천궁 초작과 연작 재배지의 토양특성이 토양 곰팡이 군집에 미치는 영향

서 언

천궁 (Cnidium officinale Makino)은 산형과 (Umbelliferae)에 속하는 다년생 초본으로 지하부 근경을 건조한 후 세절하여 약재로 사용하고 있다. 천궁은 식품에 제한적 원료로 사용이 허가되어 있고, 혈관확장, 항염증, 항균 등의 효능이 있어, 한방에서는 사물탕, 십전대보탕, 교애귀궁탕으로 처방하여 보혈, 강장, 진정, 진통, 구어혈, 냉증, 월경장해 등의 치료를 목적으로 널리 사용되는 생약재이다 (Oh et al., 2010; BHHES, 2012).

웰니스 사회의 진입으로 한약재에 관한 관심과 함께 약용작물의 활용범위가 예전의 약재 위주에서 건강기능식품 및 기능성화장품 분야로 확대되면서 수요는 증가추세에 있다. 하지만 천궁의 재배면적 및 생산량은 1997년 789㏊, 2,294 M/T (metric ton)이었던 것이 2017년에는 185㏊, 1,290 M/T로 현저히 감소하였다 (MAFRA, 2018). 이러한 감소이유는 고온과 가뭄 등 기후변화에 따른 민감성과 연작장해에 따른 재배지 교체의 어려움에 있다 (Kim et al., 2015; Seo et al., 2018; Jung et al., 2019). 또한, 지속적이고 안정적인 재배기술 개발도 부족한 편이다. 현재 천궁 재배지는 영양, 봉화 등 경북 북부지역에서 점진적으로 태백, 삼척 등 강원 남부지역으로 이동하고 있다.

미생물의 다양성과 군집구성은 토양의 생산성, 식물생장 및 작물의 품질에 크게 영향을 끼치고 (Wu et al., 2011; Nayyar et al., 2012), 미생물 군집의 다양성과 구성의 변이는 작부체계, 식물 종, 생물 및 비생물 요인의 변화와 관련되어 있다 (Lauber et al., 2008; Bell et al., 2013). 토양미생물의 다양성과 구성의 변화는 생태계 기능, 균형과 건강성을 교란할 수 있고, 토양의 생산성에 부정적인 영향을 주며 결과적으로 식물체를 고사시킨다 (Chen et al., 2012; Mazzola and Manici, 2012).

토양미생물 군집의 다양성과 조성은 토양의 환경특성과 밀접하게 연결되어 있으며, 토양 건강의 민감한 bioindicator로써 역할이 가능하다 (Avidano et al., 2005). 또한, 세균과 곰팡이의 분류군 (taxa)은 경작과 관련되어 있으며 이러한 분류군은 잠재적으로 생태계의 물질대사과정과 큰 상관관계를 가진다 (Singh et al., 2006; Rousk et al., 2010; Yergeau et al., 2012).

연작장해는 동일토양에 동일작물을 연속적으로 재배함으로써 일반적인 재배방식과 비교하여 생산량과 품질이 감소하는 현상을 말한다 (Kang et al., 2007). 연작장해의 원인으로 병해충의 정착, 토양유래 식물병의 증가, 토양산성화, 2 차 염류화 (salinization), 토양 물리화학 특성의 불균형, 토양미생물, 자가독성과 전작물 뿌리나 작물유체의 분해과정에서 생성되는 독소물질의 토양 축적 및 pH 변화 등이 알려져 있다 (Jeong et al., 1991; Yao et al., 2006; Zhou et al., 2012; Manici et al., 2013; Mondal et al., 2013; Zhou et al., 2014).

토양미생물 중 곰팡이는 식물 잔재물의 분해자로서 토양생태계에 중요한 역할을 하며 식물병원균에 길항능을 가지는 종류가 있는 반면, 일부는 식물병을 일으켜 작물에 대규모 피해를 주기도 한다 (Bridge and Spooner, 2001; Gomes et al., 2003). 천궁은 병 피해가 심한 작물로 대표적으로 탄저병, 잎마름병, 갈색무늬병, 줄기썩음병, 시들음병 등이 발병하고, 병해 정도는 연작 시 지속적으로 증가한다고 하였다 (BHHES, 2012).

