Ⅷ. 병원체에 대한 식물체의 방어기작 1. 유전자에 의해 조절되는 식물체의 방어 및 저항성 기작 2. 기존 구조적 방어 및 화학적 방어 3. 필수요소의 결여를 통한 방어 4. 유도 구조적 방어 및 생화학적 방어 5. 과민성반응에서의 유도생화학적 방어(race-특이적, 단일유전자, R 유전자, 수직)저항성. 6. 식물에 의한 병원균 독소의 해독 7. 병원체에 대한 식물체의 면역 8. 전신적 유도저항성

: 식물체은 다양한 병원체(균류, 세균, 몰리큐트, 바이러스, 선충)에 의해 공격을 받아 손상을 입음에도 불구하고, 많은 식물체는 이러한 공격으로부터 살아남고 잘 자란다. : 일반적으로 식물체는 ① 물리적 장벽으로 작용하여 병원체의 식물체 침입과 식물체로의 전반을 저지하는 구조적 특성과 ② 식물체의 세포와 조직에서 병원체에 유독하거나 식물체에서 병원체의 생장을 저해하는 물질을 생성하는 생화학적 반응을 조합하여 병원체에 대하여 자신을 방어한다. - 이들 구조적 특성과 생화학적 반응의 조합은 기주-병원체의 체계에 따라 다르다. - 동일한 기주와 병원체에서도 그 조합은 식물체의 나이, 공격받은 식물의 기관과 조직의 종류, 식물의 영양상태, 기상요인에 따라 달라진다.

1. 유전자에 의해 조절되는 식물체의 방어 및 저항성 기작 : 병원체 또는 무생물적 요인에 의한 식물제의 저항성 반응의 요인은 식물체와 병원체의 유전물질(유전자)에 의해 조절된다. * 저항성의 개념 : 병원체의 침입을 받은 기주는 병원체에 대하여 저항하며, 병원체의 침입이나 또는 침입 후의 진전을 막으려고 한다. 따라서 발병의 유무나 정도는 병원체의 병원성과 기주의 저항력의 강약과의 상호관련에 의해서 결정된다. P = 병원균의 병원성(pathogenicity), R = 식물의 저항성(resistance) P 〉R → 발병 ⇒ 병원균과 식물과의 사이에는 친화성(affinity, compatibility) P〈 R → 감염되지 않거나 발병하기 어려움 P ＝ R → 일시적인 은폐(masking) 또는 보균상태

그림. 다양한 병원체의 공격에 대한 저항성에 관련한 식물 반응의 유형

* 감염저항성과 확대저항성 - 감염저항성(resistance to infection) → 병원균의 기주 침입과 감염을 저지하는 저항성 = 침입저항성(resistance to penetration) ⇒ 각피침입을 하는 균 : 잎의 큐티클층이 두터우면 침입률이 낮아짐 ⇒ 기공침입을 하는 균(밀줄기녹병균) : 기공이 닫혀 있으면 침입 못함. ⇒ 수공침입세균 : 수공부세포에 돌기형성 예) 벼 흰잎마름병균에 대한 겨풀 속 (Leersia spp.) 식물의 저항성. - 확대저항성(resistance to spread) → 감염이 성립된 후 병원균의 증식과 병의 진전을 양적으로 억제하는 저항성 ⇒ 병반의 직경·면적, 감염으로부터 포자가 다시 형성될 때까지의 시간, 단위병반 면적 위의 포자 수, 포자의 형성을 지속시킬 수 있는 기간 등. → 이들 요인의 작용력의 크기는 품종에 따라 다르며, 여러 가지 요인이 모두 합하여진 다음에 비로소 증식억제작용이 일어난다.

* 형태적 저항성과 생리적 저항성 - 형태적 저항성 → 식물의 형태적 특성 때문에 병원균의 침입이 저지되는 경우 ⇒ 잎의 후막조직이 발달된 밀 품종에 있어서는 줄기녹병균의 여름포자퇴가 커지지 못하고 확대저항으로 작용. - 생리적 저항성 → 식물체 조직 속에 함유되어 있는 성분이나 생체기구에 의해서 병원균의 진전을 억제하거나 혹은 사멸시키기도 함

* 수동적(정적) 저항성과 능동적(동적) 저항성 - 수동적(정적) 저항성(static resistance) → 병들기 전부터 가지고 있는 식물의 성질에 의한 저항성 ⇒ 표피세포의 큐티클이 두꺼운 경우 ⇒ 병원균이 생성하는 효소에 의한 분해가 잘 안 되는 경우 ⇒ 항균성분의 함유 ⇒ 세포의 성분이 병원체의 영양원으로 부적당한 경우 등 - 능동적(동적) 저항성(dynamic resistance) → 식물의 세포 혹은 조직이 병원체에 적극적으로 반응하여 병원체의 침입과 만연을 막으려는 방어반응(defense reaction)

