플라스틱으로 오염된 토양에서 재배되는 대두(Glycine max)식물의 프로테옴 변화와 산화 스트레스에 대한 반응 : 지속 가능한 농업적 관점에서의 고찰

국문 초록 (Abstract)

세계인구의 증가로 인해 많은 양의 자원이 소모되고, 이에 따른 환경 오염 문제에 관심이 높아지고 있다. 농업 분야에서는 농자재로 사용해온 플라스틱의 불완전한 수거 및 소거로 인해 토양 오염문제가 제기되어 왔다. 게다가 농자재로 사용하는 플라스틱은 백색혁명으로 불릴 정도로 작물 생산성 증가에 긍정적 영향을 주었으나, 플라스틱 오염에 따른 농생태계에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구에서는 세계 5대 식량 작물 중 하나인 대두(Glycine max (L.) Merrill ‘Daewon’)를 필드 수준과 실험실 수준에서 저밀도 폴리에틸렌 (Low-Density Polyethylene, LDPE)을 사용하여 만든 인공 오염 토양에서 재배하여 농업 플라스틱이 작물에 미치는 영향을 조사하였다. 필드 수준에서 식물 길이와 백립중은 차이가 없었지만, 건전하지 않은 종자의 비율이 플라스틱 처리구에서 증가한 결과를 확인하였다. 실험실 수준에서 플라스틱에 의한 대두 지상부의 길이, 뿌리의 건조 중량, 뿌리혹 수, 뿌리혹 밀도는 증가하였고, 뿌리의 길이는 감소하였다. 또한, 플라스틱이 작물에 미치는 영향을 분자 수준에서 확인하기 위해, 대두 잎에 대해 MALDI-TOF (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight)와 결합된 2D SDS-PAGE를 수행하였다. Proteome 분석 결과, 243개의 공통적으로 나타나는 단백질 spot이 확인되었다. 공통으로 나타난 단백질 spot의 spot intensity를 확인하여 디지털화한 뒤, Heat map을 통해 시각화하여 발현량의 차이가 2배 이상 증가, 감소하는 단백질 spot 16개 중에 PMF (Peptide Mass Fingerprinting) analysis를 통해 significance가 유의미하게 나온 6개의 단백질을 선정하였다. 식물의 조직에서 변화가 확인된 단백질 관련 유전자의 발현 수준 또한 비교 분석하였다. 그 결과 5개의 유전자에서 유의미한 차이를 보였다. 또한, Chlorophyll Fluorescence, ROS (Reactive Oxygen Species) 관련 산화 활성 실험을 통해 플라스틱이 식물의 생리활성에 미치는 영향을 확인한 결과 Chlorophyll Fluorescence는 플라스틱 처리구에서 증가하였다. Superoxide Dismutase 활성과 Ascorbate 농도 또한 증가하였고, H2O2 농도는 처리구에서 감소하는 것을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구는 LDPE가 토양과 작물에 미치는 영향을 분석함으로써, 농업 플라스틱에 의한 토양 오염 감소 및 작물생산성 유지를 위한 방안을 모색하는데 기여할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid growth of the global population has led to increased consumption of resources and heightened concerns over environmental pollution. In agriculture, the improper collection and disposal of plastic materials have raised issues of soil contamination. Even though usage of agri-plastics secured crop productivity, the direct impact of agricultural plastic on crop productivity and agroecosystem remains unclear. This study investigates the effects of agricultural plastics on crops by cultivating one of the world’s top five staple crops, soybean (Glycine max (L.) Merrill cultivar ‘Daewon’), in artificially polluted soil using low-density polyethylene (LDPE) at both field and laboratory scales. In field conditions, no significant differences were observed in plant height or 100-seed weight; however, the proportion of unhealthy seeds was higher in the LDPE treatment. In laboratory conditions, LDPE treatment resulted in increased shoot length, root dry weight, nodule number, and nodule density, but root length was reduced. To explore the molecular effects of LDPE on crops, MALDI-TOF (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization-Time of Flight) combined with 2D SDS-PAGE was performed on soybean leaves. Proteome analysis identified 243 common protein spots, whose intensities were quantified and visualized through a heat map. Among the 16 protein spots with more than a twofold increase or decrease in expression, six proteins with significant differences were selected via PMF (Peptide Mass Fingerprinting) analysis. Gene expression levels related to these differentially expressed proteins were also analyzed, revealing significant changes in five genes. Additionally, chlorophyll fluorescence and oxidative stress assays were conducted to assess the physiological effects of LDPE on soybean. Chlorophyll fluorescence was elevated in LDPE-treated plants. Similarly, the activities of superoxide dismutase and ascorbate concentrations were increased, while hydrogen peroxide levels were reduced. Taken together, this study provides a comprehensive analysis of the impact of LDPE on soil and crops, contributing to strategies for mitigating soil contamination caused by agricultural plastics.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 6
• 2.1 Soil preparation 6
• 2.2 Seed disinfection 6
• 2.3 Plant materials 7
• 2.3.1 Plant materials and growth conditions for 20 days 7
• 2.3.2 Plant materials and growth conditions for 60 days 8
• 2.4 Growth measurement of soybean grown in a greenhouse 9
• 2.5 Measurement of soybean leaf area grown in a greenhouse 9
• 2.6 Proteome analysis 10
• 2.6.1 2D Gel SDS-PAGE 10
• 2.6.2 Visualization of spot intensity using heat map 11
• 2.6.3 PMF(Peptide Mass Fingerprinting) analysis 13
• 2.7 Total RNA extraction 14
• 2.8 DNase treatment 15
• 2.9 cDNA synthesis 16
• 2.10 Primer design for Quantitative PCR (qPCR) Targeting Specific mRNAs 17
• 2.11 Quantitative real-time PCR (qRT-PCR) and data analysis 17
• 2.12 Diaminobenzidine (DAB) staining 18
• 2.13 Measurement of photosynthetic efficiency 19
• 2.14 Superoxide Dismutase (SOD) Assay 20
• 2.15 Catalase (CAT) Assay 22
• 2.16 Hydrogen peroxide (H2O2) Assay 23
• 2.17 Measurement of ascorbate level 24
• 2.18 Measurement of soybean productivity in field conditions 25
• 2.18.1 unhealthy seed ratio 26
• 2.18.2 plant length 26
• 2.18.3 Hundred-seed weight 26
• Ⅲ. Results 33
• 3.1 Plastic treatment does not affect soybean weight 33
• 3.2 The height of soybean plants remains unaffected by the plastic treatment 34
• 3.3 Plastic treatment influences soybean yield 35
• 3.4 Effects of plastics on the aboveground parts of plants 37
• 3.5 Plastic effects on the belowground parts of plants 41
• 3.6 Changes in root nodules of soybean plants due to plastic treatment 45
• 3.7 Plastic treatment does not affect soybean leaf area 48
• 3.8 Changes in protein accumulation due to plastic treatment 50
• 3.9 Changes in mRNA expression due to plastic treatment 58
• 3.10 Plastic treatment increases photosynthetic efficiency 61
• 3.11 Measurement of oxidative stress 65
• Ⅳ. Conclusion & Discussion 71
• References 77
• Supplement 86
• Abstract 89