연작장해는 복합적인 원인으로 발생하기 때문에 연작장해를 방지하는 체계적인 재배기술은 아직까지 확립되어 있지 않다. 따라서 약용작물의 지속가능한 생산을 위해서는 효과적인 방안을 찾아야 한다. 연작재배는 토양미생물의 다양도와 군집 구성에 영향을 주며 토양 생산성과 건강성에 부정적인 영향을 크게 나타낸다 (Berg and Smalla, 2009; Nayyar et al., 2012). 따라서 연작체계에서 토양미생물 군집의 이해는 토양개량을 위해서 필요하지만, 세균 및 곰팡이 군집 변화에 관한 연구는 다소 부진한 편이다 (Dong et al., 2016). 약용작물의 연작장해와 관련한 토양 microflora의 변화 연구로 인삼 (Kang et al., 2007; Shin et al., 2012; Lee et al., 2018; Wei et al., 2020), 작약 (Park et al., 2011), 전칠삼 (P. notoginseng, Dong et al., 2016; Tan et al., 2017), 황련 (Coptis chinensis, Alami et al., 2020) 등에서 진행된 바 있다. 하지만 천궁의 연작 재배지의 미생물상 특히, 세균군집에 대한 연구는 최근에서야 이루어졌고 (Kim et al., 2020), 토양곰팡이 군집분석 연구는 아직 미흡한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 천궁의 초작과 연작 재배지에서 토양곰팡이 군집을 분석하고, 재배지 토양특성이 토양곰팡이 군집에 미치는 영향을 구명하기 위해 수행하였다.

재료 및 방법

결과 및 고찰

1. 천궁 재배지의 토양 이화학성

초작 및 연작 재배지에서 채취한 토양시료의 특성을 분석한 결과, 재배지의 토성은 사양토 (sandy loam)였고, 토양 평균 pH는 6.43 - 7.19로 약산성에서 약알칼리성 토양으로 나타났다 (Table 1).

Table 1.

Soil properties of two different Cnidium officinale Makino cultivation fields.

전기전도도 (EC)는 0.71 - 1.30 ds·m⁻¹, 유기물 함량 (OM)은 24.80 - 27.90 g·kg⁻¹, 유효인산 (Ava. P₂O₅)은 589.70 - 946.90 ㎎·㎏⁻¹, 칼륨 (potassium, K)은 1.45 - 1.66 cmol_c·㎏⁻¹, 칼슘 (calcium, Ca)은 6.28 - 13.10 cmol_c·㎏⁻¹, 마그네슘 (magnesium, Mg)은 2.52 - 3.35 cmol_c·㎏⁻¹, 나트륨 (sodium, Na)은 0.07 - 0.11 cmol_c·㎏⁻¹, 양이온치환용량 (CEC)은 13.30 - 17.50 cmol_c·㎏⁻¹으로 나타났다.

천궁 (Cnidium officinale Makino) 재배는 배수가 원활하나 토양 수분함량이 높고, 유기물 함량이 우수한 사양토나 양토 (loam soil)가 적합하다고 하였고, 사토 (sandy), 식양토 (clay loam) 및 식토 (clay)와 비교하여 천궁의 건물중과 종묘의 수가 높게 나타난다고 하였다 (BHHES, 2012). 천궁은 여름철 잎 전체가 말라죽는 고사증상이 나타나는데 이는 천궁 재배지의 토성에 의해 결정되는 만큼 천궁을 재배하기 이전에 토성에 대한 고려는 매우 중요하다고 할 수 있다.

2. 초작 및 연작 재배지의 토양 곰팡이 군집 분석

2.1 군집화 (clustering) 및 상대적 빈도수 (relative abundance)

토양곰팡이 군집 염기서열 분석 데이터는 dataset을 최소 reads 수로 정규화 (normalize)하여 40,015 개의 염기서열 수를 확인하였고, OTUs 수는 초작과 연작 재배지에서 각각 평균 317.4 개, 378.7 개의 OTUs를 확인하였다 (Table 2). 각 시료의 염기서열이 미생물 다양성을 얼마나 대표하는지 나타내는 추정치 (estimator)인 good’s coverage는 두 시료 모두 99.8%로 나타났으며, 이는 시료의 염기서열 reads 수가 통계적으로 충분하다는 것을 의미한다.