(1) 비기주저항성 - 병원체가 비기주식물과 만나면 식물은 스스로를 방어한다 - 병원체가 비기주식물과 만나면 식물은 스스로를 방어한다 즉, 저항성인 상태(면역)로 존재하고 이를 비기주저항성이라고 하며, 이는 자연에서 존재하는 가장 흔한 유형의 저항성(또는 침입에 대한 방어기작)임 → 사과나무를 침해하는 병원체의 유전적 구성은 토마토, 밀 또는 귤나무를 침해하는 병원체의 유전적 구성이 달라 사과나무를 침해하는 병원체는 사과나무를 침해하나 다른 작물은 침해하지 못함 → 밀을 침해하는 흰가루병균(Blumeria graminis f. sp. tritici)은 보리를 감염하지 않 고, 보리를 침해하는 흰가루병균(B. graminis f. sp. hordei)은 밀을 감염하지 않음    ⇒ 밀 흰가루병균을 보리에 접종하면 병원균의 흡기형성, 식물체의 H2O2 생성, 병원균 부착기 부근의 식물세포벽 비후, 병원균 침입에 대한 반응으로 식물 표피세포가 갑작스럽게 죽는 과민성반응 등이 발견됨.

(2) 부분적, 다수유전자, 양적, 수평저항성 - 식물에는 병원체의 침입을 막는 데 관여하는 유전자가 많이 존재한다. - 식물에는 병원체의 침입을 막는 데 관여하는 유전자가 많이 존재한다. → 식물의 기능을 왕성하게 하는 유전자 → 병원체로부터 식물을 보호하는 데 전적으로 관여하는 유전자.   ⇒ 병원체에 직접적인 독성을 가지는 화학물질의 생성.     ⇒ 병원체가 분비하는 독소를 중화.   ⇒ 병원체에 의해 발생되는 병의 진전을 막거나 억제시키는 구조물의 형성 (식물체 자체에 존재하기도 하고 병원체의 침입에 대한 반응 또는 상처와 같은 무생물적인 용인에 대한 반응으로 유도됨). - 병원체가 기주식물을 침입할 때 유전자가 발현되어 침입에 필요한 물질(효소, 독소 등)이 생성되고 분비되는데, 이에 대하여 식물체는 감염 전 또는 후에 생성되는 독성물질이나 방어 구조의 조합에 의해 부분적 또는 완전한 방어를 함

  → 다양한 방어구조를 지니거나 병원체에 대한 다양한 독성물질의 생성을 위한 식물체의 다양한 유전자가 관여. ⇒ 이러한 유형의 저항성은 다수유전자, 보편적, 양적 저항성으로 알려짐.   ⇒ 이러한 유형의 저항성은 거의 모든 식물이 병원체에 따라 다양한 수준의 저항성을 나타냄으로 부분적, 양적, 수평적, 다수유전자, 포장, 지속적, 또는 미동유전자 저항성으로 알려짐. - 대부부의 식물은 그들의 병원체에 대해 보편적 저항성을 지님. → 비절대기생체(준활물영양성 또는 사물영양성)(Pythium, Phytophthora, Botrytis, Fusarium, Sclerotinia, Rhizoctonia 그리고 대부분의 세균, 선충 등) → 사물영양균인 Alternaria solani에 의한 토마토 겹둥근무늬병의 경우.   ⇒ 다수유전자에 의한 식물-병원체 상호관계에서 저항성품종은 감수성품종에 비해 발병억제관련 단백질[카이틴분해효소(chitinase)나 β-1,3-glucanase 같은 항균성 효소 등] 이 빠르게 생성되고 더 많은 양이 축적되며, 이들 효소는 병원균 세포벽으로부터 과민성반응(HR)을 유도하는 elicitor를 분비하게 함.

(3) Race-특이적, 단일유전자, 저항성 유전자, 수직저항성 - 많은 식물-병원체 조합 특히, 절대기생체(순활물영양체; 노균병균, 흰가루병균, 녹병균), 그리고, Cochliobolus, Magnaporthe, Cladosporium, 세균류, 선충류, virus에 있어서 여러 병원체에 대한 식물의 저항성은 기주식물과 병원체의 서로 상응하는 유전자의 존재에 의해서 결정됨. → 기주식물은 병원균에 대해 한 개 내지 소수의 저항성 유전자(R)를 보유하고 이들 R유전자에 상응하는 비병원성 유전자(A)가 병원체에 존재하면 저항성이 나타남. → 일련의 방어반응에 의해 비병원성 유전자를 지닌 병원체는 침입부위에서 소수의 식물세포를 사멸시키고 결국 자신도 소멸된다. ⇒ 이러한 유형의 저항성을 race-특이적, 과민성, 주동유전자, R유전자, 수직저항성이라 함.

2. 기존 구조적 방어 및 화학적 방어 (1) 기존 방어구조 - 일부 구조적 방어는 병원체가 식물체에 접촉하기 전에 식물체에 존재한다. ① 표피세포를 덮고 있는 왁스 → 잎과 열매 표면에 방수표면을 형성하여 병원체가 부착하여 발아(균류), 증식(세균)을 위한 수막의 형성을 억제. → 표면의 두꺼운 털도 유사한 방수 효과를 나타내어 감염을 감소시킴. ② 큐티클의 양과 질 → 두터운 큐티클은 직접침입을 통해서만 식물체로 침입하는 병원체의 감염에 대한 저항성을 증대시킴. → 큐티클의 두께가 반드시 저항성과 항상 상관이 있는 것은 아님 (병원체의 큐티클 분해효소의 생성능력이 관여).

