식물병리학
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1. 개요
식물병리학은 식물 질병을 연구하는 학문으로, 고대부터 시작되어 근대에 현미경 발명과 함께 과학적으로 발전했다. 식물 질병은 균류, 난균류, 세균, 바이러스 등 다양한 병원체에 의해 발생하며, 병원체는 세포벽 분해 효소, 독소, 이펙터 단백질, 식물 호르몬, 엑소폴리사카라이드 등의 병원성 인자를 통해 식물을 감염시킨다. 질병 삼각(숙주, 병원체, 환경)의 요소를 조절하여 질병을 관리하며, 분자 진단 기술과 생물학적 방제를 활용한다. 주요 인물로는 안톤 드 바리, 어윈 프링크 스미스 등이 있다.
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| 식물병리학 | |
|---|---|
| 학문 분야 | |
| 분야 | 생물학, 농업 |
| 연구 대상 | 식물 질병, 병원체, 식물-병원체 상호작용 |
| 관련 학문 | 미생물학, 유전학, 생화학, 분자생물학, 식물 생리학, 토양학, 곤충학, 잡초학 |
| 식물병리학 | |
| 다른 이름 | 식물 질병학 |
| 영어 이름 | Plant pathology |
| 중국어 이름 | 植物病理学 |
| 설명 | 식물 질병의 원인, 발병 기작, 진단, 방제 등을 연구하는 학문 |
| 하위 분야 | 진균병학, 세균병학, 바이러스병학, 선충병학, 비기생성병학, 식물 면역학 |
| 관련 분야 | 농학, 생물학, 화학, 유전학, 분자생물학, 생화학, 미생물학, 통계학 |
| 역사 | |
| 초기 연구 | 18세기, 안토니오 베네데토 스탕가의 밀 녹병 연구 |
| 현대 식물병리학의 아버지 | 하인리히 안톤 드 바리 (감자 역병 연구) |
| 관련 사건 | 아일랜드 감자 기근 |
| 질병 | |
| 병원체의 종류 | 진균류 (곰팡이) 세균 바이러스 바이로이드 선충 원생생물 기생 식물 |
| 진단 방법 | 현미경 관찰 배양 유전자 분석 (PCR 등) 혈청학적 방법 (ELISA 등) |
| 방제 방법 | 저항성 품종 개발 경종적 방제 (윤작, 토양 소독 등) 화학적 방제 (살균제, 살충제 등) 생물학적 방제 (천적 이용) |
| 연구 분야 | |
| 주요 연구 내용 | 식물과 병원체의 상호작용 질병 발생 기작 병원체의 유전적 다양성 새로운 질병의 출현 환경 변화와 질병 발생 |
| 연구 방법 | 실험실 연구 포장 연구 분자생물학적 연구 생화학적 연구 통계학적 분석 |
| 중요성 | |
| 경제적 중요성 | 농작물 수확량 감소, 식품 가격 상승, 농가 소득 감소 |
| 사회적 중요성 | 식량 안보, 환경 문제, 인간 건강 |
| 관련 단체 | |
| 학회 | 미국식물병리학회(APS) 국제식물병리학회(ISPP) 한국식물병리학회 (KSPP) |
| 연구소 | 농촌진흥청 각 대학의 식물병리학 연구실 |
| 참고 문헌 | |
| 교과서 | Agrios' Plant Pathology |
2. 역사
식물병리학은 고대 시대의 테오프라스토스로부터 시작되어 발전해 왔지만, 과학적인 연구는 근세 시대에 현미경이 발명되면서 시작되었고 19세기에 발전했다.
식물 병원체는 감염성 식물 질병을 유발하는 유기체이다. 여기에는 균류, 난균류, 세균, 식물 바이러스, 바이로이드, 바이러스 유사 유기체, 파이토플라스마, 원생동물, 선충, 기생 식물 등이 있다.[2]
식물의 병에 대해 그 증상과 원인을 규명하고, 병해를 방지하는 원리 및 방법을 연구하는 과학이 "식물병리학"이며, 인류의 의학, 수의류의 수의학에 상당한다[17]. 식물병리학을 의학에서의 병리학과 대응시켜, 병의 원인 및 병든 식물의 형태적 또는 생리적 변화를 추구하는 분야에 한정하여, 의학 전체에 상당하는 분야명으로 "식물 의학" 또는 "식물 병학"의 용어를 사용해야 한다고 주장하는 학자도 일부 있지만, 국제적으로도 ''plant pathology'' 또는 ''phytopathology''가 일반적이며, 이에 대응하여 "식물병리학"이 국내에서도 널리 사용되고 있다[17].
식물병리학은 농림업 생산을 높이기 위해 농산물·임산물의 병에 의한 피해를 어떻게 하면 방지할 수 있는지를 추구하는 학문으로서, 농학의 한 분야로 발전해 온 역사를 가지고 있다[17].
