금속전달 유전자(MTP1)의 과발현 애기장대에서 발현 위치에 따른 내성 증가 연구

김동균 국제문화기술진흥원 2019 The Journal of the Convergence on Culture Technolo Vol.5 No.3

Today’s scientists try to remove heavy metals with many new technologies such as phytoremediation. One of the best cutting edge technologies is developing transgenic plants to remove certain heavy metal in soil. I constructed the transformation vector expressing T. goesingense Metal Transport Protein1 gene and TgMTP1: GFP genes. The transgenic plants were selected and confirmed the transformed genes into Arabidopsis thaliana genome. Expression was confirmed in several parts in Arabidopsis cells, tissues and organs. When TgMTP1 overexpressing Arabidopsis thaliana were subjected, transgenic plants showed higher heavy metal tolerance than non-transgenic. For further study I selected the transgenic plant lines with enhanced tolerance against four different heavy metals; Zn, Ni, Co, Cd. The accumulation of these metals in these plants was further analyzed. The TgMTP1 overexpressing Arabidopsis thaliana plant of selected lines are resistant against heavy metals. This plant is characterized by the expression of the MTP1 gene accumulating heavy metal in the vacuole and being simultaneously expressed on the plasma membrane. In conclusion, these plants may be used in plant purification applications, and as a plant with increased tolerance. 현대 과학자들은 식물정화공정과 같은 새로운 기술로 중금속을 제거하려고 한다. 이런 최첨단 기술 중 하나는 토양의 특정 중금속을 제거하는 형질 전환 식물을 개발하는 것이다. 본 연구자는 T. goingense Metal Transport Protein 1 유전자와 TgMTP1 : GFP 유전자를 발현하는 형질 전환 벡터를 구축했다. 형질전환체 식물을 선택하여 형질 전환 된 유전자를 애기 장대 게놈에서 확인했다. 발현은 Arabidopsis 세포, 조직 및 기관의 여러 부분에서 확인되었다. Arabidopsis thaliana에서 TgMTP1 과발현하는 식물에 중금속이온이 처리되었을 때 형질 전환 식물체는 비 형질 전환 체보다 중금속 내성이 높았다. 추가 연구를 위해 4 (Zn, Ni, Co, Cd.)가지 중금속에 대한 내성이 향상된 형질 전환 식물을 선택했다. 선택된 T3 TgMTP1 과다 발현 애기 장대 식물은 중금속에 내성이 증가된다. 이 식물은 액포 내에 중금속을 축적하고 동시에 원형질 막에 발현되는 MTP1 유전자의 발현을 특징으로 한다. 결론적으로, 이러한 식물은 식물 정화 응용 분야 및 내성이 증가 된 식물로 사용될 수 있다.