 - 기주의 각피(cuticle)나 표피세포의 두껍게 발달하면 병원체의 침입이 어려울 때가 있다.     → Puccinia graminis의      ⇒ 소생자가 매자나무의 잎을 침해할 경우 침입의 정도는 잎의 표피세포벽의 두께에 따라 달라진다.      ⇒ 여름포자는 밀이 어릴 때에는 각피를 통한 침입이 용이하지만 성숙한 밀에는 각피를 통해서 침입하지 못함   - 벼의 표피세포벽의 규질화     → 벼도열병     ⇒ 저항성인 품종은 규질화의 정도가 크다. 특히, 기동세포(bulliform cells or motor cell)에서 그 경향이 크다.      ⇒ 토양온도가 낮을 때는 도열병의 발생이 많은데, 이때 이와 비례하여 잎이나 이삭목에도 세포벽의 규질화가 적어진다.

③ 표피세포의 구조(외벽 두께와 강도) → 표피세포의 두껍고 튼튼한 벽은 균류에 의한 직접 침입을 어렵게 하거나 불가능하게 한다. → 병원체가 상처를 통해 표피와 내부조직에 침입해도 이러한 벽을 가진 식물체는 대체로 저항성이다. ④ 기공과 피목의 크기, 위치 및 형태 → 많은 병원성 균류와 세균은 기공을 통해서만 식물체로 들어간다. → 병원체 대부분은 닫힌 기공을 뚫고 들어갈 수 있으나 일부(밀 줄기녹병균)는 기공이 열려져 있을 때만 들어갈 수 있다(낮에 기공이 늦게 열리는 품종은 저항성- 밤에 발아하는 포자의 발아관이 기공이 열리기 전에 이슬의 증발로 말라버림) → 아주 좁은 입구와 넓게 솟아 오른 공변세포를 갖는 기공구조는 일부 세균에 대하여 일부 품종에서 저항성을 가지게 한다.

-  기공을 통해서만 병원체가 기주에 침입하는 경우에는 기공의 발달, 기공의 개폐 등이 발병과 밀접한 관계를 가지게 된다. → 사탕무우갈색무늬병균(Cercospora beticola)     ⇒ 묵은 잎에는 침입하나 어린 잎은 침해하지 못한다(어린 잎에는 기공이 충분히 열려 있지 않기 때문).  → 감귤궤양병(Xanthomonas campestris pv. citri)     ⇒ grapefruit 귤은 감수성이고, mandarin 귤은 저항성     ⇒ mandarin귤은 기공이 좁게 열려 세균이 침입할 기회가 적기 때문     * 병원균의 종류에 따라서는 닫힌 기공을 통해서도 침입하는 것도 있다       ⇒ 밀붉은녹병균(P. recondita)       ⇒ 스트로브잣나무 털녹병균(Cronatium ribicola)

- 세균병에 있어서 수공주변의 돌기에 의한 침입억제     → 벼 흰잎마름병균(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)은 겨풀(잡초)류에 자연 감염을 일으키지만 나도 겨풀에는 발생이 안 된다.      ⇒ 일반 겨풀에는 수공을 통해 침입하나 나도 겨풀에는 수공부 세포에 돌기가 있어 세균의 침입을 교묘히 막기 때문이다. ⑤ 병원체의 진전을 방해하는 두꺼운 벽으로 된 세포로 만들어진 조직 → 침해받은 조직의 세포벽은 두께와 강도가 다양하고 때로는 병원체의 진전을 억제한다. → 화곡류의 줄기에서 발견되는 후벽조직 세포의 다발이나 확장된 부위는 병원균의 진전을 막는다. → 물관, 유관속초 및 엽맥의 후벽조직세포는 ‘모무늬’ 모양의 점무늬병을 일으키는 병원체의 전반을 막는다(엽맥을 가로지르지 못하고 엽맥사이에서만 확산). → 물관의 직경과 크기는 물관병에 대한 저항성과 관련이 있다 (Ophiostoma novoulmi에 의한 느릅나무 시들음병의 감수성)

(2) 기존 화학적 방어: 감염전 물질에 의한 화학적 반응 - 병원체 공격에 대항하는 저항성은 감염 전.후에 식물체 (지상부의 표면이나 뿌리 표면)에서 생성되는 물질에 의존한다. → 어떤 식물 품종은 아무런 구조적 장벽이 없거나 형성되지 않아도 특정 병원체에 대하여 저항성을 나타낸다 (이는 식물체에 의해 발현되는 화학적 성질에 의한 방어기작의 결과임) (a) 식물체에 의해 환경으로 방출되는 inhibitor - 균류에 독성을 나타내는 분비물(fungitoxic exudate). → 토마토와 사탕무      ⇒ 잎 위의 이슬이나 빗방울에 Botrytis와 Cercospora의 포자발아를 억제하는 물질분비.

