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배추 작부체계에 따른 세균 및 곰팡이 군집의 다양성은 다양성을 나타내는 3개 지표를 사용하여 Fig. 5.에 나타내었다. 세균과 곰팡이 군집 모두 이어짓기와 비교하여 돌려짓기 시험구에서 더 높은 다양성을 나타냈으며, 세균 군집의 경우는 작부처리와 상관 없이 작물의 재배 후 다양성이 감소하는 경향을 보였는데, 특히 이어짓기 처리구에서 유의하게 낮은 다양성을 보였다. 곰팡이 군집의 경우 세균 군집과 비교하여 편차가 큰 편으로 처리 간 유의성은 없었으나 군집 구성원들의 풍부도를 고려한 Simpson 지표에서 돌려짓기 및 이어짓기 미생물군집의 반복 간 편차가 감소하여 작물의 재배와 작부의 영향을 받는 곰팡이 미생물군집이 있음을 추측할 수 있었다. 작물의 재배와 작부처리가 미생물군집 구성에 유의한 영향을 주는 것은 PCoA 분석 결과를 통해서도 알 수 있다(Fig. 6.). PCoA 분석 결과 작물의 재배 및 작부처리에 따라 세균군집에서는 PC1이 86.24%, PC2가 4.5%, PC3가 2.79%의 설명력을 보였으며, 곰팡이 군집에서는 PC1이 43.19%, PC2가 18.92%, PC3이 13.72%의 설명력을 보이며 각 처리의 미생물군집의 구성원과 풍부도를 고려하였을 때 집단화되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. 
The comparisons of bacterial(A) and fungal(B) diversity according to cropping systems (ANOVA, NS: no significance, *p-value < 0.05, **p-value < 0.01).

Fig. 6. 
The PCoA analysis of two cropping systems according to bacterial(A) and fungal(B) communities (weighted unifrac).

토양의 미생물군집은 여러가지 요인의 영향을 받으며, 작부체계가 작물의 토양 미생물군집에 미치는 영향에 대해서 밀(Town et al., 2022), 쌀(Lu et al., 2018), 옥수수(Benitez et al., 2017), 수수(Oberholster et al., 2018), 토마토(Samaddar et al., 2021), 유채(Town et al., 2023) 등을 포함한 다양한 작물에서 연구가 수행되었다. 작부체계에 따른 미생물 군집 연구는 장기적으로 돌려짓기를 수행했을 때의 토양 미생물군집의 변화(Lu et al., 2018; Town et al., 2022), 전작물의 종류에 따른 미생물군집의 비교(Benitez et al., 2017; Samaddar et al., 2021), 그리고 작부체계 뿐 아니라 재배 지역과 토성이 다른 경우(Oberholster et al., 2018; Town et al., 2023) 등 다양한 요인을 고려하여 연구가 수행되었다. 그 결과, 대부분의 경우 세균과 곰팡이 군집 모두에서 미생물 다양성 수준은 작부처리에 따른 유의한 차이를 찾기 어려워 본 시험의 결과와 일치하는 경향을 보였다. 그러나 다양성 수준이 작부처리에 따라 유의한 차이가 나지 않을지라도 작부처리가 비근권토양 및 근권토양의 미생물 군집 구성에 유의한 영향을 준다고 위 연구들에서 보고되었다.

배추 작부처리에 따른 미생물군집의 특성을 비교한 선행연구에서도 돌려짓기 작부가 근권 토양의 미생물군집의 구성에 유의한 영향을 준다고 보고되어 본 연구의 결과와 일치하는 경향을 보였다(Bak et al., 2022; Jinhao et al., 2022). 선행연구에서는 화분에서 작물을 재배하여 배추 생육기에 따라 근권 토양의 미생물군집을 분석한 결과 배추 이어짓기 처리구보다 콩, 감자와 돌려짓기 처리구에서 세균과 곰팡이 군집 모두 유의하게 높은 미생물 다양성을 나타내었다(Bak et al., 2022). 본 시험은 재배 기간 내내 특정한 병의 발병을 관찰할 수 없었던 일반 농경지 포장에서 배추를 수확하고 6개월 이상이 지난 후 비근권 토양을 채취하여 수행되었기 때문에, 작물의 영향보다는 환경의 영향을 더 많이 받았을 것으로 생각이 된다. 선행연구와는 다르게 곰팡이 군집에서 작부처리에 따른 미생물 다양성의 유의한 차이를 확인하기 어려웠던 것도 위 요인과 관련이 있을 것으로 생각된다. 그러나 곰팡이 군집에서도 이어짓기 시험구와 비교하여 돌려짓기 시험구에서 높은 다양성을 보였기 때문에 배추를 장기적으로 재배할 경우 이어짓기와 비교하여 돌려짓기 시험구에서 더 높은 미생물 다양성을 근권토양 뿐 아니라 비근권 토양에서도 관찰할 수 있을 것으로 판단된다.

