Xanthomonas campestris pv. vesicatoira에 대한 geraniol, thymol, o-vanillin의 항균 시너지 효과

Introduction

Xanthomonas campestris는 Gram-negative 균으로 다양한 작물에서 세균점무늬병 및 검은썩은병의 원인균이 되며, 종자, 식물, 토양 등을 통한 전염성이 높아 작물 생산성에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2020; Kim et al., 2023). X. campestris는 일반적으로 잎의 수공을 통해 침투하여 물관에서 발병하며, 이병 종자에서는 3년, 토양에서는 하절기에 20일, 동절기에는 40일 가량 생존할 수 있는 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2020). 검은썩음병 방제에는 무균종자 재배, 길항미생물 활용 및 병저항성 작물 등 생물학적 방제와 항생제 계통의 농약을 사용하는 화학적 방제가 활용되고 있다(Park et al., 2022; Bae et al., 2023; Lee et al., 2023). 2023년 현재 콜라비, 브로콜리, 양배추, 방울다다기양배추에 발생하는 검은썩음병 방제에는 streptomy cin, oxolinic acid, oxytetracycline, validamycin A, kasugamycin 등을 유효성분으로 하는 항생제 계통 품목들이 사용되고 있으나(KCPA 2023), 제한된 항생제 계통 약제의 반복적 사용으로 인한 약제저항성 균주발현과 이로 인한 방제가 감소가 종종 보고되고 있다(Sundin & Wang, 2018; Rodríguez et al., 1997; Herbert et al., 2022). 이러한 저항성 문제를 극복하기 위해서는 다양한 항생제 대체소재가 필요하며, 이를 위해 천연물을 중심으로 한 연구가 이루어 지고 있으나, X. campestris에 대한 항균물질 연구는 상대적으로 부족하다(Mageshwaran et al., 2011; Mageshwaran et al., 2012; Delisle-Houde et al., 2021; Sreelatha et al., 2021; Kim et al., 2022; Varympopi et al., 2022; Kim JY et al., 2023).

최근에는 항생제를 대체하기 위한 수단으로 항균성 천연물질 혹은 천연추출물을 활용한 생물농약이 적극적으로 연구되고 있으며, 이들 중 식물의 정유(essential oil)와 정유에 다량 함유되어 있는 monoterpenoid와 phenolic 물질은 다양한 병원성 미생물에 대한 항세균활성이 보고되고 있다(Kotan et al., 2007; Lee et al., 2021; Hakalova et al., 2022; Choi et al., 2023). 특히, 최근에는 단일물질에 의한 항세균활성뿐만 아니라, 여러 성분에 의한 약효 상승효과를 평가하고, 이를 활용한 항균성 물질 복합제제 개발을 통하여 약제 저항성 발생을 억제할 수 있는 신규 소재 연구에 관심이 집중되고 있다(Xue et al., 2022; Zhang et al., 2022; Zhao et al., 2022; Kim et al., 2023; Satria et al., 2023; Tao et al., 2023). 이에 따라, 본 연구에서는 식물정유에 다량 함유되어 있으며, 다양한 용도로 활용되고 있는 monoterpenoid 성분과 저분자성 phenol 성분인 thymol 등 15종의 식물정유 성분을 대상으로 X. campestris에 대한 항세균활성을 평가하고, 이들 중 항균력이 우수한 성분을 대상으로 항균성 synergistic effect를 평가하였다.

Materials and Methods

Results and Discussion

X. campestris에 대한 천연 휘발성 화합물의 항세균활성

식물정유의 주성분으로 알려진 15종의 terpenes 및 phenolics를 대상으로 X. campestris에 대한 항세균활성을 평가하였으며, 그 중 thymol, geraniol, o-vanillin에서 최소저해농도(minimal inhibition concentration, MIC)가 각각 125 μg mL^-1, 250 μg mL^-1 와 250 μg mL^-1로 우수한 항세균활성을 확인할 수 있었다(Table 1).

Table 1.