→ 양파 ⇒ 양파 탄저병균(Collectotricum circinans)에 대하여 백색품종은 감수성, 유색(붉은색)품종은 저항성. ⇒ 유색품종의 마른 껍질에서 phenol 화합물인 protocatechuic acid과 catechol을 분리. ⇒ 물방울이나 토양수분이 존재할 때 이 물질이 액체 속으로 확산되어 병원균의 포자발아를 억제하고 포자를 터뜨려서 감염으로부터 보호. → 해바라기    ⇒ acibenzolar-S-methy(ASM)을 처리하면 녹병균(Puccinia helianthi)의 포자 발아와 부착기의 형성을 억제.    ⇒ 이는 ASM이 식물표면에 courmarins과 다른 종류의 독성 phenol을 분비하게 하여 잎 표면에 있는 포자의 발아와 부착기 형성을 억제.

그림. Collectotricum circinans 에 의해 발생하는 양파 탄저병이 백색 양파에서는 발생하지만, 이 균에 독성을 나타내는 페놀화합물의 일종인 protocatechuic acid과 catechol을 함유한 붉거나 노란 유색양파에서는 발생하지 않는다.

(b) 감염 전부터 존재하는 inhibitor - 고등식물의 성분 속에는 phytoanticipins 라는 항미생물적 물질이 함유되어 있어서 병원미생물의 감염·생육 및 증식 등을 억제. ⓐ 페놀화합물(phenolic compounds)을 포함한 지방산 유사화합물 → chlorogenic acid, tannic acid, coumalin, flavonoid, dienes 등. → 페놀성 성분의 항균성은 주로 polyphenol이나 그의 산화물이 항균성, 병저항성의 원인이 되는 물질. ⇒ 병원균의 대사에 필수적인 phosphorylase나 transaminase의 활성을 저해. ⇒ 산화적 인산화의 탈공여역제로 작용. ⇒ 병원균의 기주체내 생육에 중요한 역할을 하는 pectinase, cellulase의 활성을 강력히 저해. → 감자더뎅이병균(Streptomyces scabies) ⇒ 저항성품종의 괴경에는 클로로겐산이나 caffeic acid의 함량이 높다.

→ 형질전환 토마토의 큐틴단량체(9-hexadecanoic acid)의 증가 ⇒ 흰가루병균 포자의 발아를 억제하여 저항성유도. → 딸기 잎에 존재하는 (+)-catechin ⇒ Alternaria alternata의 포자발아와 부착기의 형성을 억제. ⓑ 유기황산화물 → 파속(Allium)의 식물은 thioether가 들어 있고, 식물이 상처가 나면 불쾌한 냄새를 낸다. ⇒ alliin - (alliinlyase) → allicin(세균·곰팡에 대해 항균적) → diallyl-disulfide * 마늘의 병원균인 Penicillium corymbiferum은 비병원성 Penicillium에 비해 allicin에 의한 생육저해를 받지 않고 오히려 allicin을 유황원으로 이용하여 균사의 생육, 포자의 형성이 촉진된다.

ⓒ saponin (glycosylated steroidal 화합물 또는 triterpenoid 화합물) → 식물계에 널리 분포. ⇒ 항균성 작용기작으로는 생체막에 액정의 형으로 존재하는 sterol과 불용성의 복합물을 만들어 막을 변질시킴(항균성 세포막 분해활성을 가짐). → 토마토의 tomatine * 토마토 흰무늬병균(Septoria lycopersici)은 tomatine을 불활성화 시키는 효소를 분비 → 감자의 α-solanine, α-chaconine ⇒ 병원성이 없는 Helminthosporium carbonum은 α-solanine, α-chaconine에 의해서 생육저해를 받아 감자에 기생하지 못함. * 감자역병균(Phytophthora infestans)은 saponin의 작용점인 막sterol이 존재하지 않아 해작용을 받지 않는다.

→ 귀리의 avenacin ⇒ 밀마름병균(Gaeumannimyces graminis)은 귀리의 뿌리즙액에서 생육이 저해됨 * 귀리마름병균(Gaeumannimyces graminis var. avenae)은 avenacin 분해효소(avenacinase)를 분비하여 병을 일으킴. → 보리의 hordatin A와 B ⇒ 보리의 유묘는 발아 후 5일 정도는 점무늬병균(Cochliobolus sativus)에 대하여 저항성을 나타내나 그 후부터는 저항성이 저하됨. 이는 잎속에 Ca++, Mg++이 축적되어 감수성으로 되는데 이는 저항성 물질인 hordatin A와 B가 Ca++와 Mg++에 의해서 불활성화되기 때문이다.

ⓓ phytocystatins → 저분자단백질의 일종으로 선충의 소화계에서 cysteine proteinases를 억제. ⇒ 식물의 구성성분으로 존재하거나 형질전환으로 도입된 phytocystatins은 암컷 선충의 크기나 알의 수를 감소시켜 뿌리혹선충, 시스트(cyst)선충, 레니폼선충 등에 의한 피해를 효과적으로 방제할 수 있다. ⓔ lectin → 어떤 당에 (글루코스, 만노스 등) 특이적으로 결합하는 단백질로서 많은 종류의 종자에서 높은 농도로 생성되어 균류를 용해시키고 생장을 억제시킴. ⓕ glucanase, chitinase 등과 같은 가수분해효소 → 식물의 표피세포에 존재하면서 병원균의 침입시 병원균의 세포벽 구성성분인 glucan이나 chitin을 분해시켜 감염에 대한 저항성을 나타냄.