염생식물 섬갯장대(Arabis stelleri var. japonica)의 중금속 및 고염 농도 스트레스 상태에서 내성 연구

김동균 국제문화기술진흥원 2019 The Journal of the Convergence on Culture Technolo Vol.5 No.4

In the marine area, the salt concentration in the soil increases, and the inland heavy metal pollution increases the damage of plants. In the inland industrial development area, researches on the genetic resources of plants together with the heavy metal accumulation of Co, Ni, Zn, and so on are required. Both of these problems have caused scientists to work hard to find plants that are likely to cause stress in plant roots. In this study, seeds of Arabis stelleri var. japonica collected near the shore were used for germination.  The growth and development and tolerance of both Arabis and Arabidopsis seeds were investigated under laboratory culture conditions. As a result, Arabis showed resistance about 3 times in 250 mM nickle and cobalt, and more than 4 times in 1 mM zinc when compared to Arabidopsis. The tolerance of Arabis to Na salts increased by 20% or more at 50 mM concentration and Arabis was resistant to heavy metals and salt concentration. The accumulation of Na ions in the body was measured as a preparation for studying the intracellular mechanism. As a result, it showed a further decrease in resistance to ground water roots. It is considered that the activity of the exporting gene is important rather than the mechanism of accumulation. 해양지역에서는 토양의 염 농도가 증가하고 내륙지역은 중금속 오염으로 식물의 피해가 따라서 증가한다. 내륙의 산업 발달 지역에서는 Co, Ni, Zn, 등 중금속이 축적되어 제거하거나, 내성을 갖은 식물의 유전자원 연구가 절실히 요구되고 있다. 앞의 두 가지 문제점은 공히 식물 뿌리에 스트레스를 야기하기에 가능성 있는 식물을 찾기에 과학자들이 많은 노력을 해오고 있다. 본 연구에서는 내염식물로 알려진 것으로 해안가 근처에서 채집 되어진 섬갯장대 (Arabis stelleri var. japonica)의 종자를 발아하여 사용하였다. 동일한 과이면서 모든 유전자가 밝혀졌고, 표본식물인 애기장대 종자를 실험재료로 사용하여 실험실 배양 조건 하에서 성장발육과 내성을 비교 연구하였다. 그 결과 250 uM Nickle과 cobalt에서 3배 정도 내성을 나타내었고,1mM 아연에서는 4배 이상의 내성을 섬갯장대에서 나타내었다. Na염에 대한 내성은 50mM 농도에서 20%이상 발육이 증가하여서 중금속과 염농도에 내성을 보였다. 세포내 기작을 연구하기 위한 준비로서 Na 이온의 체내 축적을 측정하였다. 그 결과 내성을 갖은 섬갯장대 경엽부에서 더욱 감소하는 결과를 보였다. 이는 측적하는 기작보다는 배출하는 유전자의 활성이 중요하다고 사료된다.