MICs of natural compounds against X. campestris pv. vesicatoria

Geraniol, thymol, o-vanillin은 palmarosa oil, thyme oil 그리고, Helichrysum oligocephalum정유의 주성분으로 알려져 있으며(Fig. 1), 정유의 주요성분은 Table 2에서 나타낸 바와 같았다. 정유의 주성분에 대한 항세균활성은 다양한 균에서 보고되었으나(Kim et al., 2014; Vujic et al., 2020; Bezek et al., 2022; Kumar et al., 2022), 식물 병원균인 X. campestris에 대해서는 thyme oil의 주성분으로 알려진 thymol (MIC = 195 μg mL^-1)에 대해서만 보고되었다(Hakalova et al., 2022). 문헌자료에 따르면, geraniol을 주성분으로 하는 palmarosa oil은 다양한 균주에 대해 MIC가 80-10,000 μg mL^-1이었고, o-vanillin을 주성분으로 함유한 Helichrysum oligocephalum 정유는 >150 μg mL^-1 수준으로 보고되었다(Vujic et al., 2020; Bezek et al., 2022; Kumar et al., 2022). 따라서, thymol, geraniol, o-vanillin 등을 주성분으로 하는 식물정유 또한 X. campestris에 대한 항세균활성을 기대해 볼 수 있었으며, 이들 중 손쉽게 확보 가능한 thyme oil과 palmarosa oil을 대상으로 X. campestris에 대한 MIC를 측정한 결과 각각 125 μg mL^-1에서 확인되었다. 하지만, thyme oil과 palmarosa oil은 100 μg mL^-1 미만에서 배추 등 식물종자의 발아와 유근생장 억제 등 phytotoxicity 보고가 있었기 때문에(de Almeida et al., 2010; Choi et al., 2015), 이들 식물정유를 직접 병 방제에 활용하기는 어렵다고 판단하였다.

Fig. 1.

Structure of geraniol, thymol, and o-vanillin.

Table 2.

The composition of the essential oils containing thymol, geraniol and o-vanillin(%)

또한, 개별성분으로서 thymol은 최근 Sreelatha 등(2021)의 연구에서 X. campestris의 cell membrane disruption에 의한 biofilm생성억제가 주요 항균 작용기작으로 보고되었으며, o-vanillin은 진균류인 Cryptococcus neoformans 균에 대한 mitochondria ROS 유도기작이 주요 항진균 작용기작으로 보고된 바 있으나, 세균에 대한 작용기작은 아직 알려진 것이 없다(Kim et al., 2014).

Geraniol, thymol, o-vanillin의 항세균 시너지 효과

항세균활성이 나타난 3종의 저분자성 천연물질의 혼합에 의한 synergistic effect를 평가하고자 MIC를 기준으로 단계별로 희석한 혼합용액을 사용하여 checkboard analysis를 통해 확인한 FIC index를 Table 3과 같이 산출하였다.

Table 3.

FIC indexes for synergistic effect of thymol, geraniol, and o-vanillin on Xanthomonas campestris pv. vesicatoria

Thymol과 geraniol 혹은 thymol과 o-vanillin을 사용한 경우 FIC index가 0.75까지 낮아지며 additive effect가 확인되었으나, geraniol과 o-vanillin의 경우에는 특별한 synergistic effect가 확인되지 않았다. 특히, additive effect가 확인된 thymol과 o-vanillin 용액에 geraniol의 첨가량이 증가할수록 FIC index 또한 상승하는 것이 확인되어 geraniol을 thymol과 o-vanillin 용액에 첨가하는 것은 synergistic effect와 무관함을 확인할 수 있었다.

본 연구를 통해 상업적 유통이 많으며, 가격이 저렴한 천연물질인 thymol, geraniol, o-vanillin의 X. campestris에 대한 항세균활성을 확인할 수 있었고, 특히 thymol과 geraniol 혹은 thymol과 o-vanillin의 혼합이 약효상승효과가 있음을 확인하였으며, 이를 활용한 검은썩음병 방제제 활용 가능성을 확인할 수 있었다.

Acknowledgments

본 연구는 “2022년도 농촌진흥청 공동연구사업(RS-2021-RD009903)”의 지원을 받아 수행되었습니다.

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