상추의 가뭄 내성을 위한 미생물 컨소시엄의 열 평가

요약

이 연구는 특히 67균주 균주에 걸친 미생물 접종제가 생리학적 완충제 역할을 하여 락투카 사티바 의 수분 스트레스를 완화함을 입증합니다. 적외선 열화상과 작물 수분 스트레스 지수(CWSI)를 사용하여 미생물 매개 유도 전신 내성(IST)이 증산 냉각을 유지하고 심각한 수분 부족 하에서 항상성 붕괴를 방지하는 방식을 정량화했습니다.

초록

물 부족 증가는 전 세계 상추 생산에 중대한 위협이 되어 작물 품질과 수확량을 감소시킵니다. 생산자들이 물 스트레스를 완화하기 위해 과다 비료를 주는 경우가 많지만, 미생물 접종제와 같은 생물학적 대안이 보다 지속 가능한 접근법을 제공합니다. 이 연구는 67균주 미생물 컨소시엄과 Trichoderma harzianum 분리주가 통제된 조건 하에서 로메인 상추(Lactuca sativa var. Paspartu)에서 수분 스트레스 내성을 향상시키는 효과를 평가하였습니다. 미생물 접종과 세 가지 관개 수준(증산량 50%, 75%, 100%)을 결합한 9가지 처리법이 확립되었습니다. 작물 수분 상태는 적외선 열화상을 이용해 수관 온도 변동(Tc)에 따라 작물 수분 스트레스 지수(CWSI)를 계산했습니다. CWSI의 통계 분석(ANOVA)에서는 치료 간 전반적으로 유의한 차이가 없음을 보여주었습니다(F = 0.67, p = 0.778); 그러나 최고조 열 스트레스 사건에서는 뚜렷한 수치 경향이 관찰되었습니다. 심각한 수분 부족(50% 관개 상태) 하에서 미생물 컨소시엄으로 접종된 식물은 최대 스트레스 임계값(CWSI = 1.0)에 도달한 비접종 대조군에 비해 낮은 CWSI 값(평균 0.38)을 유지했습니다. 더욱이, 미생물 처리는 급성 스트레스 이후 더 빠른 열 회복을 보여주었습니다. 이 결과는 전 세계적으로 변동이 크지만, 미생물 컨소시엄이 증산 효율을 높이는 생리학적 완충 역할을 함을 시사합니다. 적외선 열화상은 수분 스트레스를 조기에 감지하는 정밀하고 비파괴적인 도구임이 입증되었습니다. 이 연구는 유익한 미생물이 작물의 회복력을 향상시킬 수 있는 잠재력을 강조하며, 원예 연구에서 열평가를 위한 표준화된 프로토콜을 제공합니다.

서론

상추(Lactuca sativa L.)는 뿌리가 얕고 수분 함량이 높아 수분 부족에 매우 민감한 고부가가치 원예 작물^입니다. 수분 스트레스 시 식물은 즉각적인 생리적 반응, 주로 기공 폐쇄를 활성화하여 증산을 통한 수분 손실을 최소화합니다^. 이 메커니즘은 내부 수분 상태를 유지하지만, 증발 냉각 감소로 인해 수관 온도(Tc)가 크게 상승합니다^. 온실 생산 및 통제 환경에서 이러한 열적·습성 변동을 관리하는 것은 수확량^{과 품질 유지}에 기본적입니다.

문헌은 수분 제한 조건에서 수관 온도(Tc)와 작물 생산성 사이에 중요한 음의 상관관계가 있음을 입증합니다. 이 관계는 생체량 축적과 최종 수율 모두에 다면성 효과를 보이는 Tc의 다중 정량적 형질 유위(QTL)의 확인에 의해 더욱 입증됩니다^. 수분 스트레스 모니터링 분야에서 적외선 열화상은 정규화 차이 식생 지수(NDVI)보다 더 높은 감도를 보여주어, 전통적인 스펙트럼 식생 지수로는 종종 감지되지 않는 미묘한 수분 변동을 감지할 수 있게 되었습니다. 이 맥락에서 캐노피 온도(Tc)를 기반으로 한 알고리즘은 조직 수분 상태를 진단하는 비침습적이고 신속하며 정확한 방법론을 제공합니다. 그중 작물 수분 스트레스 지수(CWSI)는 생리학적 특성 분석과 관개 체계 최적화에 가장 견고하고 널리 구현된 매개변수로 두드러집니다. CWSI의 다재다능함은 올리브, 포도나무, 사탕무, 옥수수, 쌀, 밀^{, 목화} 등 고부가가치 수목 및 초본 작물을 포함한 광범위한 분류군에서 검증되었습니다.