도시 내 중금속 오염지의 관상식물로서 자생 맥문동(Liriope platyphylla)의 적용성 평가

주진희,윤용한,Ju, Jin-Hee,Yoon, Yong-Han 한국조경학회 2014 韓國造景學會誌 Vol.42 No.5

본 연구는 토양 내 중금속(카드뮴, 납, 아연) 처리 농도에 따른 자생 맥문동의 외형적인 생장 변화를 살펴봄으로써, 도시 내 중금속 오염지의 관상효과 증진을 위한 수종탐색 자료로 활용하고자 수행하였다. 중금속은 카드뮴, 납, 아연등 3종류이고, 처리 농도는 Control, 100, 250, $500mg{\cdot}kg^{-1}$ 등 4가지로서, 총 12가지 처리구로 구성하였다. 2009년 3월에 각각의 실험구에 10개씩 3반복으로 각 처리구에 정식하여, 같은 해 9월까지 약 7개월간 온실에서 실험을 실시하였다. 생장이 가장 활발한 시기라 볼 수 있는 5월부터 8월까지 약 3개월 동안 엽장, 엽폭, 총엽수, 고사엽수, 신엽수, 엽록소함량, 관상가치 등을 중심으로 생장 변화를 모니터링하였다. 카드뮴(Cd) 처리구의 경우, 엽장과 엽폭의 상대생장률이 식재 후 4개월이 경과된 시점에서 급속히 감소하였다. 총엽수, 신엽수, 엽록소함량, 관상가치 등의 형태적 항목에서도 Control> $Cd_{100}$ > $Cd_{250}$ > $Cd_{500}$ 순으로 감소하는 경향을 보였다. 납(Pb) 처리구에서 엽장의 상대생장률은 $Pb_{250}$과 $Pb_{500}$ 처리구에서만 변화율이 감소한 반면, 엽폭은 납 처리 농도가 높을수록 성장률의 감소양상이 뚜렷하였다. 총엽수, 신엽수, 고사엽수등은 대조구와 $Pb_{100}$ 처리구에서 비교적 유사하였으나, 엽록소함량, 관상가치 등은 납 처리 농도가 증가할수록 감소양상이 매우 뚜렷했다. 아연(Zn) 처리구는 카드뮴와 납 처리구와는 달리 식재 후 4개월이 경과된 시점에서도 변화율의 차이가 있을 뿐, 엽장은 꾸준히 증가하는 경향을 보였다. 엽폭 상대성장율 또한 $Zn_{500}$ 처리구를 제외하고, 비교적 완만한 성장세를 보였다. 총엽수, 신엽수, 고사엽수, 관상가치는 $Zn_{500}$ 처리구에서 가장 낮은 값을 나타낸 반면, Control, $Zn_{100}$, $Zn_{250}$ 처리구간에 차이가 뚜렷하지 않았다. 본 연구를 통해, 맥문동의 관상가치적 관점에서 생장 변화를 파악함으로써 향후 현장적용의 기반 연구로서 큰 의미를 갖는다고 하겠다. 하지만, 중금속에 대한 식물의 내성은 중금속 자체의 특이성과 환경조건에 따라 변화할 수 있다는 개연성을 가지므로, 실내연구와 현장적용성 연구가 병행되어야 할 것이다. Heavy metal pollution is a widespread global problem causing serious environmental concern. Heavy metals such as Cd, Pb, and Zn can induce toxicity in all organisms if the soil levels of contaminants reach critical values. The aim of the present study was to examine the application of Liriope platyphylla, an ornamental Korean native plant with great potential for contaminated soil in urban areas, to determine tolerance for Cd, Pb, and Zn. Plants were grown in amended artificial soil with Cd, Pb, and Zn at 0, 100, 250, and $500mg{\cdot}kg^{-1}$ for 7 months. The length of leaf, width of leaf, total leaf number, dead leaf number, new leaf number, chlorophyll contents, and ornamental value were monitored from May to August, during growth the period. The relative leaf length and leaf width displayed rapidly decreasing tendencies with an increasing Cd concentration beginning from 4 months after planting. The same decreasing tendency was observed in total leaf number, new leaf number, chlorophyll contents, and ornamental values showed a trend of Control> $Cd_{100}$ > $Cd_{250}$ > $Cd_{500}$. In Pb concentration treatments, the relative leaf length and leaf width were significantly lower in plants grown at $250mg{\cdot}kg^{-1}$ and $500mg{\cdot}kg^{-1}$ as compared to the Control, $100mg{\cdot}kg^{-1}$. The total leaf number, new leaf number, and dead leaf number did not show significant difference among treatments in Control and $Pb_{100}$ but chlorophyll contents and ornamental value decreased with increasing Pb supply concentration treatments. However, in Zn supply treatments, the relative leaf length was higher at $100mg{\cdot}kg^{-1}$ than the Control, $250mg{\cdot}kg^{-1}$, $500mg{\cdot}kg^{-1}$, but the relative leaf width decreased compared to the Control, $Zn_{100}$, $Zn_{250}$, and $Zn_{500}$. The total leaf number, dead leaf number, new leaf number, and ornamental value showed the lowest value in plants grown in $Zn_{500}$ treatment but no significant differences were found among other treatments.