3. 필수요소의 결여를 통한 방어 (1) 기주와 병원체 사이의 인식의 결여 - 어떻게 병원체는 접촉하는 식물체가 기주인지 비기주인지를 인식할까? → 식물체의 표피세포에 있는 병원체에 의하여 인식될 수 있는 요소의 결핍으로서 어떠한 형태의 분자나 구조체가 식물과 병원체 사이의 인식에 관여하는지 알려지지 않았지만 (여러 종류의 과당류와 다당류, 단백질 또는 당단백질일 것으로 생각). (2) 독소에 대한 기주 수용체와 감수성 부위의 결여 → 병원체(보통 균류)가 기주특이적 독소를 생성하는 기주-기생체 조합에서, 병징의 원인이 되는 독소는 기주세포에서 특수한 수용체 또는 감수성 부위에 부착하고 반응하는 것으로 생각.    ⇒ 따라서 수용체 또는 감수성 부위가 결여된 식물체는 독소에 대한 저항성으로 남아 병징이 나타나지 않는다.

(3) 병원체에 대한 필수물질의 결여 → 어떤 이유로 절대기생체의 생존에 필수적이거나 어떤 기생체의 감염에 필수적인 물질 중 하나를 생성하지 않는 식물체의 종이나 품종은 그 물질을 요구하는 병원체에 대하여 저항성이다. ⇒ Rhizoctonia는 식물체 속으로 침입균사를 보낼 수 있는 균사뭉치(hyphal cushion)의 형성에 필수적인 물질을 식물체로부터 흡수하여야 한다(순수 배양시 감수성 식물체의 즙액을 배지에 첨가해야만 균사뭉치를 형성).   ⇒ 생장요소를 합성할 수 있는 능력이 상실된 사과나무 검은별무늬병균(Venturia inaequalis)의 돌연변이체는 감염을 일으킬 수 있는 능력이 상실된다(이 돌연변이체를 접종 후 사과나무 잎의 특정 생장요소를 살포하면 생존하고 감염도 일으키지만 생장요소가 외부로부터 공급되는 동안만 감염이 진행됨).   ⇒ 감자 줄기검은병균(Erwinia carotovira)은 환원당의 함량이 높은 감자보다 환원당 함량이 낮은 감자에서 덜 발생한다.

4. 유도 구조적 방어 및 생화학적 방어 기주식물체에 의한 병원체의 인식 - 식물체가 병원체로부터 스스로 보호하기 위하여 유용한 생화학적 방어 및 구조적 방어를 동원할 수 있다면 식물체에 의한 병원체의 조기 인식은 매우 중요하다. → 병원체가 식물체와 물리적 접촉을 하자마자 식물체는 신호분자(elicitor) 즉, 병원체의 존재를 나타내는 분자를 수용하기 시작한다. * elicitor - 병원체에 의해 형성되며, 기주의 반응을 유도하는 분자.

그림. 병원체와 기주세포와의 상호작용의 모식도. 유전적 구조에 따라 식물세포는 구조적 방어(왁스층, 큐틴, 수베린, 페놀화합물, 셀룰로스, 유합조직, 세포벽 단백질) 또는 생화학적 세포벽, 막, 세포질 및 핵 방어작용 등을 포함하여 수많은 방어작용을 한다. 생화학적 방어작용은 폭발적인 산화작용, elicitor, 과민성 세포괴사, 에틸렌, 파이토알렉신, 병원성 관련 단백질(가수분해효소,  β -1,3-glucanase, 카이틴분해효소), 저해제(thionin, 단백질분해효소 inhibitor, thaumatin-like 단백질) 등의 생성이 포함된다.

(a) 병원체 elicitor → 여러 병원체(특히, 균류와 세균)는 그들의 주위에 여러 물질을 분비하는데, 이들은 기주에 의해 병원체를 인식할 수 있는 비특이적 elicitor 역할을 한다.    ⇒ 비특이적 elicitor에는 독소, 당단백질, 탄수화물, 지방산, peptide와 proteases, pectic enzymes와 같은 세포외 미생물적 요소가 포함된다. → 기주식물체에 의한 병원체 인식의 elicitor 역할    ⇒ 여러 기주-병원체 상호관계에서 병원체에서 분비되는 avr유전자 산물, arp유전자 산물, 억제자와 같은 물질.  ⇒ 기주효소가 병원체의 표면을 구성하고 있는 다당류의 일부를 분해시키거나 병원체 효소가 식물체 표면의 다당류의 일부를 분해시키는 경우에서 방출된 다당류의 과당체(oligomer) 또는 단량체(monomer).

