밀의 푸사리움 부패병을 퇴치하기 위한 항진균제로서 니켈 키토산 나노접합체의 적용

Jun 11, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14518(2022) 이 기사 인용

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농업 연구자들은 농업 분야에서 합성 살균제의 적용을 대체하기 위해 항진균 특성을 갖는 잠재적인 생체분자를 추출하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 푸사리움 솔라니(Fusarium solani)로 인한 부패병으로 인해 매년 밀 작물이 심각한 손실을 입었습니다. 키토산과 그 금속 나노 파생물은 광범위한 항진균 특성을 가지고 있습니다. 우리의 학제간 연구는 키토산 나노입자(CNP) 및 상업용 살균제 Mancozeb과 비교하여 Fusarium 밀 부패에 대한 니켈 키토산 나노접합체(NiCNC)의 적용을 다루고 있습니다. CNP와 NiCNC는 UV-Vis 분광 광도법, HR-TEM, FESEM, EDXS 및 FT-IR을 기반으로 특성화되었습니다. CNP와 NiCNC는 모두 곰팡이 성장에 효과적인 것으로 밝혀졌으며, 그 중 0.04 mg/mL의 NiCNC는 적합한 배지에서 성장한 F. solani의 완전한 종료를 보여주었습니다. NiCNC로 처리된 F. solani 분생포자의 미세구조 분석에서는 막 표면의 뚜렷한 손상과 붕괴가 밝혀졌습니다. 형광 현미경 연구에 따르면 NiCNC 노출 시 곰팡이 시스템에서 산화 스트레스가 발생하는 것으로 나타났습니다. 또한, NiCNC는 밀 묘목의 부패병 발병률을 83.33% 감소시켰으며, 이는 줄기의 해부학적 단면 관찰을 통해 추가로 확인되었습니다. NiCNC 적용은 묘목이 스트레스 지수 속성을 통해 평가된 병원체의 부작용을 극복하는 데 도움이 됩니다.

농업과학자들이 경제적으로 중요한 대규모 식량 작물을 파괴하는 곰팡이 질병을 통제하는 것은 지난 수년 동안 큰 도전이었습니다. 곰팡이 병원체는 세계 농업 생산에 심각한 손실을 입혔습니다1,2,3,4. 그러한 해로운 병원체 중 하나가 Fusarium spp.입니다. 광범위한 식물 종에 감염을 유발합니다. 주로 시들음, 머리 마름병, 발 및 뿌리 부패와 같은 질병을 유발합니다5,6. 뿌리 줄기 기부 근처에서 발생하는 밀 발 및 뿌리 썩음병(Triticum aestivum L.)은 유럽, 아시아, 북미 및 호주의 주요 밀 재배 지역에서 막대한 작물 손실을 일으키는 가장 흔한 곰팡이 질병 중 하나입니다7,8, 9,10. Fusarium의 여러 종은 밀, 보리, 귀리 등과 같은 작은 곡물에 대한 식물 병원성 곰팡이로 간주됩니다. 202012년에 발표된 보고서에 따르면 밀에 부패병을 일으키는 Fusarium 종은 거의 9개가 있습니다. Fusarium solani 종은 밀과 같이 경제적으로 중요한 주요 작물에서 곰팡이를 일으키는 가장 널리 퍼진 부패병 중 하나입니다13,14. 밀의 발과 뿌리썩음병은 주로 Fusarium solani와 Fusarium oxysporum에 의해 발생하는 것으로 보고되었습니다15,16. Fusarium 부패의 전염병은 곡물 생산량의 현저한 감소와 품질 장애로 인해 매년 심각한 작물 손실을 초래합니다17. 부패병은 식물의 기부 부분을 공격하고 잎으로의 물과 영양분의 흐름을 차단합니다. 감염되면 여러 종의 Fusarium이 마이코톡신이라는 건강을 위협하는 2차 대사산물을 생성하는데, 이는 식물에 축적되어 섭취하면 인체에 치명적일 수 있습니다18. Fusarium solani 종은 신경독성 화합물인 네오솔라니올의 전구체인 T-2 독소(T = Trichothecene)의 가장 큰 생산자입니다19. 따라서 경제적으로 중요한 주요 작물에서 Fusarium solani 부패를 관리하는 것은 수확량 손실을 최소화하는 데 중요합니다.

최근 몇 년 동안 과학자들은 나노입자(NP) 또는 나노접합체(NC)와 같은 다양한 생체분자를 조작하여 곰팡이 감염을 제어하는 ​​데 사용했습니다20. 몇몇 연구자들은 생체적합성, 생체막에 대한 투과성, 비용 효율성, 낮은 독성 및 친환경적 특성으로 인해 NP 또는 NC 합성에 키토산을 사용해 왔습니다. 과학자들은 키토산이 진균 병원체의 다양한 음전하를 띤 세포 성분에 결합할 수 있는 다가양이온성 때문에 항진균제로 이미 결론을 내렸습니다23,24,25. 키토산을 키토산 나노입자(CNP)로 전환하면 표면적이 증가하고 캡슐화 효율이 높아져 살균 성분으로서의 활성이 증가합니다26. CNP 다음으로 과학자들은 이온성 겔화 방법, 에멀젼 가교 등과 같은 다양한 기술을 통해 나노키토산의 금속 접합체 합성을 시도했습니다.27,28. 그러나 금속성 나노키토산을 유망한 항진균제로 사용한다는 보고는 거의 없습니다. 키토산 및 CNP와 비교하여, 키토산과 결합된 금속성 NP는 크기 및 표면적 증가, 더 많은 양이온성 그룹의 존재, 활성 작용기 및 더 큰 응축 용량과 같은 변경된 구조적 및 기능적 특성으로 인해 더 많은 생물학적 활성을 나타냅니다.