왔으나, 내성 발생, 환경 문제, 화학 농약 사용 규제 등으로 인해 장기적인 효과에는 한계가 존재한다. 이에 따라 지속 가능하고 친환경적인 대안적 방제 방법의 개발이 요구된다.

최근에는 식물 병해를 줄이고 작물 건강을 증진시키는 생물학적 방제 미생물에 대한 관심이 높아지고 있다. 그중에서도 방선균류(Actinobacteria)에 속하는 Pseudonocardia 속은 다양한 항균 대사산물을 생성하는 것으로 보고되어 왔다. 이러한 2차 대사산물은 미생물 간 상호작용에서 중요한 역할을 하며, 종종 식물 병원균의 성장을 억제하는 효과를 나타낸다. 특히 Pseudonocardia는 곤충 및 식물과의 공생 관계에서 곰팡이 감염 방어에 기여하는 사례가 보고된 바 있다. 그러나 Pseudonocardia를 오이 흰가루병 방제에 직접 적용한 연구는 아직 드물며, 그 잠재적 활용 가능성에 대한 이해는 제한적이다.

차세대 시퀀싱 기술의 발달은 식물 연관 환경에서 미생물 군집을 종합적으로 분석할 수 있는 기반을 마련하였다. Illumina MiSeq 기반의 16S rRNA 증폭 시퀀싱은 생물학적 처리에 따른 미생물군 변화 양상을 파악하고, 식물 병해 억제의 생태적 메커니즘을 밝히는 데 유용하다. 동시에 LC-MS/MS-Q-TOF와 같은 대사체 분석 기법은 후보 생물학적 방제 균주가 생성하는 항균 물질을 확인하는 데 도움을 준다. 이러한 접근법들을 통합함으로써 미생물 생태와 방제 활성을 뒷받침하는 화학적 기작을 함께 이해할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 오이에 발생하는 흰가루병을 대상으로 Pseudonocardia 균주의 생물학적 방제 가능성을 조사하였다. 이를 위해 오이에 Pseudonocardia를 처리하고 농약 처리군 및 비처리군(NT)과 비교하였다. 미생물군집 분석은 Illumina MiSeq 시퀀싱으로 수행하였으며, LC-MS/MS-Q-TOF를 통해 항생물질 생성 여부를 확인하였다. 이러한 통합적 분석을 통해 Pseudonocardia가 화학적 살균제의 지속 가능한 대안이 될 수 있는지, 나아가 흰가루병 억제에 기여하는 생태적·생화학적 메커니즘을 규명하고자 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Powdery Mildew (PM), primarily caused by Podosphaera xanthii, is one of the most destructive fungal diseases in cucumbers (Cucumis sativus L.) (Wang et al., 2024; Ayaz et al., 2023). The disease is characterized by white, powder-like lesions on leaf surfaces, which reduce photosynthetic activity, weaken plant vitality, and ultimately lead to significant yield and quality losses (Cui et al., 2022; Cohen et al., 2004; Chen et al., 2021). Due to its rapid spread and severe impact on cucumber production worldwide, PM has long been recognized as an economically important disease in agriculture (Pérez-García et al., 2008). Traditional management strategies rely heavily on chemical fungicides; however, their long-term effectiveness is limited by the development of fungicide resistance, environmental concerns, and regulatory restrictions on chemical usage(Corkley et al., 2022; Riseh et al., 2024). As a result, the search for sustainable and eco-friendly alternatives has become an urgent priority.

In recent years, beneficial microbes have attracted attention as biological control agents capable of reducing plant diseases and promoting crop health(M. Yang et al., 2021). Among them, actinobacteria, particularly the genus Pseudonocardia, have been reported to produce a diverse array of antimicrobial metabolites(Mueller et al., 2010). These secondary metabolites play an important role in microbial interactions, often suppressing the growth of phytopathogens. Furthermore, Pseudonocardia species are frequently associated with protective symbioses in insects and plants, where they contribute to defense against fungal infections(Currie et al., 1999; Li et al., 2022; Sen et al.,2009; Aylward et al., (2014)). Despite these promising traits, relatively few studies have examined the direct application of Pseudonocardia to control cucumber PM, leaving a critical gap in knowledge regarding its biocontrol potential.

Advances in high-throughput sequencing technologies have enabled comprehensive analyses of microbial communities in plant-associated environments. Amplicon sequencing of the 16S rRNA gene using Illumina MiSeq provides insights into how microbial communities shift in response to biocontrol treatments, thereby revealing ecological mechanisms underlying plant disease suppression(Bolyen et al., 2019; Caporaso et al., 2010; Du et al., 2024). In parallel, metabolomic approaches such as LC-MS/MS-Q-TOF allow for the identification of bioactive compounds produced by candidate biocontrol strains(Chen et al., 2020; Wu et al., 2015). Integrating these approaches offers a holistic understanding of both microbial ecology and the chemical basis of biocontrol activity.

The present study was therefore designed to investigate the biocontrol potential of Pseudonocardia strains against cucumber PM (Wu et al., 2023). Specifically, cucumber plants were treated with Pseudonocardia and compared with pesticide-treated and non-treated (NT) controls. Microbiome composition was analyzed using Illumina MiSeq sequencing, while LC-MS/MS-Q-TOF was employed to detect antimicrobial metabolites. Through this integrated analysis, we aim to evaluate whether Pseudonocardia can serve as a sustainable alternative to chemical fungicides and to provide insights into the ecological and biochemical mechanisms underlying PM suppression.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Materials and Methods 3
• 2.1. Plant Preparation and Growth Conditions 3
• 2.2 Biological Materials and Treatments 4
• 2.3. Disease Assessment and Monitoring 6
• 2.4. Microbial and Molecular Analysis 7
• 2.5. Metabolite Extraction and Profiling of Pseudonocardia Antifungal Compounds using LC- MS/MS-Q-TOF) 10
• 3. Results 12
• 3.1. BIOCONTROL EFFICACY AND COMPARISON WITH PESTICIDE AND NON-TREATED GROUP 12
• 3.2. IMPACT OF TREATMENTS ON THE PHYLLOSPHERE MICROBIOME OF POWDERY MILDEW-INFECTED
• CUCUMBER 15
• 3.3 ALTERATIONS IN THE PYLLOSPHERE MICROBIOME COMPOSITION OF RESISTANT CUCUMBER CULTIVARS UNDER DIFFERENT TREATMENTS FOR POWDERY MILDEW 22
• 3.4 SECONDARY METABOLITE PROFILE AND ANTAGONISTIC COMPOUNDS OF PSEUDONOCARDIA
• CONSORTIUM 26
• 4. Discussion and Conclusion 29
• 5. References 31