(b) 기주식물 수용체 → 병원체 elicitor를 인식하는 기주 수용체의 위치는 세포막 외부나 세포막 위 또는 세포내에서 작용하는 것으로 생각.    ⇒ 화곡류의 흰가루병균인 밀 흰가루병균(Blumeria graminis f. sp. tritici)으로부터 분비되어 elicitor로 작용하는 가용성 탄수화물은 넓은 범주의 화곡류(보리, 호밀, 귀리, 쌀, 옥수수)에 대해서도 elicitor로 작용(방어반응에 관련된 유전자의 발현 + 병원균 침입에 대한 저항성 유도에도 관여).    ⇒ 흰가루병균이 없는 상태에서 elicitor 단독으로는 과민성반응을 유도하지 못하였으나 많은 화곡류에서 thaumatin-유사 단백질의 축적을 유도. (c) 방어기작의 진행 → 일단 elicitor를 인식하고 반응하면 그 식물체는 병원체를 인식한 것이고, 뒤이어 병원체와 병원체의 효소, 독소 등을 방어하기 위한 일련의 생화학적인 반응과 구조적 변화가 세포에서 일어남.    ⇒ 얼마만큼 빠르게 식물체가 병원체를 인식하는가와 빠르게 방어수단을 동원하는가가 병원체의 병진전에 영향을 준다.

(2) 기주방어 제공자에 대한 경고신호의 전달: 신호전달체계 병원체에서 유래되는 elicitor가 기주에 의해 인식되면, 기주에서는 기주세포 단백질과 핵 유전자가 활성화되어 일련의 경고신호가 보내지고 → 그 신호에 의해 병원체 억제 물질이 생성되고 → 병원체에 의해 공격받은 세포부위로 그 생성물이 이동. → 경고물질의 일부와 신호전달체계는 세포내에 있지만 이들 신호는 인접한 세포로도 전달되고, 식물체 전체에 구조적으로 전달된다. → 전달된 신호분자의 화학적 성질은 잘 알려져 있지는 않으나, 여러 가지 분자가 세포 내 신호전달체계에 연루되어 있다.     ⇒ 이중 흔한 신호전달자는 여러 가지 protein kinase, calcium ion, phosphorylase, phospholipase, ATPase, H2O2, ethylene 등이 있음. → 전신저항성이 획득되도록 하는 신호전달체계는 salicylic acid, 식물세포벽에서 방출되는 oligogalacturonide, jasmonic acid, systemin, fatty acid, ethylene 등에 의해서 실행되는 것으로 생각.

(3) 유도 구조적 방어 - 식물에는 계속되는 병원체의 침입으로부터 자신을 방어하기 위하여 어느 정도 성공적인 한 가지 이상의 구조체를 형성. (a) 세포질적 방어반응(cytoplasmic defense reaction). → 만성적인 병이나 공생상태를 유도하는 약한 병원체나 근균과(Mycorrhizae) 같은 균류는 식물세포의 세포질이 균사덩어리를 둘러싸고 핵은 2개로 나누어지는 지점까지 늘어남. → 침입 받은 세포의 일부에서는 세포질은 입자로 되고 조밀하게 되며, 여러 가지 입자 또는 구조체가 세포질 속에 나타나며, 마지막으로 병원체의 균사체는 붕괴되고 침입이 멈춘다.

(b) 세포벽 방어구조(cell wall defense structure). → 세포벽에서 형태학적 변화 또는 병원체에 의해 침입 받게 되는 세포의 세포벽으로부터 유도된 변화. → 이러한 구조의 3가지 주요 형태가 식물 병에서 관찰됨.    ① 비친화성 세균과 접촉하는 유조직 세포벽의 외층이 부풀어 오르고 세균을 둘러싸고 사로잡아 세균의 증식을 방해하는 부정형의 섬유물질의 생성.    ② 세포벽이 여러 가지 병원체에 반응하여 셀룰로스 물질인 것처럼 보이는 것을 형성하여 두꺼워진다(침입에 대한 저항성을 증가시키는 phenol 물질이 종종 섞여있다).    ③ callose 방어돌기(papillae)는 균류 병원균에 의한 침입에 반응하여 세포벽 안쪽에 침적된다(방어돌기의 주기능은 세포손상의 회복 + 병원체의 침입 방어)     ⇒ 방어돌기는 상처가 생긴 후 수분 이내에, 병원균의 접종 후 2-3시간 내에 형성.    ⇒ 세포내강(cell rumen) 속으로 자라는 균류의 균사 말단부는 phenol 물질과 섞이게 되는 callose에 의해 봉해지고 균사주위에 sheath(껍질형태의 부위) 또는 lignituber(목질화된 괴경 모양의 부위) 를 형성

* 막벽의 형태변화와 병원체의 제어 - de Bary(1863)는 곰팡이가 식물의 표피에 접촉하여 침입하려고 할 때, 세포벽의 안쪽이 두꺼워지면서 돌기물로 변하며, 다시 확대되어 침입균사를 둘러싸는 현상을 발견 - 이와 같이 균의 침입부위에 형성되는 돌기물을 papilla, callosity 또는 collar 등으로 부름. → papilla ⇒ 화학성분으로는 lignin, suberin 외에 cellulose, protein, pectin, 고무질, 규소, callos(glucose polymer), peroxidase 등 ⇒ 곰팡이 뿐만 아니라 virus, nematode의 침해를 받은 세포에서도 관찰된다. 또한, 가는 침으로 세포를 상처 내거나 표면활성제의 처리시에도 관찰된다. ⇒ 봉선화, 민들레류, 달맞이꽃, 국화, Lactuca(고들빼기·씀바귀·상치 등) 및 다알리아 등은 균의 침입을 막음

→ 토마토에 비병원균인 벼 도열병균을 접종하면 도열병균의 부착기 형성부위의 세포벽이 두꺼워진다. → 아마의 모잘록병균(Fusarium oxysporum f. sp. lini)의 침해를 받은 아마는세포벽이 두꺼워진다. → 옥수수의 뿌리에 자주날개무늬병균(Helicobasidium mompa)이 침입할 경우 세포벽이 목화(lignify)되어 두꺼워져 침입이 저지된다.

