Zn과 Al 과잉 조건에서 토양 내 바이오폴리머 혼합에 의한 Camelina sativa L.의 피해 경감 효과 = Biopolymer amended soil reduces Zn or Al excess damage in Camelina sativa L.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서 사용한 바이오폴리머(biopolymer)는 친환경 제방 건설 소재로 연구 되고 있다. 바이오폴리머의 이온결합 및 수소결합을 통해 토양의 강도가 증진 된다고 보고되어 있지만, 바이오폴리머가 혼합된 토양이 식물에 미치는 영향은 자세히 알려져 있지 않다. 토양내 높은 농도의 Zinc (Zn) 또는 Aluminium (Al) 이온이 존재할 경우 식물 뿌리의 손상 뿐만 아니라 식물체 내에 유입되어 독성 피해를 야기한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 Zn 및 Al 과잉 스트레스 조건에서 바이오폴리머의 토양 혼합이 Camelina sativa L. (Camelina)에 미치는 영향을 분석하였다. Camelina의 생장실험을 기반으로, Zn 및 Al 과잉 스트레스에 대한 최적의 바이오폴리머 혼합 비율을 탐색하여 실험을 진행하였다. Zn 과잉 스트레스 하에서, β-glucan (BG) 또는 Xanthan gum (XG) 혼합구의 Camelina는 비혼합구에 비해 높은 생장을 보였으며, Zn 과잉 스트레스 피해 지표인 Malondialdehyde (MDA) 함량과 전해질유출도의 감소를 나타냈다. 바이오폴리머의 Zn 결합능을 DTZ (1,5-diphenylthiocarbazone)을 이용하여 분석한 결과, BG 또는 XG 모두 명확한 Zn 흡착 반응을 보였다. Camelina의 DTZ 염색 및 ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy) 분석에서, Zn 과잉 스트레스에 의한 Zn 흡수량이 BG 또는 XG 혼합에 의해 현저히 감소함을 확인하였다. 그리고, BG 또는 XG의 혼합은 Camelina의 중금속 수송체 heavy metal ATPase (HMA)들의 발현을 유도하지 않았으며, 야생형(wildtype, WT)보다 CsHMA3가 과발현 되어 Zn 과잉 스트레스 내성이 증진된 Camelina에서 BG 또는 XG 혼합구와 유사한 수준의 Zn 과잉 스트레스 저감 효과를 확인하였다. 바이오폴리머의 추가적인 독성 이온 피해 경감 기작을 확인하기 위해 Camelina에서 XG의 혼합에 의한 Al 독성 피해 반응을 확인하였다. 수경재배 조건에서 Al 농도별 그리고 XG의 혼합 농도별 Camelina 뿌리의 생장을 조사하였다. 그 결과, Al 과잉 스트레스 조건에서 XG 혼합구가 비혼합구 보다 뿌리의 생장이 좋았다. Al 독성조건에서 morin 염색 및 ICP-OES 분석 결과 XG 혼합구에서 Camelina 뿌리의 Al 함량 감소를 확인하였다. 같은 조건에서 malate 수송체 aluminium activated malate transporter 1 (ALMT1)의 발현이 XG 혼합 및 비혼합에서 모두 유도되었지만, XG 혼합이 비혼합보다 낮은 수준의 발현을 보여주었다. 종합해보면 바이오폴리머의 토양 혼합은 바이오폴리머와 Zn 및 Al 이온과 결합에 의해 Camelina에 과도한 Zn 및 Al 이온이 흡수되는 것을 방지하여 Zn와 Al 독성 피해를 감소시키는 것으로 확인되었다. 결론적으로 바이오폴리머의 토양혼합은 금속 이온 독성조건의 토양에서 식물 생존 및 생육에 긍정적으로 작용할 것이라 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Amending biopolymers such as β-glucan (BG) and Xanthan gum (XG) generally enhances soil strength by ionic and hydrogen bonds between soil particles. Thus, biopolymers have been studied as eco-friendly construction materials in levees. However, physiological responses of plants grown on soil amended with biopolymers are not fully understood. This study focuses on the effects of biopolymers on the growth of Camelina sativa L. (Camelina) under excess zinc (Zn) or aluminium (Al) stress. The optimal concentrations of BG and XG were confirmed to have a 0.5% ratio in soil depending on the physiological parameters of Camelina under excess Zn stress. The Zn binding capacity of biopolymers was investigated using 1,5-diphenylthiocarbazone (DTZ). The reduction of Zn damage in Camelina was evaluated by analyzing the Zn content and expression of heavy metal ATPase (HMA) genes under excess Zn stress. Amendments of BG and XG improved Camelina growth under excess Zn stress. In DTZ staining and ICP-OES analysis, Camelina grown on BG and XG soil showed less Zn uptake than normal soil under excess Zn stress. The Zn-inducible CsHMA3 gene was not stimulated by either BG or XG amendment under excess Zn stress. Moreover, both BG and XG amendments in soil exhibit Zn-stress mitigation similar to that of Zn-tolerant CsHMA3 overexpressed Camelina. Additionally, I investigated to effect of biopolymer in Camelina under Al excess stress. Nutrient solution containing 0.05% XG improved root elongation than control under Al excess stress. Camelina roots in XG nutrient solution revealed not only reduction of plasma membrane damages detected by hematoxylin staining but also contents less Al ion in root than control by morin staining and ICP-OES analysis. A typical Al-induced gene ALMT1 was not significantly induced by Al excess stress when Camelina was grown on XG solution. These results indicate that biopolymer-amended soils may influence the prevention of metal absorption in Camelina under excess Zn or Al stress. Thus, BG and XG are proven to be suitable materials for levee construction and can protect plants from soil contamination by Zn or Al.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• List of Tables I
• List of Figures II
• 국문초록 1
• 서론 3
• 재료 및 방법 5
• 1. 식물 재료 및 바이오폴리머 처리 조건 5
• 2. 뿌리 신장 측정 5
• 3. 전해질 유출도 측정 6
• 4. MDA 함량 측정 6
• 5. DTZ, hematoxylin, morin 염색 7
• 6. 바이오폴리머-Zn 이온 결합 분석 7
• 7. 금속 함량 분석 7
• 8. RT-PCR 분석 8
• 결과 9
• 1. Zn 과잉 조건에서 바이오폴리머의 토양 혼합 농도에 따른 Camelina 표현형 비교 9
• 2. 바이오폴리머 혼합에 따른 Camelina 생장 및 생리적 특성 분석 11
• 3. Zn 이온과 바이오폴리머 결합 분석 13
• 4. 바이오폴리머 혼합에 따른 Camelina의 금속 함량 변화 분석 15
• 5. 바이오폴리머 혼합에 따른 CsHMA 유전자들의 발현 패턴 분석 17
• 6. CsHMA3 과발현 Camelina를 이용한 바이오폴리머의 Zn 과잉 스트레스 저감효과 비교 19
• 7. 바이오폴리머 및 Al 처리에 따른 Camelina 뿌리 신장 비교 21
• 8. Al 과잉 스트레스 하에서 Xanthan gum 혼합 농도에 따른 Camelian 뿌리 생장 비교 23
• 9. Xanthan gum 혼합에 따른 Camelina 뿌리의 Al 축적 비교 25
• 10. Al 과잉 스트레스 하에서 Xanthan gum 혼합 유무에 따른 ALMT1 유전자 반응 분석 27
• 고찰 29
• 참고문헌 34
• 영문초록 42