마이크로바이옴(Microbiome)이란?

• 마이크로바이옴이란 식물, 동물 등과 더불어 살아가는 미생물 전체로 이들의 유전정보까지 포함한 개념
  • 마이크로바이옴은 기주(寄主) 생물과 떼려야 뗄 수 없는 동·식물 생태계의 핵심 구성원

    기주와 마이크로바이옴을 합쳐 메타유기체(meta-organism)라고 부르기도 하는데, 이는 기주와 마이크로바이옴을 하나의 연합체로 보는 개념

• 미생물이 서식하는 장소는 인체, 식물, 토양 등 없는 곳이 없는데 서식지 환경에 맞추어 마이크로바이옴이 자리 잡게 됨
  • 인체마이크로바이옴은 인간의 몸 안팎에 서식하고 있는 미생물들과 그 미생물들의 유전정보 전체를 말하는 것(‘17 한국보건산업진흥원)
    • 인체 부위 중 장(腸)내에 가장 많은 숫자의 미생물이 서식하고 있어 장내 마이크로바이옴을 인체마이크로바이옴이라 하기도 함

      장내 마이크로바이옴(intestinal microbiome)은 그 수와 다양성이 매우 커서 제2의 인간 유전체(second genome)라고도 함

    • 인체 내 미생물의 역할을 구명하고 이를 활용해 헬스 케어, 의약품 등으로 이용하려는 연구가 활발

  장내 미생물은 모두 유익균?

  인체에 서식하는 대부분의 미생물은 인간에게 어떤 해도 끼치지 않으면서 존재하는 공생균(commensal microorganism)으로 특히 장에서 쉽게 관찰

  • 일부는 인간 세포가 만들 수 없는 대사 물질을 생성하거나 병원균의 생장을 억제 하는 등 인간에게 이로운 효과를 나타내는 유용미생물(beneficial microorganism)
  • 특정 신체 부위에서는 일반 공생균으로 존재하지만 다른 신체 부위 혹은 컨디션 등 환경 조건에 따라서 병원성을 나타내는 유해균(pathobiont)이 되기도 함
  • 식물마이크로바이옴은 식물 내부와 주변에 미생물이 서식하면서 식물의 생육에 큰 영향을 미치고 있음
    • 뿌리, 줄기, 잎, 꽃, 과실, 종자 등 모든 식물 기관에서 발견되고 부위마다 미생물의 종류가 달라 하는 역할도 제각각
    • 마이크로바이옴의 영역은 뿌리의 영향을 받는 주위의 토양을 일컫는 근권, 식물체 내부인 내권, 잎의 표면을 말하는 엽권으로 나뉨

      근권(rhizosphere), 내권(endosphere), 엽권(phyllosphere)

식물마이크로바이옴의 구성원들

• 식물과 밀접한 관계에 있는 미생물에는 대표적으로 세균, 진균, 바이러스 등이 있으며 식물과 공생
  • 세균(bacteria)은 가장 다재다능한 능력을 보여주는 생물체로 항생 물질과 호르몬 생산, 면역과 스트레스 조절 등의 기능이 있음
    • 항생물질과 해충용 독(毒), 식물생육 촉진 호르몬, 면역반응 자극과 스트레스 반응 조절물질 분비

      뿌리 주변 토양 1 그램(g)당 세균은 1만 종 이상, 세포 수로는 100억 개 이상

  • 보통 곰팡이를 의미하는 진균(fungi)류는 뿌리이자 줄기 역할을 하는 균사(菌絲)를 땅 속으로 뻗어 식물의 영역을 넓혀줌
    • 뿌리 주변 토양, 뿌리 표면과 내부까지 서식하며 세포 수로 토양 1 그램(g)당 10만~100만 개 이상 존재

      긴 실모양의 균사를 통해 식물 뿌리가 닿지 않는 곳까지 확장하여 양분, 무기질, 물을 흡수하여 식물을 돕는 역할

  • 바이러스는 지구상에서 가장 개체수가 많은 생물체로, 모든 생물은 최소 하나 내지는 여러 바이러스와 같이 살고 있음
    • 병원성 바이러스가 많이 알려져 있으나 생태계에서는 오히려 스트레스를 줄여주는 역할도 담당