3. 병원체
대부분의 식물 병리계에서 독성은 가수분해 효소와 세포벽을 분해하는 효소에 달려 있다. 이 효소들은 주로 펙틴에 작용한다(예: 펙틴에스테라아제, 펙틴산 분해 효소, 펙티나아제 등). 미생물의 경우, 세포벽 다당류는 영양 공급원이자 극복해야 할 장벽이다. 많은 병원균은 숙주가 자체 세포벽을 파괴할 때, 특히 과일 숙성 중에 기회적으로 증식한다.[3] 인간 및 동물 병리학과 달리, 식물 병리학은 일반적으로 단일 원인 유기체에 초점을 맞춘다. 그러나 일부 식물 질병은 여러 병원체 간의 상호 작용으로 나타나는 것으로 밝혀졌다.[4]
병원체가 식물을 식민지화하기 위해 사용하는 주요 병원성 인자는 다음과 같다.
3. 1. 주요 병원체
균류는 식물 병원체로서 가장 흔하다.[2] 난균류는 노균병, 감자 역병 등을 일으킨다.[2] 세균 중에서는 18속 정도가 식물 병원체로 알려져 있다.[2] 700종 이상의 식물 바이러스가 식물 병원체로 알려져 있다.[2] 선충은 그 자체가 병원체가 되기도 하고, 다른 병원체의 매개체가 되기도 한다.[2] 바이로이드는 소형의 단일 가닥 RNA만으로 이루어진 가장 단순한 병원체이다.[2] 기생 식물 중에서는 새삼 등이 피해가 큰 것으로 알려져 있다.[2] 뿌리혹균은 점균류와 유사한 병원 생물이다.[2]
4. 병원체가 아닌 원인에 의한 병리 (생리적 식물 장애)
식물은 병원체 외에도 다양한 비생물적 요인에 의해 생리적 장애를 겪을 수 있으며, 일부 비생물적 장애는 병원체로 유발된 장애와 혼동될 수 있다. 식물 병해는 식물 자체에 해를 입히는 것을 의미하지만, 식품으로 섭취한 사람이나 가축에게 해를 입히는 경우도 있다.[18]
병해를 일으키는 원인은 다음과 같이 자연적인 원인과 인공적인 원인으로 나눌 수 있다.
| 원인 | 내용 |
|---|---|
| 자연적인 원인 | 가뭄, 서리, 눈, 우박, 홍수, 불량한 배수, 미량 영양소 결핍, 염화나트륨 및 석고와 같은 미네랄 염의 침착, 바람에 의한 화상 및 폭풍에 의한 파손, 산불 등[9] |
| 인공적인 원인 | 토양 경화·유망(流亡), 대기 및 토양 오염, 농약에 의한 약해, 비료의 부족·과다 등[9] |
4. 1. 자연적 원인
비생물적 장애는 병원체로 유발된 장애와 혼동될 수 있다. 비생물적 원인에는 가뭄, 서리, 눈 및 우박과 같은 자연적인 과정, 홍수 및 불량한 배수, 미량 영양소 결핍, 염화나트륨 및 석고와 같은 미네랄 염의 침착, 바람에 의한 화상 및 폭풍에 의한 파손, 그리고 산불이 있다.[9]병해를 일으키는 자연적인 원인은 다음과 같다.
- 건조·고온 장해
- 다우·과습
- 저온 장해 (냉해, 상해, 설해)
- 영양 장애
- 염해
4. 2. 인공적 원인
토양 경화·유망(流亡)은 토양이 단단해지거나 유실되어 식물 생육에 불리한 환경이 조성되는 것을 의미한다. 대기 및 토양 오염은 공장, 자동차 등에서 배출되는 오염 물질로 인해 식물이 피해를 입는 것을 말한다. 농약에 의한 약해는 농약의 잘못된 사용으로 인해 식물이 손상되는 것을 의미하며, 비료의 부족·과다는 비료의 과다 또는 부족으로 인한 영양 불균형을 초래하여 식물에 해를 끼치는 것을 말한다.[9]5. 역학
역학은 전염병의 발생 및 확산에 영향을 미치는 요인을 연구하는 학문이다.[10]
질병 삼각은 식물 질병에 필요한 기본적인 요소를 설명한다. 질병 삼각은 식물(숙주), 병원체, 환경으로 구성된다.[11]
5. 1. 질병 삼각
질병 삼각은 식물병 발생에 필요한 기본적인 요소를 설명한다. 이는 식물(숙주), 병원체, 환경이라는 세 가지 요인으로 구성되며, 이 중 하나라도 없으면 병이 발생하지 않는다. 따라서 이들 요인 중 하나를 조절하면 질병을 억제할 수 있다.[11]
6. 병 저항성
식물은 식물 병원균으로부터 감염을 예방하고 종식시키는 능력인 병 저항성을 가지고 있다. 식물이 병원균의 침입을 막는 데 도움이 되는 구조로는 큐티클 층, 세포벽, 기공을 지키는 세포가 있다. 병원균이 이러한 장벽을 극복하면, 식물 수용체는 신호 전달 경로를 시작하여 이물질에 대항하는 분자를 생성한다. 이러한 경로는 숙주 식물 내의 유전자에 의해 영향을 받고 유발되며, 저항성 품종을 만들기 위해 유전자 육종으로 조작될 수 있다.[12]
7. 관리
식물병을 효과적으로 관리하려면 여러 방법을 통합적으로 적용해야 한다. 통합적 병해충 관리(Integrated Pest Management, IPM영어)는 식물병의 피해를 최소화하고 지속 가능한 농업을 실현하는 데 중요한 역할을 한다.
