미량 영양소의 요오드를 첨가한 토마토 식물의 과일 수확량 및 염분 내성 향상

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14655(2022) 이 기사 인용

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요오드는 인간에게 필수적인 미량 영양소이지만, 식물 생리학에서 요오드의 역할은 거의 한 세기 동안 논쟁이 되어 왔습니다. 최근 식물 영양 및 스트레스 보호에 대한 기능적 관여가 최초의 실험적 증거를 수집했습니다. 이 연구는 토마토 식물 영양에 요오드가 미치는 영향을 심층적으로 조사하고 염 스트레스 내성에 대한 잠재력을 평가하기를 원했습니다. 이를 위해, 다양한 실험 시스템(성장실 및 온실)에서 단독으로 또는 중간 정도의 NaCl-염분 스트레스가 있는 환경에서 성장한 식물에 미량 영양소에 효과적인 복용량으로 요오드를 투여했습니다. 선택된 스트레스 반응 유전자의 식물 영양 적합성, 과일 수확량 및 품질, 생화학적 매개변수 및 전사 활성을 평가했습니다. 스트레스를 받지 않은 식물에서 요오드는 식물 성장과 과일 수확량뿐만 아니라 일부 과일 질적 매개변수도 증가시켰습니다. 염분 스트레스가 있을 때 요오드는 사용된 요오드/NaCl 농도에 따라 관찰된 부정적인 효과 중 일부를 완화했습니다. 분석된 일부 과일 매개변수와 스트레스 표지 유전자의 발현은 처리에 의해 영향을 받았는데, 이는 적어도 부분적으로 염분에 대한 식물의 내성 증가를 설명합니다. 따라서 이 연구는 식물 영양에 있어서 요오드의 기능적 관련성을 재확인하고, 작물 생산에 유익한 영양소로서 요오드의 미량 사용에 대한 증거를 제공합니다.

현재 전 세계 경작 가능한 토양의 5분의 1에 해당하는 6억 3200만 헥타르의 농경지가 염분 영향을 받는 지역으로 분류됩니다1. 염분은 식물 생산 및 수확량에 해로운 영향을 미치기 때문에 농업 생산성을 위협하는 가장 중요한 비생물적 스트레스 중 하나로 간주됩니다2. 토양에 과도한 염분은 식물의 물 흡수 능력을 감소시켜 삼투압 스트레스와 Cl- 및 Na+3,4의 과도한 축적으로 인한 이온 독성을 유발합니다. 이는 결국 영양 불균형, 산화 스트레스, 광합성 억제, 식물 성장 및 생산 저하와 같은 일련의 2차 효과를 초래합니다4. 식염수 조건에 대한 식물의 적응에는 이온과 물의 항상성 회복을 목표로 하는 다양한 생화학적, 생리학적 전략의 활성화가 포함됩니다5.

지난 수십 년 동안 식물에서 내염성의 여러 구성 요소가 특성화되었으며, 이는 기존 육종이나 유전자 변형을 통해 보다 내성이 강한 품종 개발의 기초를 제공했습니다6. 원예 작물 중에서 토마토(Solanum lycopersicum L.)는 가장 중요한 모델 종 중 하나이며, 잘 알려진 유전학과 편리한 변형 기술로 인해 내염성을 연구하는 데 특히 유용합니다7,8. 염분 조건이 아닌 염분 조건에서 토마토의 생리학은 크게 특성화되었습니다. 토마토는 뿌리 부분의 적당한 수준의 염도에서 물과 이온 항상성을 조절하는 능력으로 인해 염도에 대해 "보통 내약성"이 있는 것으로 간주됩니다9. 그럼에도 불구하고, 높은 염분 농도에 노출되면 종자 발아, 성장 억제 및 과일 생산성 감소 측면에서 대부분의 품종에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다8. 잎 성장 억제는 뿌리 영역의 과도한 염분에 노출된 식물에서도 관찰되었으며 세포 팽만감 감소, 광합성 활동 감소 및 스트레스 인식과 적응 사이의 대사 신호 활성화에 기인합니다10,11,12.

작물의 올바른 시비, 특히 미네랄 미량 영양소의 외인성 적용은 염분을 포함한 다양한 비생물적 스트레스의 부작용을 부분적으로 완화할 수 있는 유망한 접근 방식으로 등장했습니다13. 점점 더 많은 연구에 미량 영양소 적용에 해당하는 복용량의 요오드의 외인성 적용이 산화환원 대사에 유익한 영향을 미치고 비효소적 및 효소적 항산화 합성을 자극하여 염분을 포함한 다양한 불리한 조건에 대한 내성을 증가시킨다는 결과가 포함됩니다3,16 ,17. 그러나 식물 영양의 맥락에서 염분 스트레스에 대한 내성을 유도하는 요오드의 잠재력은 아직 문헌에서 제대로 보고되지 않았습니다. 상추에 대한 실험에서 KIO3 형태의 요오드의 외인성 적용은 SOD(과산화물 제거효소), APX(아스코르베이트 퍼옥시다제)와 같은 반응성 산소종(ROS)의 주요 해독 효소의 활성을 증가시키는 것으로 밝혀졌습니다. 및 카탈라아제(CAT)를 함유하여 심각한 염분 스트레스를 견딜 수 있는 식물의 능력을 향상시킵니다3. 유사한 결과가 최근 토마토에서 발견되었는데, 요오드의 엽면 적용은 묘목의 항산화 능력을 향상시키고 염분 노출 동안 내성을 증가시키는 것으로 밝혀졌습니다.