Table 2.

Summary data for sequencing results from the two different soil samples.

초작 및 연작 재배지의 토양시료로부터 토양곰팡이 군집의 계통수를 확인한 결과, 초작과 연작에 따라 총 3 개의 그룹 (group 1: FC2, group 2: FC1, FC3, FC4, group 3: CC1, CC2, CC3, CC4)으로 군집화를 이루는 것을 확인하였고, 초작보다는 연작 재배지의 토양곰팡이 군집이 더 군집화 (clustering)를 이루는 것을 확인하였다 (Fig. 1).

Fig. 1.

Clustering and relative abundance of fungal community in two different cultivation methods of C. officinale cultivation fields.(A); phylum, (B); class. FC; first cropping, CC; continuous cropping. Relative abundance of the phylum and top 15 classes in the first and continuous cultivation fields using phylotype-based analysis of taxonomy. Others indicate the sum of the relative abundance of all classes except the 15 classes on the figure.

동일작물을 연작재배할 때 양분의 과잉 축적과 결핍, 토양 물리성 악화 등에 의해 토양 미생물상이 변화하여 연작장해의 원인으로 작용하게 된다 (Lee et al., 2018). 본 연구에서도 초작보다는 연작 재배지에서 토양곰팡이 군집이 군집화를 이루는 것은 천궁의 연작재배에 따른 미생물 군집구조의 변화로 판단된다. Yao 등 (2006)은 오이의 시설재배지에서 연작과 윤작이 토양미생물 군집에 미치는 효과를 확인하였는데, 노지재배 토양과 윤작한 토양보다는 연작한 토양미생물 군집의 염기서열이 더 유사한 것으로 확인하였고, Wu 등 (2015)의 연구에서도 바닐라의 초작보다는 연작 재배지의 토양곰팡이 군집이 더 군집화를 이룬다고 보고하였다.

토양곰팡이 군집의 상대적 빈도수를 확인한 결과, Phylum 수준에서 Ascomycota가 전체 평균의 70.3%로 우점종임을 확인하였고, Basidiomycota (24.9%), Zygomycota (4.1%), Chytridiomycota (0.5%) 순으로 상대적 빈도수가 높게 나타났다. Class 수준에서는 Dothideomycetes가 우점종 (30.4%)이었고, Tremellomycetes (23.4%), Sordariomycetes (22.7%), Pezizomycetes (12.4%), Zygomycota_class (4.1%) 순으로 나타났다. 특히 초작 재배지 중 FC2 샘플에서는 Ascomycota와 Dothideomycetes의 상대적 빈도수가 각각 97.3%, 91.9%로 다른 샘플에 비해 높은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 향후 샘플 반복수를 보다 보완하여 초작 재배지 중에서도 토양 곰팡이 우점종의 상대적 빈도수 차이를 구명하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

초작 및 연작 재배지에 따른 토양곰팡이 군집의 상대적 빈도수를 비교 분석한 결과, Ascomycota (p ≤ 0.001)와 Chytridiomycetes (p ≤ 0.05)는 연작 재배지보다 초작 재배지에서 상대적 빈도수가 유의적으로 높았고, Basidiomycota (p ≤ 0.001)와 Tremellomycetes (p ≤ 0.001)는 연작 재배지에서 유의적으로 높은 것으로 나타났다 (Table 3). 또한 이 중에서 Basidiomycota (담자균)의 속 (genus) 수준에서 초작과 연작에 따른 토양곰팡이 군집의 상위 10 개 속의 평균 OTUs 수를 확인한 결과, Masigobasidium (order: Leucosporidiales), Holtermannia (order: Tremellales), Lepiota (order: Agaricales)와 같은 Basidiomycota 속들이 연작 재배지에서 초작 재배지에 비해 높은 OTUs 수를 보였으며, Mycobank database (www.mycobank.org)로부터 식물병원균 여부를 확인한 결과, 이와 같은 속들은 식물병원성을 보이지 않는 것으로 확인되었다 (Table 4). 이는 재배연수가 증가함에 따라 천궁의 근권에 서식하는 토양곰팡이 군집이 변하는 것으로 판단된다.