반면, 적외선 열화상(IRT)은 작물 수분 상태를 실시간으로 모니터링하는 견고하고 비파괴적인 도구로 부상했습니다. Tc의 차이를 통해 작물 수분 스트레스 지수(CWSI)를 계산함으로써, 연구자들은 시각적 시들기 증상^{이 나타나기} 전에 스트레스를 정량화할 수 있습니다. 그러나 IRT의 정밀도에도 불구하고,^{이 센서들이} 감지하는 열 축적을 완화하는 생물학적 전략을 탐구할 필요가 있습니다. 식물 성장 촉진 미생물(PGPM)의 사용은 가뭄 내성을 높이기 위한 유망한 생명공학 접근법입니다⁷. 트리코더마와 다양한 유익 박테리아 같은 곰팡이와 같은 미생물 집단은 뿌리 구조를 수정하고 항산화 시스템을 조절함으로써 수분 흡수를 개선할 수 있습니다 ^8,9. 미생물 컨소시엄이 비생물적 스트레스에 대해 작물의 생리적 완충제나 생물학적 지원 시스템 역할을 할 수 있는 능력은 잘 문서화되어 있습니다. 개별 접종제와 달리, 이 복잡한 군집들은 불리한 조건에서 식물 항상성을 안정시키는 다면적인 방어 기제를 제공합니다^10,11. 분리된 미생물의 개별 효과는 광범위하게 보고되었지만, 다양한 컨소시엄이 제공하는 시너지 회복력(연속적인 영양 흐름 및 열 조절 촉진)은 생명공학의 중요한 관심 분야로 남아 있습니다^12,13. 로메인 상추에서 다중 균주 컨소시엄을 통합하고 고해상도 열상 분석을 통한 영향 평가 연구는 제한적입니다.

본 연구의 목적은 복잡한 미생물 군단(67종)과 단일 균주 Trichoderma harzianum 접종이 수분 스트레스 완화에 얼마나 효과적인지 평가하는 것이었습니다. 적외선 열화상과 CWSI를 주요 진단 도구로 사용하여 미생물 접종이 수분 부족 수준(50%, 75%, 100%)에서 더 낮은 수관 온도와 더 높은 증산율을 유지하는지 확인하는 것을 목표로 했습니다. 이 연구 질문은 고도로 다양화된 컨소시엄이 단일 균주 치료에 비해 우수한 열적 및 생리학적 완충을 제공할 수 있는지에 초점을 맞췄습니다. 이 미생물 컨소시엄은 특히 심각한 적자(50%)에서 CWSI 값을 낮게 유지하고 주요 성장 지표, 특히 식물 높이와 바이오매스 축적을 보존함으로써 수분 스트레스 내성을 크게 향상시킬 것이라는 가설이 세워졌습니다. 본 연구는 다양한 미생물 집단이 통제된 환경 조건 하에서 상추의 열 조절과 구조 발달에 미치는 시너지 효과를 조사함으로써 연구 공백을 해소합니다.

프로토콜

로메인 상추(Lactuca sativa L. var. Paspartu)에서 미생물 접종제의 수분 스트레스 내성 향상 효과를 평가하는 실험 워크플로우는 그림 1에 요약되어 있습니다. 프로토콜은 정밀한 관개 체계의 지속적인 모니터링과 주기적인 생리 및 열 데이터 수집을 통합했습니다. 두 가지 뚜렷한 미생물 산물이 사용되었습니다: (I) PGPR, 방선균류, 유익한 곰팡이로 구성된 67개 균주로 구성된 복잡한 미생물 컨소시엄으로, 뿌리 정착과 외다당류(EPS) 분비를 통해 생리적 완충 역할을 하도록 설계되었습니다; 그리고 (II) 전신 내성을 유도하고 뿌리 구조를 변형하는 트리코더르마 하르지아눔의 단일 균주 접종제인 트리코더마 하르지아눔. 사용되는 시약, 장비, 소프트웨어는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 미생물 접종