더 자세한 내용은 길항 작용 (식물병리학) 문서를 참고하라.
7. 1. 진단
과거에는 잎 검사나 육안 관찰 등 전통적인 방법에 의존했지만, 최근에는 분자 병리학 분석법을 통해 병원체를 정확하고 빠르게 진단할 수 있게 되었다. 중합 효소 연쇄 반응(PCR), 역전사 중합 효소 연쇄 반응(RT-PCR), 루프 매개 등온 증폭(LAMP) 등 다양한 분자 진단 기술이 활용된다.[13] PCR은 단일 용액에서 여러 분자 표적을 감지할 수 있지만, 제한 사항이 있다.[13] Bertolini 등 (2001), Ito 등 (2002), Ragozzino 등 (2004)은 6~7개의 식물 병원체 분자 생성물을 다중화하는 PCR 방법을 개발했으며, Persson 등 (2005)은 RT-PCR로 4개를 다중화하는 방법을 개발했다.[13] 보다 광범위한 분자 진단에는 PCR 어레이가 필요하다.[13] 전 세계적으로 널리 사용되는 검출 방법은 효소 결합 면역 흡착 검사이다.[14]7. 2. 생물학적 방제
윤작은 기생충 개체군이 확립되는 것을 막는 전통적이고 효과적인 수단이다. 예를 들어, 많은 식물에서 혹병을 일으키는 ''아그로박테리움 투메파시엔스''의 감염으로부터 보호하기 위해, 꺾꽂이를 뿌리내리기 위해 땅에 심기 전에 ''아그로박테리움 라디오박터'' 현탁액에 담그는 방법이 있다.[15]8. 주요 인물
- 조지 워싱턴 카버: 미국의 농학자이자 식물병리학자로, 땅콩, 고구마 등 대체 작물을 연구하여 남부 농업 경제에 기여했다.
- 안톤 드 바리: 독일의 식물학자이자 균류학자로, 식물병리학의 아버지로 불린다. 감자 역병의 원인을 밝혀냈다.
- 어윈 프링크 스미스: 미국의 식물병리학자로, 세균이 식물병의 원인이 될 수 있음을 증명했다.
- 애그니스 아버: 영국의 식물학자로, 식물 형태학 및 식물학사 연구에 기여했다.
참조
[1]
서적
Agrios' plant pathology
Academic Press
2024
[2]
논문
Infectious plant diseases: etiology, current status, problems and prospects in plant protection
2020-10-27
[3]
논문
Strangers in the matrix: plant cell walls and pathogen susceptibility
2008-11
[4]
논문
Synergisms between microbial pathogens in plant disease complexes: a growing trend
2015-05-27
[5]
논문
Industrial Use of Cell Wall Degrading Enzymes: The Fine Line Between Production Strategy and Economic Feasibility
2020-04-29
[6]
웹사이트
Genome of Irish potato famine pathogen decoded
http://www.broadinst[...]
Broad Institute of MIT and Harvard
2012-07-24
[7]
웹사이트
1st large-scale map of a plant's protein network addresses evolution, disease process
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Dana-Farber Cancer Institute
2012-07-24
[8]
웹사이트
How do plants fight disease? Breakthrough research by UC Riverside plant pathologist offers a clue
http://newsroom.ucr.[...]
UC Riverside
2011-03-28
[9]
웹사이트
Abiotic plant disorders: Symptoms, signs and solutions. A diagnostic guide to problem solving
http://www.hrt.msu.e[...]
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https://www.apsnet.o[...]
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[11]
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https://horticulture[...]
Oregon State University
2023-12-31
[12]
논문
Disease Resistance Mechanisms in Plants
2018-07-04
[13]
논문
Advances in molecular phytodiagnostics - new solutions for old problems
2006-09
[14]
논문
Current and emerging trends in techniques for plant pathogen detection
2023-05-08
[15]
논문
Biological Control of Crown Gall Using Using Agrobacterium Strains K84 and K1026
1991
[16]
서적
Introduction to the History of Plant Pathology
Cambridge University Press
[17]
문서
梶原（2004）
[18]
문서
마이코톡신을 산생하는 적かび병、맥각병 등이 그것에 상당한다.
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