Table 3.

Relative abundance of fungal Phylum and Classes between two different Cnidium officinale Makino cultivation fields.

Table 4.

The average OTUs number of top 10 genus of Basidiomycota in two different Cnidium officinale Makino cultivation fields.

Hannula 등 (2012)은 감자 (Solanum tuberosum L.)의 성장단계, 재배연수, 재배지에 따른 토양곰팡이 군집구조를 분석하여, 재배지의 토양곰팡이 군집구조는 감자의 재배연수와 매우 밀접한 관계가 있으며, 그중에서도 Ascomycota와 Basidiomycota는 재배연수와 유의적인 상관관계를 보였다고 하였다. Tang 등 (2015)은 꿀풀과 (Lamiaceae) 약재인 단삼 (Salvia Miltiorrhiza)의 연작 재배연수에 따라 토양곰팡이 군집의 변화를 확인하였는데, 재배연수에 따라 토양곰팡이 군집구조가 변했고, Basidiomycota 계열인 Rhizoctonia와 Psathyrella는 2 년 이상의 연작지에서 우점함을 확인하였다.

Wu 등 (2016) 또한 석죽과 (Caryophyllaceae) 약용식물인 개별꽃 (Pseudostellaria heterophylla)의 연작재배가 토양곰팡이 군집에 미치는 효과를 조사하였는데, 재배연수에 따라 토양곰팡이의 군집화가 뚜렷하게 구분됨을 확인하였고 Ascomycota의 상대적 빈도수가 모든 재배지에서 유의적으로 높아서 우점종이라고 하였다. 선행 연구결과와 본 연구는 유사하며 동일작물의 연작재배가 토양곰팡이 군집에 영향을 준다는 것을 뒷받침하고 있다.

2.2 병원성 미생물의 상대적 빈도수

연작에 따른 병원성 토양곰팡이 군집을 확인하기 위해 병해를 일으키는 대표적인 토양병원성 곰팡이인 Colletotrichum, Fusarium, Phytophthora, Pseudocercospora 및 Rhizoctonia의 상대적 빈도수를 확인하였다 (Table 5).

Table 5.

Relative abundance of 3 different pathogenic fungus (genus) between two different Cnidium officinale Makino cultivation fields.

재배지의 병원성 곰팡이 군집의 상대적 빈도수를 비교 분석한 결과, Phytophthora와 Pseudocercospora의 상대적 빈도수는 확인할 수 없었고 Colletotrichum, Fusarium 및 Rhizoctonia는 초작과 연작 재배지에서 모두 확인하였다. 하지만 Colletotrichum과 Rhizoctonia는 초작과 연작 재배지에서 유의적 차이가 없었고, Fusarium은 초작보다는 연작 재배지에서 상대적 빈도수가 유의적으로 높았다.

재배지에서 동일작물을 연작하면 양분의 불균형, 토양 물리성의 악화 및 식물의 독소물질 배출 등으로 인해 토양에 서식하는 미생물이 단순화되면서 병원균이 증식하게 된다 (Kim and Kim, 2002; Park et al., 2011; Lee et al., 2017). 최근까지 고추 (Kwon and Lee, 2002), 콩 (Bai et al., 2015), 생강 (Jung et al., 2015), 옥수수 (Lim et al., 2005), 보리 (Park et al., 2010) 및 인삼 (Shin et al., 2012) 등 다양한 작물의 연작재배에 따른 토양병원균 발병에 관한 연구가 활발히 수행 중이다.

Kim 등 (2010)은 고추의 연작재배에서 역병과 탄저병의 발병이 증가하여 생산량이 심각하게 감소하는 원인으로 보고하였다. 인삼은 연작재배에 따라 병충해가 많고 탄저병과 뿌리썩음병 등의 피해가 크다고 보고하였다 (Kim et al., 2011).