S= sheath HC= 세포질 속의 균사 그림. 세포벽(CW)을 침입하는 균사(H) 주위에 sheath의 형성. 진전하는 균사 그림. 세포벽(CW)을 침입하는 균사(H) 주위에 sheath의 형성. A=부착기; AH=아직 sheath 속에 감싸져 있으면서도 진전하는 균사; HC= 세포질 속의 균사; S= sheath.

코르크층(CL) (c) 조직학적 방어구조(histological defense structure). ① 코르크층(cork layer)의 형성 → 균류나 세균, 심지어 일부 virus나 선충에 의한 감염은 병원체에 의해 분비되는 물질이 기주 식물을 자극한 결과로서, 식물체가 감염부위 주변에 여러 층의 cork cell의 형성을 유도한다. 건전부위(H) 감염부위(I) 코르크층(CL) 그림. 잎의 감염부위(I)와 건전부위(H) 사이의 코르크층(CL)의 형성. P, 코르크형성층(cork cambium) 그림. Rhizoctonia에 감염된 후 감자 괴경에서 cork layer의 형성

→ 코르크층은 병원체에 의한 더 이상의 침입을 억제하고 병원체가 분비하는 독소의 확산을 막는다. ⇒ 병원체를 포함한 죽은 조직은 코르크층에 의해 제한되고 크기와 모양이 뚜렷하게 균일한 괴사병반(점무늬)을 형성한 곳에 남아있게 된다. ⇒ 일부 기주-병원체 조합에서는 괴사조직이 밑에 있는 건전 조직에 의해 외부로 밀리고 허물이 벗겨질 딱지를 형성하여 기주로부터 완전히 병원체를 제거한다. → 고구마의 자주날개무늬병균(Helicobasidium mompa)에 대한 저항성 → 사이프러스나무 궤양병균(Seiridium cardinale)에 대해 저항성식물의 클론은 리그닌화 되고 코르크화된 경계층(4-6겹)을 형성하여 균의 성장을 저지 (그러나, 감수성 클론은 코르크화된 세포가 단지 2-4겹만으로 되어 있고 서로 연결되지 않다).

② 이층(abscission layer)의 형성 → 이층은 여러 가지 균류, 세균 또는 virus에 감염된 후에 핵과류 나무의 어리고 생장이 활발한 잎에서 형성된다. → 이층은 감염된 부위를 둘러싸고 있는 세포의 2개의 둥근 층 사이에서 형성된 틈으로 이 2개의 세포층 사이의 중벽은 잎이 두꺼워지는 동안 용해되고, 나머지 잎으로부터 중앙부위를 완전히 잘라버린다. ⇒ 이 부위는 점차적으로 오그라들어 죽고, 병원체를 보균한 채로 벗겨져 버려 식물체는 나머지 잎 조직을 병원체에 의한 침입과 병원체의 독소분비에 의한 침해로부터 보호

자두나무 복숭아나무 앵두나무잎의 담녹색의 둘레무리 그림. 앵두나무 세균성구멍병에서 병든 잎의 점무늬 주위에 형성된 이층. (A-C) Xanthomonas arboricola pv. pruni에 의한 관상용 앵두나무잎(A)에 낙엽되기 전에 감염부위에 형성된 넓은 담녹색의 둘레무리. 복숭아나무(B)와 자두나무(C)에 형성된 점무늬와 구멍.

③ 전충체(tylose)의 형성 → 전충체는 다양한 stress를 받는 상태에서와 대부분의 유관속 침입 병원체에 의해 침입 받는 동안에 물관속에 형성된다. → 전충체는 수(pith)를 통해 물관속으로 돌출된 인접의 살아있는 사부 유세포의 원형질체가 비정상적으로 자란 것이다. ⇒ 셀룰로스벽을 가지는 전충체는 크기가 커지고 수가 많아져 물관 전체를 폐색시킴 ⇒ 병원체가 어린 뿌리에 있는 동안 전충체는 병원체에 앞서 다량으로 빠르게 형성되면서 병원체의 진전을 차단시킴(이런 품종은 병에 대해 저항성) ⇒ 전충체가 있더라도 병원체에 앞서서 전충체가 형성되지 않는 품종은 병에 대해 감수성임.

건전한 물관 전충체를 가진 물관 PP= 천공판; V= 물관; XP= 목부유세포; T=전충체 그림. 물관 속의 전충체의 발달 건전한 물관(왼쪽)과 전충체를 가진 물관의 종단면(A)과 횡단면(B) 오른쪽의 물관은 전충체로 완전히 폐색되었다.