중금속 처리한 토양에서 참김의털의 생육특성과 중금속 흡수능력 평가

양금철 응용생태공학회 2022 Ecology and resilient infrastructure Vol.9 No.4

In this study, seeds of Festuca ovina var. coreana growing in waste coal landfills exposed to heavy metal contamination for a long time were collected, and growth characteristics and heavy metal accumulation capacity were evaluated through greenhouse cultivation experiments with germinated seedlings, and was conducted for the applicability of phytoremediation technology. Concentration gradients of arsenic-treated artificial soil were 25, 62.5, 125, and 250 mg/kg, respectively, lead concentrations were 200, 500, 1000, and 2000 mg/kg, and cadmium concentrations were 15, 30, 60, and 100 mg/kg, respectively In the arsenic, lead, and cadmium-treated experimental groups, the number of leaves of F. ovina var. coreana decreased in all compared to the control group except for the lead-treated groups (200, 500, and 1000 mg/kg). Length growth of the shoot part was increased in all of the arsenic treatment groups compared to the control group, but decreased in all of the root parts. In the 1000 and 2000 mg/kg lead treatment groups, lengths increased compared to the control group, but in the other treatments, they were shorter than the control group. In the case of the cadmium treatment group, all of the shoot parts were increased compared to the control group, and all of the root parts were decreased. In the case of arsenic treatment, the biomass was decreased at all parts and all concentrations compared to the control group. The 200, 500, and 1000 mg/kg lead treatments showed larger biomass than the control group in both shoot and root parts. In the cadmium treatment group, the biomass of both shoot and root parts decreased compared to the control group. As the concentration of heavy metal treatment increased, both the number of leaves and the biomass by plant parts tended to decrease, and the length growth of the shoot part tended to increase slightly, but the root part tended to decrease slightly. The arsenic accumulation concentrations of the shoot and root parts of the 62.5 mg/kg arsenic treatment area were 9.4 mg/kg and 253.3 mg/kg, respectively. While the shoot part of the 250 mg/kg arsenic treatment area withered away, the arsenic accumulation concentration in the root part was analyzed to be 859.1 mg/kg, In the 2,000 mg/kg lead treatment area, the shoot and root parts accumulated 10,308.1 and 11,012.0 mg/kg, which were 1.1 times higher than the root parts. At 100 mg/kg cadmium treatment, the shoot and root parts were 176.0 and 287.2 mg/kg, and the root part accumulated 1.6 times higher than the shoot part. As a result of tolerance evaluation of F. ovina var. coreana, multi-tolerance to three heavy metals was confirmed by maintaining growth without dying in all treatment groups of arsenic, lead, and cadmium. Plant extraction (phytoextraction) of F. ovina var. coreana was verified as a species that can be applied up to 2,000 mg/kg of soil lead contamination. 본 연구는 장기간 중금속 오염에 노출된 폐 석탄매립지에 생육하고 있는 참김의털 (Festuca ovina var. coreana) 종자를채집하고 발아한 유식물을 가지고 온실 재배 실험을 통해 생육특성과 중금속축적능을 평가하고 식물정화법 (phytoremediation )적용가능성을 위해 수행하였다. 참김의털을 온실에서 인공적으로 오염된 토양에서 12 주 동안 재배하였다. 비소처리 인공토양의농도구배는 각각 25, 62.5, 125, 250 mg/kg, 납 농도는 200, 500, 1000, 2000 mg/kg 및 카드뮴의 농도는 각각 15, 30, 60, 100 mg/kg로 처리하여 실험하였다. 비소, 납 및 카드뮴 처리구에서 참김의털의 엽수는 납 처리구 (200, 500, 1000 mg/kg)를제외하고 대조구보다 모두 감소하였고, 지상부의 길이 성장은 비소 처리구 모두 에서 대조구보다 증가하였으나 지하부는 모두감소하였고, 1000 및 2000 mg/kg 납 처리구에서는 대조구보다 증가하였으나 나머지 처리구에서는 대조구보다 모두 감소하였고, 카드뮴 처리구의 경우, 지상부는 대조구보다 모두 증가하였고, 지하부는 모두 감소하였다. 비소 처리구의 경우, 생체량은 모든부위와 모든 농도에서 대조구보다 감소하였고, 200, 500, 1000 mg/kg 납 처리구는 지상부와 지하부 모두에서 대조구보다 생체량이증가하였고, 카드뮴 처리구에서는 지상부와 지하부의 생체량이 대조군보다 모두 감소하였다. 중금속의 처리구 농도가 높아질수록엽수와 식물부위별 생체량은 모두 감소하는 경향을 보였고, 중금속의 처리구 농도가 높아질수록 지상부의 길이 성장은 소폭증가하는 경향이 있으나 지하부는 다소 감소하는 경향이 있었다. 62.5 mg/kg 비소 처리구의 지상부, 지하부의 비소축적농도는9.4 mg/kg와 253.3 mg/kg로 지하부가 26.9배로 축적율이 높았으며 250 mg/kg 비소 처리구의 지상부는 고사한 반면 지하부의비소축적농도는 859.1 mg/kg로 분석되었고, 2,000 mg/kg 납 처리구에서 지상부와 지하부는 10,308.1 및 11,012.0 mg/kg로지상부가 지하부의 1.1배 높게 축적되었고, 100 mg/kg 카드뮴 처리구에서 지상부와 지하부는 176.0 및 287.2 mg/kg로 지하부가지상부의 1.6배 높게 축적되었다. 참김의털의 내성평가 결과, 비소, 납, 카드뮴의 모든 처리구에서 고사하지 않고 생장을 유지하여3종의 중금속에 다재내성이 확인되었다. 참김의털의 납 오염토양에 대한 식물추출 (phytoextraction)은 납 오염농도 2,000 mg/kg까지적용할 수 있는 식물종으로 검증되었다.