Fusarium은 대표적인 식물 병원균 중 하나로 바나나 (Xiong et al., 2015), 오이 (Zhou and Wu, 2012), 딸기 (Nam et al., 2011), 무 (Baik et al., 2011) 및 토마토 (Park et al., 2013)와 같은 시설작물의 시들음병, 고구마 (Moon et al., 2018)와 수박 (Yang et al., 2016)의 덩굴쪼김병, 약용작물인 작약 (Lee, 2004), 도라지와 더덕 (Kim et al., 2016), 인삼의 뿌리썩음병 (Dong et al., 2016)의 원인이 되는 병원균이고, 연작기간이 증가함에 따라 그 발병 정도도 증가하는 것으로 보고하고 있다. 천궁의 대표적인 병해 중 하나인 Fusarium에 의한 시들음병은 여름철 장마기에 발병하고, 아랫잎의 선단부에 황갈색의 병반이 생겨 지상부가 고사하는 병해이다.

천궁의 병해 연구는 아직 미미하지만, Fusarium 속 병원균의 상대적 빈도수가 연작 재배지에서 유의적으로 높음을 본 연구에서 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 향후 천궁의 연작재배에 따른 시들음병 발병과 Fusarium 속 병원균의 상대적 빈도수 간의 상관관계에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

3. 천궁 재배지의 토양 곰팡이 군집과 토양 이화학성 간의 상관관계

토양미생물 군집은 서식지 환경요인의 영향을 받는다. 환경요인 중에서도 특히 토양특성은 토양미생물의 생장 및 다양성에 영향을 주는 것으로 알려져 있다 (Wu et al., 2018). 따라서 토양 이화학성과 같은 환경요인과 토양미생물 군집 간의 상관관계 분석은 서식지의 미생물 상을 연구하는 데 필수적이다 (Pettersson, 2004; Kim et al., 2019b).

본 연구에서는 천궁 재배지의 토양 이화학성이 토양곰팡이 군집의 군집화에 미치는 영향을 확인하기 위해 주좌표 분석 (PCoA analysis)과 DISTLM 분석을 통해 토양 이화학성과 토양곰팡이 군집 간의 상관관계를 확인하였다. 주좌표 분석에서는 Bray-Curtis similarity를 이용하여 토양곰팡이 군집의 염기서열 간의 유사성을 ordination하여 나타냈고, 토양 이화학성은 각 축에 대한 상관계수를 통해 표시하였다 (Fig. 2).

Fig. 2.

The ordination plot shown the soil samples, phylum an classes communities and soil parameters according to their fungal community composition obtained from principal coordinate analysis (PCoA analysis) based on Bray-Curtis dissimilarity matrix.The correlation between soil parameters and two axes are represented by the length and angle of the arrows.

토양곰팡이 군집은 초작과 연작 재배지에 따라 구분되어 나타났고, Ascomycota는 초작 재배지에서, Basidiomycota는 연작 재배지에서 우점하는 것으로 나타났다. 주좌표 분석의 각축 (PC1, PC2)에 대한 수치 (%)는 토양곰팡이 군집의 변화량 (variation)을 말하며, 좌표에 있는 토양 이화학성은 종 (ordinate) 또는 횡 (abscissa)으로 나누는 토양곰팡이 군집과의 연관성을 가진다. 따라서 PC1의 변화량 (53.2%)이 PC2의 변화량 (22.3%)보다 높다는 것은 종좌표에 위치한 토양 이화학성이 횡좌표에 위치한 요인보다 토양곰팡이 군집에 더 영향을 준다는 것을 의미한다. 본 연구에서는 종좌표에 위치한 유효인산, pH, 치환성 칼슘, 치환성 칼륨, 전기전도도가 횡좌표에 위치한 다른 토양 이화학성보다 토양곰팡이 군집에 영향을 주는 것으로 판단된다.

토양곰팡이 군집과 토양 이화학성 간의 유의적인 상관관계를 확인하기 위해 DISTILM 분석을 진행하였다 (Table 6). 토양곰팡이 군집과 토양 이화학성 각각의 유의적인 관계를 marginal test로 확인한 결과, 치환성 칼슘 (p = 0.0170), pH (p = 0.0221) 및 유효인산 (p = 0.0314)의 유의적인 상관관계를 확인하였다. 또한, 전체 토양 이화학성 중 어떤 요인이 토양곰팡이 군집에 영향을 주는지 sequential test를 통해 확인하였다. 치환성 칼슘 (p = 0.0170)이 토양곰팡이 군집에 가장 큰 유의적 영향을 주었고, 그다음은 pH (p = 0.0403)였다.