두 미생물 처리 모두에 대해 표준화된 접종 체계가 구현되었으며, 고정밀 마이크로피펫을 이용해 현장 규모 용량을 시뮬레이션하는 6회의 토양 노출 적용으로 근권을 표적으로 했습니다. 첫 번째 단계는 파종 후 5일과 15일째(DAS) 묘목 단계에서 발생했습니다. 30 DAS에서 묘목을 더 큰 동굴 트레이에 이식했고, 이식 1일 후 2단계 접종(DAT)을 실시한 후 7, 15, 20 DAT에 연속 주포가 이루어졌습니다.

미생물 컨소시엄의 경우, 식물 세포론에 따라 용량이 조정되었습니다: 초기 두 번의 적용은 500 g/ha(식물당 3 mL)로 적용되었고, 이식 시 고농도 2 kg/ha, 마지막으로 3회 유지 용량(300 g/ha)으로 마무리되었습니다. 마찬가지로, T. harzianum 은 첫 두 단계에서 1 L/ha, 이식 시 3 L/ha, 마지막 세 단계 동안 1 L/ha로 도포되었습니다. 이 단계적 접근법은 견고한 뿌리 집락화를 보장하고, 중요한 성장 및 스트레스 유도 시기 동안 미생물 집단이 생리적 완충 역할을 유지하도록 설계되었습니다.

2. 작물 준비

인증된 로메인 상추 씨앗(Lactuca sativa L. var. Paspartu)은 311개의 공동 폴리스티렌 트레이(11mL)에서 전문가용 이탄 이끼 기반 기질을 1cm 깊이에서 발아시켰습니다. 발아는 온도 범위 15°C에서 22°C, 상대습도 60%에서 70%로 유지되는 통제된 생물기후 챔버에서 이루어졌습니다. 90% 발아율(파종 후 약 3–5일)에 도달하면, 묘목을 뿌리 발달 제한 없이 할 수 있도록 55mL 뿌리 덩어리 용량의 더 큰 트레이에 이식했습니다(그림 2 및 그림 3). 이 시험은 9개의 실험 단위(트레이)와 20개의 묘목을 트레이별로 포함하는 완전 무작위 설계(CRD)로 조직되었습니다. 이 구성은 3× 3가지 요인 배열(3가지 미생물 처리 × 3가지 관개 체계)을 수용하도록 구성되었습니다. 기질의 물리화학적 특성과 특정 생기후 챔버 프로그래밍¹⁴는 그림 3, 보충표 1, 보충표 2, 보충표 3에 제공되어 있습니다.

실험 트레이는 가장자리 효과를 제거하고 균일한 노출을 보장하기 위해 생물기후 챔버 내에서 완전히 무작위 배치로 배포되었습니다. 챔버는 고온을 이용해 개방장 열응력을 재현하는 동적 장과 유사한 조건을 시뮬레이션하도록 프로그래밍되었다. 식생 단계 동안에는 환경 매개변수가 가변적인 상대습도 범위 내에서 유지되었고, 9시간의 광주기는 최대 용량의 50% 이상으로 설정되어 충분한 광합성 활성 방사선을 보장하기 위해 제공되었습니다¹⁵. 설정 단계 이후, 환경 프로그램은 단계적 대기 전환¹⁵ (그림 4 및 그림 5)에서 확인할 수 있듯이, 물 부족 처리의 강화된 요구를 반영하도록 조정되었습니다. 온도, 습도, 빛 세기에 대한 구체적인 주행/야간 설정값은 보충표 1 과 보충표 2 에 자세히 설명되어 있어 주요 프로토콜을 간소화합니다.

비료 전략은 로메인 상추의 특정 계절학적 요구를 충족하도록 설계되어 생생 주기 전반에 걸쳐 균형 잡힌 영양 흐름을 유지했습니다. 묘목 단계(12에서 24 DAS) 동안에는 질산칼륨(KNO₃), 인산단칼륨(KH₂PO₄), 질산칼슘(Ca(NO₃)₂)의 표적 살포를 통해 영양분을 공급했습니다. 초기 정착을 촉진하기 위해 상업용 생체자극제가 처음 24^{일 동안} 보충되었습니다.

