The spatial, temporal, nutritional, and microbe inoculational effects on microbial community structure and function in the symbiotic association with common bean (Phaseolus vulgaris var. vulgaris) were investigated at phenotypic and genotypic levels. A culture-independent DGGE analysis of PCR amplified 16S rRNA, nifH, or nodA gene fragments in extracted DNA from soil and plant showed the bacterial community structure and dynamics depended on habitats (rhizosphereㆍrhizoplane, endorhizosphere, bulk soil, unplanted soil, and phyllosphereㆍphylloplane), plant age (3 and 6 weeks), nutritional status (carbon and/or nitrogen source supply), microbe inoculation (legume-planted soil adding as microbial source) conditions. And these were considered relating to their functions in the ecosystem by the characterization of physicochemical properties of soil and plant; the measurement of acetylene reduction (nitrogen fixation) and root nodulation activity; the cultivation of nitrogen fixing and root nodulationg bacteria; and the observation of microbes near the plant using SEM and fluorescence microscope. The cluster analysis of DGGE band profiles revealed that the rhizosphere effect became weak whereas overall plant effect became strong as plant grew, and, in temporal dynamics, the spatial specificity was increased whereas whole bacterial community size was not changed. And endophytes in root and leaf were limited and similar. Sequence analysis of selected DGGE bands and cellulose-degrading isolates revealed rhizosphereㆍrhizoplane were dominated by sphingobacteria (Flexibacter group), while endorhizosphere and phyllosphereㆍendophyllosphere were dominated by actinomycetales in common. External nitrogen source affected the nifH gene diversity, and external carbon source made the plant-microbe interaction weak by substituting for the plant role. Generally, the effect of external carbon source was stronger, and functional gene diversity was more specific. Nitrogen fixing bacteria were more sensitive to environmental changes than root nodulating bacteria. And the symbiosis was established well in the condition of poor nutrition and microbe uninoculation. These results, coinciding with the result of nifH and nodA gene detection in the phytosphere samples, mean the legume had a synergistic effect on the survival of naturally occurring bacteria, provided a competitive advantage for the beneficial symbiotic bacteria selectively, and enhanced the stability of them.
강낭콩 (Phaseolus vulgaris var. vulgaris)과의 공생관계에 있어서, 시간적, 공간적, 영양적, 그리고 미생물 접종 조건 등에 따라 미생물의 군집 구조와 기능이 어떻게 달라지는지 표현형과 유전자 수준에서 살펴보았다. 흙과 식물에서 추출한 16S rRNA, nifH, nodA 유전자 부분을 PCR로 증폭하여, 미배양 기술인 DGGE로 분석한 결과, 미생물 서식지 (근권과 뿌리 표면, 뿌리 내부, 근권이 아닌 흙, 식물이 없었던 흙, 엽권과 잎 내부), 식물 나이 (3 주와 6 주), 영양공급조건 (탄소원과 질소원), 미생물 접종 여부 (콩과 식물을 키웠던 흙 첨가 여부) 등에 따른 미생물 군집 구조와 변화를 관찰할 수 있었다. 그리고 미생물들이 이러한 환경 조건에서 실제로 어떠한 기능을 하는지, 흙과 식물의 물리화학적 특성, 아세틸렌 환원 (질소고정)과 뿌리혹 생성 능력 등을 측정하고, 질소고정 세균과 뿌리혹 세균 배양, 주사전자현미경과 형광현미경을 이용한 식물 주위의 미생물 관찰 등을 통하여 함께 살펴보았다. DGGE 밴드 패턴의 유사성 분석을 통하여 식물이 성장할수록 식물의 전체적인 영향은 증가하는 반면 근권의 영향은 감소하는 것을 알 수 있었으며, 전체 세균 군집의 크기에는 큰 변화가 없지만 공간적 특이성은 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 잎과 뿌리 내부에 있는 내생균은 제한적이고 서로 비슷한 것으로 나왔다. 일부 DGGE 밴드와 순수 분리된 셀룰로스 분해균들의 염기서열 분석 결과, 근권과 뿌리 표면에는 sphingobacteria (Flexibacter group)가, 뿌리 내부와 잎 내부를 포함한 엽권에서는 공통적으로 actinomycetales가 우점종인 것을 알 수 있었다. 외부에서 공급하는 질소원은 특히 nifH 유전자 다양성에 영향을 주었으며, 외부의 탄소원은 식물의 역할을 대신함으로써 식물과 미생물과의 상호작용을 약화시키는 것처럼 보였다. 일반적으로, 질소원보다 탄소원의 영향이 더 컸으며, 기능적 유전자의 다양성이 더 특이적이었다. 또 질소고정 세균이 뿌리혹 세균보다 환경 변화에 더 민감한 것으로 관찰되었다. 공생관계는 영양공급이 적거나 미생물을 접종하지 않았을 때 더 잘 일어났다. 이러한 결과들과 식물권 내의 nifH와 nodA 유전자 검출 결과를 종합해 보면, 콩과 식물은 자연적으로 생기는 미생물의 생장과 시너지 효과가 있으며, 유용한 공생 미생물에게 선택적으로 경쟁적 우위를 주고, 그들의 안정성을 강화시키는 것으로 생각된다.