④ 검물질(gums)의 침전 → 병원체나 상처에 의해 감염된 후에 생긴 병반 주위에는 많은 식물체에 의해 다양한 종류의 검물질이 생성된다. → 검물질의 분비는 핵과류 나무에서 흔하지만 대부분의 식물체에서 발생한다. → 검물질의 방어적 역할은 ⇒ 검물질이 세포간극과 감염부위를 둘러싼 세포 내에서 빠르게 침전되고, ⇒ 병원체를 완전히 에워싸서 통과할 수 없는 장벽을 만들고, ⇒ 병원균은 격리되고, 굶주리며, 곧 죽게 된다. → 고무물질이나 수지(나무진)의 분비

(d) 괴사적 방어반응(necrotic defense structure) 또는 과민성반응(hypersensitive defense structure)을 통한 방어 - 과민성반응(hypersensitive reaction; HR)은 생화학적 방어기작의 일종. → 병원체가 침입하였을 때, 기주세포가 급속히 반응을 일으켜 급사하는 동시에, 이에 따라 병원체의 생육도 저지되거나 불활성화되는 현상. → 많은 기주-병원체 조합에서 병원체가 세포와 접촉하자마자 핵은 침입한 병원체를 향하여 이동하여 곧 붕괴되고, 갈색의 검물질 같은 입자가 세포질에서, 먼저 병원체 주위에 형성되고, 동시에 갈색의 수지형상의 입자 (resin-like granule)가 세포질에 형성되는데, 먼저 병원체가 침입한 지점에서 형성되고 나서 세포질 전체에 형성된 후 세포질이 변색되면서 침입균사가 분해되기 시작한다. → 처음에는 순활물 기생균(obligate parasite)에 의해서만 일어나는 기주반응으로 생각되었으나 그 후 감자역병, 사과나무 검은별무늬병 등 임의 부생균 (facultative saprophyte)에 의한 병에서도 알려짐. → HR 동안에 싱호전달물질과 신호전달체계가 발현되는데, 이는 국부적, 전신적 유도저항성의 도약점으로 기여

- 과민성 반응이 일어나는 것 중에는 phenol 물질의 축적이나 산화반응과 연관이 있는 것도 있다. → 페놀산화효소(phenoloxidizing enzymes)의 작용. → 과민성 반응은 세포 내에서의 산화 및 환원과정 중 균형이 깨졌을 때 일어남 과민성 반응이 일어나는 특징 → 반드시 살아 있는 미생물이나 활성이 있는 virus에 의해서만 반응이 유도됨. → 기주와 병원체 사이의 불친화성을 이루고 있을 때 일어남. → 감염 초기에는 저항성 품종 내에서나 감수성 품종 내에서 병원체가 똑같은 비율로 증식 → 감수성 품종은 특이한 병징을 나타내는 데 반해서, 저항성 품종은 감염 초기에 반응을 보인다.

제 1기 : 침입균사가 침입하기 시작한 직후(기주세포의 핵이 침입부로 옮겨지고 → 감자역병의 과민성반응단계 제 1기 : 침입균사가 침입하기 시작한 직후(기주세포의 핵이 침입부로 옮겨지고 원형질 운동이 활발해짐. 제 2기 : 기주세포의 원형질은 공 모양으로 되고, 기주반응이 활발하게 되는 시기 (세포질이 브라운 운동을 일으키고 균사 주변부에는 과립상, 막대모양 또는 공모양의 세포과립이 나타남. 병세가 더해감에 따라 그 수는 증가됨). 제 3기 : 기주세포의 원형질은 섬유처럼 되며, 갈변화가 시작되는 시기 (세포 내용물은 황변되기 시작하고 과립체는 브라운 운동을 계속함. 제 4기 : 기주세포는 현저한 과민성반응을 보이며, 기주세포, 병원균 모두 함께 생육에 해를 받는 시기 (세포벽에는 tannin과 같은 물질이 침착되어 갈변되는데, 이때 감염세포는 파괴되고 수분이 없어져 과민괴사가 시작됨) (세포질 안의 브라운 운동도 정지되고, 세포 내용물은 담갈색으로 되어 결국 괴사) 제 5기 : 괴사(necrosis)의 상태로 감염된 세포는 죽고 병원균의 균사도 죽는 시기.

핵 균사 원형질 가닥 과립상 물질 괴사된 세포 그림. Phytophthora infestans에 의해 감염된 고도 저항성 감자품종의 세포 속에서 괴사방어기작의 발달 단계. N=핵; PS=원형질 가닥; Z=유주포자; H=균사; G=과립상 물질; NC=괴사된 세포(Tomiyama, T. 1956. Ann. Phytopathol. Soc. Jpn. 21:54-62).

Hrp유전자 결핍 물 국부병반을 일으키는 바이러스 세균 균주 B, C 그림. (A) 국부병반을 일으키는 바이러스 계통을 즙액접종한 후 저항성인 동부 품종의 잎에 발현된 과민성 반응. 바이러스는 병반에 국한되어 있다. (B) 물(A) 또는 세균 균주 B, C, D를 주사한 24시간 후 전형적인 과민성 반응 부위(밝은 부위)을 나타내는 담배 잎. 담배에 감염되지 못하는 균주(B)와 hrp(과민성반응과 병원성)유전자를 발현하는 균주(C)에서 과민성반응이 나타나지만, hrp유전자가 결핍된 균주(D)에서는 과민성반응이 나타나지 않는다.