26 DAS부터 76 DAS의 최종 평가까지, 파티제팅 프로그램은 미생물 접종제의 특이적 효과를 분리하기 위해 생자극제를 제거하는 유지 관리 체제로 전환되었습니다. 모든 응용 프로그램은 근권 내에서 최적의 전기 전도도도(EC)와 pH를 유지하도록 보정되었습니다. 광물 농도와 특정 용량¹⁶의 전체 연대기 일정은 보충표 3에 자세히 나와 있습니다.

3. 미생물 치료

습성 스트레스에 대한 생물학적 개입의 효능을 평가하기 위해 세 가지 뚜렷한 처리법이 설정되었습니다: (I) 식물 성장촉진 근박테리아(PGPR), 방치균, 균류 등 67개의 유익한 균주로 구성된 고다양성 미생물 컨소시엄; (II) 트리코더마 하르지아눔의 특수 단일 균주 제형인 T. harzianum; 그리고 (III) 비접종 대조군. 이 치료법들은 주로 근 구조 변형, ACC-데아미나제 생성, 외다당류(EPS) 분비와 같은 메커니즘을 통해 유도 전신 내성(IST)에 대한 잠재력을 바탕으로 선정되었습니다.

접종은 단계적으로 전략적으로 진행되었습니다. 초기 도포(식물당 3mL)는 두 번째 진잎 단계에서 고정밀 마이크로피펫 을 통해 뿌리 정착을 촉진하기 위해 뿌리권에 직접 적용되었습니다. 이후 적용은 현장 규모에 맞춰 보정되었으며(75,000헥타르당 밀도를 시뮬레이션함), T. harzianum의 경우, 2 L/ha의 농도가 적용되었고, 미생물 컨소시엄은 1 kg/ha로 투여되었습니다. 이 제형들은 관개수에 용해되어 15일마다 적용되어 생리학적 완충제로서^{영양 주기 동안} 안정적인 미생물 개체군을 유지했습니다.

4. 다양한 관개 처리

다양한 습기 조건에서 L. sativa의 생리적·농학적 가소성을 평가하기 위해, 작물 증산(ETc) 대체를 기반으로 세 가지 관개 방식을 시행하였습니다. 부피 수분 함량은 기판의 현장 용량(FC)에 맞춰 보정되어 정확한 응력 유도를 보장했습니다. 해당 체계는 다음과 같이 정의되었습니다: (i) 대조/충분한 수분 (CC-100% ETc), 완전한 증발 재보충; (II) 중간 정도 수분 부족(75% ETc), 중간 수력 제한을 유도하기 위해 설계되었습니다; 그리고 (III) 심각한 물 부족(50% ETc)은 심각한 물 스트레스를 유발하는 것을 목표로 합니다. 증발산으로 손실된 물의 양을 정확하게 대체하기 위해 점진형 피펫을 이용한 열상 이미지를 촬영한 후 매일 관개를 시^{행했습니다.}

5. 데이터 및 영상 기록

실험 기간 동안 월요일부터 금요일까지 매일 적외선 열화상 이미지를 촬영하여 발전소의 열 분포와 수질 상태를 평가했습니다. 모든 사진 촬영은 최대 증산과 태양 강도 기간 동안 측정을 표준화하기 위해 오후 12시부터 2시 사이에 수행되었습니다. 이 사진들은 일일 관개 처리 직전에 찍어 이전 24시간 주기 동안 식물이 겪는 누적 수분 스트레스를 기록하는 것이 매우 중요합니다. 이미지 획득을 위해 적외선 열화상 카메라는 이동식 장치에 연결되어 상추 등 쪽에 대해 수직 방향을 유지하며 60–70cm 일정한 거리를 유지했습니다. 소프트웨어는 다색 열 팔레트로 구성되었으며, 온도 구배가 가장 낮은 곳에서 높은 곳으로 나타났습니다: 보라색(가장 차가운 곳)부터 시작해 로열 블루, 청록색, 초록색(중간 지점), 노란색, 주황색, 마지막으로 빨간색(가장 뜨거운 곳)으로 전환됩니다. 소프트웨어 인터페이스 내에서 식물 캐노피가 포함된 특정 트레이 영역을 수동으로 선택하여 열 데이터를 수집했습니다. 이 색상 척도는 생리학적 지표 역할을 합니다: 수분이 잘 수분된 식물은 활발한 증산으로 인해 더 낮은 캐노피 온도(보라색/파란색)를 보이고, 건조한 식물은 기공 폐쇄와 증발 냉각 감소로 인해 캐노피 온도가 더 높음(주황/빨간색)을 보입니다. 이후 이 고해상도 이미지들은 특정 관심 지역(ROI)에 대한 3점 측정 함수를 사용하여 정확한 수관 온도(T_c) 값을 추출하여 작물 수분 스트레스 지수(CWSI) 계산에 사용했습니다.