Table 6.

Marginal and sequential tests of DISTLM on relation of soil parameters variables to the fungal community of soil samples.

토양곰팡이 군집 중, 초작과 연작 재배지 간의 유의적인 차이를 Ascomycota, Chytridiomycetes 및 Basidiomycota 계통에서 확인하였고 Pearson 상관관계 분석을 통해 이들 계통의 군집과 토양 이화학성 간에 pH, 유효인산 및 치환성 칼슘이 유의적인 영향을 주는 것을 알 수 있었다 (Table 7). 토양 pH는 각 재배지 우점종과 유의적인 상관관계를 확인할 수 없었고, 유효인산은 Ascomycota와 Chtridiomycete 군집과 유의적인 부의 상관관계를 보인 반면, Basidiomycota 군집과는 유의적인 정의 상관관계를 보였다. 치환성 칼슘은 유효인산과 유사한 결과를 보였는데, Ascomycota (phylum)과는 유의적인 부의 상관관계, Cystofilobasidiaceae (Basidiomycota_family)와는 유의적인 정의 상관관계를 확인하였다.

Table 7.

Pearson’s correlation analysis between relative abundance of fungal communities (Ascomycota, Basidiomycota, Chytridiomycetes) and soil properties (pH, available P2O5, exchangeable Ca) in soil samples.

토양 이화학성이 토양곰팡이의 다양성과 군집에 중요한 역할을 한다는 연구는 최근까지도 활발히 진행되고 있다 (Ullah et al., 2019; Yao et al., 2019; Zhang et al., 2019a). 이 중에서 토양 유효인산은 ATP 생성, 핵산 및 인지질 합성 등에 관여하여 토양미생물 군집구조에 큰 영향을 주는 토양요인이다 (Atlas and Bartha, 1998; de Forest and Scott, 2010). Li 등 (2020)은 차나무 (Camellia sinensis L.)의 연작에 따른 토양 이화학성이 토양곰팡이 군집에 미치는 영향을 분석하였는데, Ascomycota와 토양 유효인산이 유의적인 부의 상관관계를 가진다고 하였다. Zhang 등 (2019b)은 토양곰팡이 군집중에서 Basidiomycota 계통의 군집이 토양 유효인산과 유의적인 양의 상관관계를 보인다고 하여 본 연구의 토양 유효인산과 우점종 간의 상관관계 결과를 뒷받침하고 있다.

토양 pH 또한 미생물의 서식에서 가장 중요한 요인 중의 하나로 (Wu et al., 2017), Rousk 등 (2010)은 토양 pH 수준에 따라 토양곰팡이의 다양성과 군집이 변화한다고 보고하였다. Yang 등 (2019)은 토양 pH, 칼슘, 탄소, 탄질비 (C/N ratio) 및 인산과 같은 토양특성이 곰팡이의 종 풍부도 (richness)에 영향을 준다고 보고하였고, 토양 내 치환성 칼슘은 대표적인 곰팡이인 외생균근 (ectomycorrhizae, ECM)의 군집 조성에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다 (Gustafson and Casper, 2004; Põlme et al., 2013), Monfort-Salvador 등 (2015)은 토양 내 pH와 Ca 이온의 증가로 토양 내 서식하는 대표적인 곰팡이인 외생균근의 군집이 변화한다고 하였다. 이러한 선행연구는 천궁 재배지의 토양곰팡이 군집과 토양특성 간의 상관관계에 관한 결과를 뒷받침할 수 있을 것이다.

본 연구결과는 천궁 재배지의 토양곰팡이 군집 연구에 관한 기초연구 자료로 활용할 수 있을 것이고, 향후 천궁 외에도 약용작물 재배지의 연작에 따른 토양특성과 토양곰팡이 군집간의 상관관계를 구명하는 데 중요한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 산림청 국립산림과학원 연구개발사업(과제번호: FE0702-2018-02)의 지원에 의해 이루어진 결과로 이에 감사드립니다.

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