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- 어린뿌리 끝, 특히 뿌리 꼭지 부분에서 탄소가 가장 많이 분포되어 있음을 발견
- 뿌리 부분이 오래될수록 축적되는 영양분은 줄어
- 식물은 특정 영양소 방출을 통해 유익한 미생물과 해로운 균류 모두에게 영양분을 공급
- 토양 미생물군집에 대한 지식은 옥수수와 같은 작물을 재배하는 밭에서 유익균의 표적 활용을 개선하는 데 도움

식물이 토양 미생물에게 "양분을 공급"하는 방식
식물은 뿌리 끝에서 특히 많은 양의 탄소를 방출한다.

복잡한 지하 세계:
식물 뿌리는 토양에 영양분을 방출하지만, 그 양은 고르지 않다. 뿌리 끝에서 특히 많은 양의 탄소를 방출하기 때문에 특히 빠르게 성장하는 미생물이 뿌리 끝에 서식한다. 연구자들은 "네이처"에 보고한 바와 같이, 식물은 이러한 특정 영양소 방출을 통해 유익한 미생물과 의도치 않게 해로운 균류 모두에게 영양분을 공급한다. 

▲ 식물은 뿌리를 통해 토양에 영양분을 방출한다. pixabay

식물은 뿌리를 통해 소위 광합성 산물을 토양으로 방출한다. 이는 광합성을 통해 이전에 생성되었던 당, 아미노산, 그리고 기타 영양소다. 이 과정은 식물 뿌리 주변 토양의 미생물 군집을 변화시킨다. 박테리아, 균류, 그리고 작은 진핵생물(원생생물)이 그곳에 서식하며 식물이 배출하는 영양분을 섭취한다. 지금까지 식물이 뿌리의 어느 부위에서 이러한 물질을 어느 정도까지 방출하는지, 그리고 이것이 미생물의 구성에 어떤 영향을 미치는지는 밝혀지지 않았다.

▲ 연구 I에서는 광합성산 분배의 시간적 변화와 광합성산 분배의 소규모 공간적 이질성이 원핵생물, 균류, 그리고 미생충류 근권 군집에 미치는 영향을 조사했다. PET-MRI 영상(주황색 상자)을 통해 광합성산 농도가 낮은 뿌리 영역(낮음, 중간, 높음)을 명확히 구분하고, 높은 공간 해상도에서 뿌리 구조를 고려하여 샘플링 과정에서 뿌리 유형과 단면을 식별할 수 있었다. 연구 II는 이러한 접근 방식과 13CO2 표지(파란색 상자)를 결합하여 광합성산 소비자를 구체적으로 식별하고 공간적으로 이질적인 광합성산 분포에 대한 반응을 조사했다. 파괴 샘플링(회색 상자) 분석에는 뿌리 및 근권 시료의 광합성산 함량에 대한 정량적 데이터를 얻기 위한 원소 분석과 동위원소비 질량 분석법(EA-IRMS)을 결합한 분석, 그리고 DNA 기반 미생물 군집 구성 분석이 포함되었다.(출처:Published: 07 August 2025 / Photosynthate distribution determines spatial patterns in the rhizosphere microbiota of the maize root system /nature communications)

방사성 "식물성 영양분"

본 대학교의 클라우디아 니프(Claudia Knief)가 이끄는 연구팀은 옥수수 식물을 이용해 이 문제를 연구했다. 연구진은 옥수수 식물에 방사성 11CO2를 "먹인" 후 양전자단층촬영(PET)과 자기공명영상(MRI)을 사용해 이 탄소와 광합성 산물이 뿌리에 어떻게 분포되는지 모니터링했다.

실험의 두 번째 단계에서 니프와 동료들은 13CO2를 기후실에 넣고 이 탄소 동위원소가 뿌리, 뿌리 환경, 그리고 토양 미생물에 어떻게 분포되는지 모니터링했다. 그런 다음 특수 DNA 분석을 통해 어떤 미생물 종이 식물 탄소를 흡수했는지 확인했다.

▲ PET는 식물 뿌리에서 탄소 농도가 특히 높은 주황색으로 표시된다. © 이미지: Ralf Metzner/Forschungszentrum Jülich

영양분이 풍부한 뿌리 끝

옥수수 식물은 CO2를 놀라울 정도로 빠르게 처리했다. 연구팀은 "13일 된 식물의 주(primary)뿌리에서 최초의 11C 광합성 산물이 펄스 라벨링 시작 후 약 10~15분 후에 검출되었다"고 보고했다.

하지만 놀랍게도 옥수수 뿌리의 탄소 분포는 매우 불균일했다. 연구진은 어린뿌리 끝, 특히 뿌리 꼭지 부분에서 탄소가 가장 많이 분포되어 있음을 발견했다. 뿌리 부분이 오래될수록 축적되는 영양분은 줄었다. 식물이 뿌리 끝에서 의도적으로 광합성 산물을 방출하는지, 아니면 신진대사의 부작용인지는 아직 불분명하다.

▲ 연구 I에서 동일한 옥수수 식물체를 PET(색상)와 MRI(회색)를 통해 120분 동안 세 시점에서 영상화했다. 표지 시작 후 85~90분에 6일, 13일, 20일 된 식물체에 대해 동시 등록 PET-MRI 스캔을 수행했습니다. 다양한 뿌리 유형을 잘 나타내는 부분은 문자로 표시했다. P는 1차 근, S는 정근, Cr은 1~4번 마디의 면류관 근, L은 측근이다. 6일째에 뿌리계는 1차 근과 3개의 정근으로 구성되었다. 20일째에 모든 식물체에서 최대 4개의 연속된 마디에서 약 10~12개의 면류관 근이 발달했다. (출처:Published: 07 August 2025 / Photosynthate distribution determines spatial patterns in the rhizosphere microbiota of the maize root system /nature communications)

아래는 박테리아, 위는 박테리아 섭취

이러한 불균일한 분포는 뿌리 미생물 군집에 영향을 미친다. 실험에서 미생물의 구성은 뿌리의 종류, 뿌리 부분, 그리고 광합성 산물의 양에 따라 달랐다. 탄소가 풍부한 뿌리 끝에는 소수의 미생물만이 살았는데, 주로 파에니바실러스(Paenibacillus) 박테리아나 푸사리움(Fusarium) 속 곰팡이와 같이 빠르게 성장하는 종이었다. 후자는 기생충처럼 작물 전체를 파괴할 수 있어 농업에서 심각한 문제다.

광합성 산물이 소량만 방출되는 뿌리 밑부분에서는 연구진이 주로 다른 박테리아를 먹이로 하는 원생생물과 박테리아를 발견했다. "이러한 결과는 포식성 박테리아, 원생생물, 그리고 아마도 곰팡이가 옥수수 미생물 군집을, 특히 뿌리줄기 방향으로 유의미한 하향식 제어를 한다는 것을 시사한다"고 니프와 그녀의 연구팀은 보고했다.

따라서 식물의 영양분 방출은 뿌리 네트워크 내에 서식하는 유익균과 유해균에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 이러한 "포식자"는 옥수수 뿌리를 따라 서식하는 미생물에도 영향을 미친다. 앞으로 토양 미생물군집에 대한 지식은 옥수수와 같은 작물을 재배하는 밭에서 유익균의 표적 활용을 개선하는 데 도움이 될 수 있다.

참고: Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-62550-y
출처: Universität Bonn

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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