만약 CWSI가 다음과 같다면:

0이면 작물은 수분 스트레스를 받지 않습니다

1 그러면 작물이 심각한 수분 스트레스를 겪고 있습니다

여기:

Tc 는 적외선 영상으로 측정한 작물 캐노피 온도입니다. TW 는 비수분 스트레스 조건에서의 캐노피 온도입니다. Td 는 최대 수분 스트레스 조건¹⁹에서의 캐노피 온도입니다.

적외선 열화상을 이용해 평가한 식물 성장, 발달, 생리적 상태 지표(높이, 잎 수, 잎 온도 등)는 보충 표 4 에 연구 변수 및 실험에서 사용된 개념적·운영적 정의와 함께 나와 있습니다. 이러한 변수들의 결합은 실험적 치료가 각 식물의 생리적 성능과 발달에 미치는 영향을 포괄적으로 평가할 수 있게 했습니다.

6. 데이터 분석

생리학적 및 형태학적 데이터는 각 관개 방식별로 일방향 ANOVA를 사용하여 다양한 미생물 처리의 효과를 평가하였습니다. 모든 통계 절차는 통계 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다. 추론 분석을 수행하기 전에 결과의 신뢰성을 보장하기 위해 모수 통계의 기본 요구사항을 검증했습니다. 잔차의 정규성은 앤더슨-달링 검정(p > 0.100)을 사용하여 정규성을 나타내는 것으로 확인되었다. 또한, 분산의 균질성은 Levene 검정(p = 0.989)을 사용해 확인되어 그룹 간 높은 동분산도를 확인했습니다. 두 가정이 모두 충족되었으므로, Tukey HSD(Honestly Significant Difference) 사후 검정을 사용하여 치료 평균 간 유의한 차이(p < 0.05)를 확인하였습니다. 개별 플랜트는 모든 통계 평가의 실험 단위로 정의되었습니다.

결과

수분 공급에 관한 치료의 스트레스 저항성 세 가지 수준

상추(Lactuca sativa L. var. Paspartu)의 수분 스트레스에 대한 생리적·형태학적 반응은 세 가지 관개 수준(50%, 75%, 100%)에서 평가되었습니다. 일방향 요인 ANOVA를 수행하여 미생물 처리(처리제(T): TI: 미생물 컨소시엄, TII: Trichoderma harzianum, TC: 대조군), 파종 후 일일수(DAS)와 이들의 상호작용(T - DAS)이 잎수(LN), 잎 길이(LL), 잎 너비(LW), 줄기 직경(SD), 식물 높이(PH))에 미치는 영향을 파악하였습니다. 초기 정착 단계에서 기준선 측정은 차등 관개 시작 전 모든 그룹에서 묘목 발달이 균일함을 보여주었으며, 결과는 분석된 요인들 때문이라고 주장했습니다(그림 6

토론

이 연구에서 도출된 실증적 증거는 다중 균주 미생물 컨소시엄의 전략적 적용이 락투카 사티바에서 수분 결핍의 해로운 영향에 대한 강력한 생명공학 완충 역할을 한다는 것을 확인한다. 전역 추론 분석(ANOVA)은 통계적으로 유의미한 차이를 보여주지 못했지만(F = 0.67, p = 0.778), 시간적 열 역학을 고해상도로 분석하면 중요한 수치 완화 추세가 드러납니다. 가장 제한적인 관개 체계(50% ETc) 하에서 미생물 컨소시엄은 지속적으로 낮은 작물 수분 스트레스 지수(CWSI)를 유지하여 비접종 대조군²⁰에서 관찰된 항상성 붕괴 임계치(CWSI = 1.0)에 도달하지 못했습니다.