마이크로바이옴의 영역 1, 근권(根圈, Rhizosphere

• 근권이란 살아있는 뿌리가 영향을 주는 토양 영역으로 식물 뿌리 주변은 미생물들의 좋은 생활터전
  • 뿌리 주위의 수 밀리미터(mm) 공간에 불과하지만 식물이 자라지 않는 토양에 비해 약 10배에서 100배 이상의 세균이 서식
    • 보통 토양 1g에는 대략 약 1억 마리의 세균이 서식하나, 근권에는 최소 그 10배 이상의 세균이 존재
• 식물 뿌리와 함께 살아가야 하는 근권미생물은 생존을 위한 그들만의 특수한 전술을 구사
  • (협동) 뿌리혹박테리아와 같은 미생물들은 생존을 위해 식물과 한 몸과 같이 사는 방법을 터득
    • 콩과식물 뿌리에 혹을 형성하여 식물로부터는 먹이(탄소)를 얻고, 공중질소를 식물이 이용할 수 있는 형태로 만들어 공급

      라이조비움(Rhizobium)과 브래디라이조비움(Bradyrhizobium) 등

  • (전투) 다른 미생물과 양분 혹은 서식지 경쟁에서 이길 수 있도록 도와주는 항생물질을 만들어 식물의 병저항성을 높이는 전략

    항생물질 생산에 흔히 쓰이는 슈도모나스(Pseudomonas), 바실러스(Bacillus), 스트렙토마이세스(Streptomyces) 등이 대표적

  • (상부상조) ) 바실러스나 슈도모나스 등은 토양과 강하게 결합하여 식물이 흡수 할 수 없는 영양분을 이용가능하게 바꾸어 줌
    • 뿌리 근처에 살면서 흙 알갱이와 화학적으로 강하게 결합된 인산(P) 같은 양분을 식물이 이용하기 쉬운 형태로 바꾸어 줌

      세계 각국에서 비료 대신 사용할 목적으로 연구 중인 미생물로 인산가용화균을 비롯한 다양한 명칭이 있으며 생물비료라고 부르기도 함

  마이크로바이옴의 생활사를 연애스타일로 비교하면??

  일편단심형: 당신 없이 못살아! (절대성: obligate)

  • 생활사를 완성하기 위해 반드시 식물조직을 필요로 하는 경우

  나쁜남자형: 내 마음? 니가 하는거 봐서! (조건성: facultative)

  • 식물을 매개체로 이용하는 것인지 식물이 미생물이 선택하는 것인지 불분명한 유형. 식물이 만든 양분을 소비하기 때문에 식물에 악영향을 줄 수도 있음

  기회주의형: 언젠가 당신 마음을 뺏고야 말겠어! (기회성: opportunistic)

  • 식물 조직의 바깥쪽에서 주로 서식하면서 기회가 생기면 식물 내권으로 들어가기 위해 호시탐탐 노리는 녀석들

마이크로바이옴의 영역 2, 내권(內圈, Endosphere)

• 내권이란 식물체 내부를 의미하며 내권에서 서식하는 미생물을 내생미생물(endophytes)이라 함
  • 식물 내부에서 전체 생활사의 일부 또는 전부를 보내는 미생물로 눈에 띄는 해를 입히지 않는 것이 특징
    • 이들 미생물은 자신의 생활사를 완성하기 위해 다양한 방법으로 식물 조직에 침투하는 방법을 발달시켜옴
• 일부 내생미생물은 식물을 병원균으로부터 지켜주거나 생육에 도움을 주기도 함
  • 내생미생물이 존재하는 식물의 경우 그렇지 않은 식물에 비해 병원균에 대한 저항성 및 내성이 높은 것으로 알려짐
    • 전신유도저항성(induced systemic resistance, ISR)이라고 하여 특정 물질을 생성해 기주식물이 스스로 방어체계를 형성할 수 있도록 유도

      에틸렌과 자스몬산은 식물이 실제로 어려운 상황에 빠진 것처럼 착각하게 하여 병원균의 공격에 미리 대비하도록 하는 일종의 ‘예방주사’와 같은 역할

    • 내생미생물은 기주식물을 외부 스트레스로부터 보호하는 다양한 2차 대사산물(생리활성물질)을 만드는 재주가 있는 경우가 많음

마이크로바이옴의 영역 3, 엽권(葉圈, Phyllosphere)