이 대사 완충 능력은 유도 전신 내성(IST)²¹의 패러다임과 정확히 일치합니다. 그들의 연구에 따르면, 뿌스권 관련 박테...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
애기장대 방	퍼시벌 사이언티픽 주식회사	AR-95L3	균일한 성장 조건(온도, 습도, 빛)을 위한 제어 환경 챔버.
Arduino Uno R3	아두이노	A000066	센서 데이터 처리를 위해 ATmega328P 기반의 마이크로컨트롤러 보드.
질산칼슘	누리옹 케미컬스 SA de CV	https://adob.com.pl/en/product/adob-calcium-nitrate/	용해성 무기 비료. 조성: 질소 15.2%, 칼슘 27.5%.
적외선 열화상 카메라	히크마이크로	https://webassets.hikmicrotech.com /global/asset/d802895de0b44f46 8a49913953e590ff.pdf	캐노피 온도 측정을 위한 고해상도 열화상 카메라(256 x 192 픽셀).
상추 씨앗	엔자 자덴	파스파르투	로메인 상추(Lactuca sativa L. var. longifolia) 인증 씨앗.
미생물 컨소시엄 (BPG 플러스)	알리비오 사이언스 SAPI DE 이력서	https://alibio.ag/productos/bgp-plus	67종의 균주(균류, 박테리아, 방선균류)로 구성된 컨소시엄. 4x10^8 CFU/g.
인산단칼륨	SQM	https://www.sqmnutrition.com/ec/marca/ultrasol/ultrasol-mkp-4-2	용해성 무기 인산칼륨 비료. 조성: 인산 52%, 칼륨(수/수) 34%.
이탄 이끼 기질	선 그로 원예	https://www.sungro.com/professional-product/sun-gro-perlite-free-mix-x-coarse-resilience/	캐나다산 스팬넘 피트 이끼, 버미큘라이트 없는 전문 등급.
펄라이트	인버팜스 멕시코	https://inverfarms.com/product/<브레르/> perlita-hortiperl-saco-125-l/?srsltid =AfmBOorwncGHkTcSpgDb9OS bN2-7Mi3ZwQR-uObQte8QQotaD Li-JgLy	고품질 불활성 기질은 토양 통기율을 최적화하고 수분 및 영양분 보유를 개선하는 데 사용됩니다.
식물 성장 조절기 (RADIX 3000)	인터콘티넨탈 SA DE CV	https://www.interie.net/productos	뿌리 형성을 유도합니다. 활성 성분: 인돌-3-부티릭산 0.3% (v/v).
질산칼륨	SQM	https://sqm.com/producto/ultrasol-k-plus/	용해성 무기 비료. 조성: 질소 13.7%, 칼륨 46.3%.
R 스튜디오	무료 버전	https://www.r-project.org/	R은 통계 계산, 데이터 분석, 시각화에 사용되는 무료 오픈 소스 프로그래밍 언어 및 소프트웨어 환경으로, 강력한 모델링 도구, 풍부한 패키지 생태계, 재현 가능한 연구 지원으로 과학과 데이터 과학 분야에서 널리 채택되고 있습니다.
토양 수분 센서	다양(일반)	FC-28 / HW-080	아날로그/디지털 출력용 LM393 비교기가 장착된 저항형 토양 수분 센서입니다.
열화상촬영 소프트웨어	히크마이크로	분석기	열화상 분석 및 온도 추출을 위한 전문 소프트웨어입니다. D6
트리코더마 하르지아눔 (PROTRI)	Aguilares SPR de RL	해당 없음 내부 참조	살라망카, Gto의 농업 토양에서 분리된 토착 균주. Aguilares SPR de RL에서 실험용으로 배양 및 표준화됨
버미큘라이트	인버팜스 멕시코	https://inverfarms.com/product/vermiculita-verlite-saco-114-litros/?srsltid=AfmBOoo61hIX-Eg4N-LXUWTY9NLlc5QC5I-iVe85UZRFrNHWQNQ3FwCZ	트레이 덮개용 확장 버미큘라이트. 밀도: 60-120 kg/m3.