• 엽권이란 주로 잎에 사는 미생물의 서식지를 뜻하며 이곳에 서식하는 거주자가 엽권미생물
  • 식물 잎 표면에 있는 미세 통로에 집중적으로 분포하는데, 유기물과 무기물의 흡수배출 통로이기 때문
• 대부분은 비병원성으로 식물과 밀접한 상호관계를 이루고 있으며, 외부자극에 이겨내기 위한 필수 생존전략을 보유
  • 주로 대기 중에 노출되어 있어 영양이나 수분 부족 등 다양한 스트레스 상황에 적응할 수 있는 다양한 생존능력을 보유

  엽권미생물의 스트레스 적응을 위한 숨겨둔 필살기

  외부 자극으로부터 이겨내기 위한 강력한 방어 능력, 비바람이 몰아쳐도 떨어지지 않는 악바리 근성과 남다른 이동능력

  • 식물 유전물질과 세포막을 파괴하는 활성산소를 제거하는 효소 분비
  • 식물이 배출하는 항생물질에 직접 노출되더라도 재빠르게 세포 밖으로 배출하는 능력이 있어 항균물질에 대한 내성을 지니면서 살아갈 수 있음
  • 끈적거리는 다당류를 분비하여 잎에 잘 붙을 수 있어 생존에 유리할 뿐 아니라 운동성이 좋아 생존이 불리한 지점에서 유리한 지점으로 신속하게 이동

식물과 마이크로바이옴이 만드는 세상

• 식물은 미생물에게 안전하고 먹거리가 풍부한 환경을 제공하고 미생물은 안락한 보금자리를 찾아 정착
  • 식물은 광합성으로 고정된 탄소의 6~21%를 뿌리를 통해 분비하는데 이 뿌리 분비물이 미생물의 먹이
    • 뿌리 분비물에는 탄수화물, 아미노산, 유기산, 이차대사산물, 신호전달물질 등 다양한 형태의 화합물이 포함

  애써서 만든 광합성 산물을 식물은 왜 근권으로 배출할까?

  식물은 근권미생물을 고용함으로써 스스로 움직이지 못하는 단점을 극복

  • 근권 미생물은 ① 식물 뿌리 구조를 더 좋게 만들고, ② 양분의 흡수를 더 좋게하며, ③ 병원균의 공격으로부터 식물을 지켜주는 역할을 수행
  • 미생물은 먹이를 찾아 뿌리 주변으로 몰려들고, 미생물간의 경쟁, 협력관계를 이루며 미생물 공동생활체를 이룸
    • 식물 뿌리와 공생하는 곰팡이는 균사를 뻗어 세균들에게 새로운 서식처를 제공하여 식물-곰팡이-세균 사이에 유기적인 관계를 맺음

이로운 미생물에게 보내는 초대장

• 식물은 발달시기, 환경조건에 따라 특정한 물질을 뿌리 분비물로 배출함으로써 식물 생육에 필요한 미생물을 초대
  • 플라보노이드(flavonoid)는 뿌리혹박테리아를 불러들여 뿌리 혹을 형성하도록 유도하여 적극적으로 공생 관계를 맺음
  • 스트리고락톤(strigolactone)은 균근균의 균사 발달을 촉진하여 식물의 인산 흡수 효율을 높임

    균근균은 식물 뿌리세포와 공생관계를 맺고 있는 곰팡이의 일종으로 식물로부터 유기영양분을 공급받고, 무기영양소와 수분 흡수를 도와줌

  토양에 있는 수많은 미생물 중에서 식물은 어떻게 공생균을 감지할까?

  대표적인 공생균인 라이조비움과 균근의 경우 신호전달 물질인 Nod와 Myc 단백질을 분비하는데 식물은 이들 물질을 인지하여 공생균이 식물체 내에 자리 잡도록 도와줌

  • 식물이 병원균에 감염되었을 때는 사과산(malic acid)을 분비해 항생물질을 분비하는 바실러스균을 유인
    • 바실러스균이 분비하는 물질은 식물의 병원균 저항성을 강화시켜 (유도저항성) 효과적인 식물 방어 시스템을 구축하도록 함