8년 간 배추를 이어짓기하였을 때와 콩과 돌려짓기하였을 때의 토양 세균 및 곰팡이 미생물 군집을 분석하였다. 그 결과 세균 군집에서는 작물을 재배한 후 작부처리와 상관 없이 Acidobacteriota, Bacteroidota, Pseudomonadota, Verrucomicrobiota가 감소하고 Actinomycetota, Bacillota, Planctomycetota가 증가하였으며, 특히 이어짓기 처리에서는 Chloroflexota가 높은 상대풍부도를 보였으며, 돌려짓기 처리에서는 Pseudomonadota가 높은 함량을 보였다(Fig. 7A.). 곰팡이 군집에서는 작물을 재배하였을 때 작부처리와 관계 없이 Sordariomycetes, Mortierellomycetes가 감소하고 Eurotiomycetes가 증가하였으며, 돌려짓기처리에서는 이어짓기 처리구보다 약 5배 높은 Dothideomycetes를 확인할 수 있었고, 이어짓기 처리에서는 Eurotiomycetes와 Agaricomycetes가 돌려짓기 처리구와 비교하여 약 3배 높은 비율을 차지하고 있었다(Fig. 7B.).

Fig. 7. 
The relative abundance of bacterial(A) and fungal(B) communities according to cropping systems described in phylum and class level, respectively.

토양 내 유기물 수준은 미생물군집에 중요한 영향을 주는데(Pankaj et al., 2017), 유기물 함량이 낮을수록 Acidobacteria, Chloroflexi, 그리고 Verrucomicrobia와 같은 oligotrophic bacteria가 증가하고, 유기물 함량이 높으면 Proteobacteria, Bacteroidetes, Actinobacteria와 같은 copiotrophic bacteria가 증가한다고 알려져 있다. 또한, 자연상태의 토양과 비교하여 농경지 토양에서는 곰팡이 군집의 Ascomycota가 증가하고 Basidiomycota가 감소하였다(De Castro et al., 2008).

본 시험에서는 비록 퇴비는 투입하지 않아 시험 전과 비교하여 유기물 함량이 크게 증가하지는 않았으나, 작물을 재배한 시험구들은 매년 경운을 수행하였고, 토양 화학성 분석 결과에 기반하여 계산된 화학비료가 투입되었으며, 재배 작물의 잔재물을 일부러 남겨두지는 않았으나 작물이 생장하면서 식물의 뿌리나 잎 등이 자연스럽게 토양 내에 투입이 되었다. Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, 그리고Bacteroidetes는 최근에 각각 Pseudomonadota, Bacillota, Actinomycetota 그리고 Bacteroidota로 이름이 바뀌었기 때문에(Robitzski, 2022) 선행연구 결과와 본 시험의 결과를 비교할 때 이를 고려하여 고찰을 수행하였다.

본 시험 결과에서는 작부체계와 상관없이 8년의 작물 재배 후 copiotrophic bacteria로 알려진 Pseudomonadota, Bacteroidota, Actinomycetota중 Actinomycetota만 증가하였고, Pseudomonadota와 Bacteroidota는 감소하였다. 곰팡이 군집에서는 농경지에서 증가한다고 알려진 Ascomycota에 속하는 Eurotiomycetes와 Sordariomycetes가 상반된 결과를 보였는데, 작물 재배 후 Eurotiomycetes는 증가하였으나 Sordariomycetes는 감소하였다. 본 시험은 선행연구들과 다른 환경과 다른 작물을 이용하여 수행되었으며, phylum과 class 수준에서의 분석은 다양한 미생물들을 포함하고 있기 때문에 일부 결과는 선행연구와 일치하였으나 일부 결과는 선행연구 결과로 설명하기 어려운 부분이 있으므로, 추가적으로 genus와 species 수준으로 분석을 수행하여 미생물군집의 차이를 비교하고자 하였다.

Indicator taxa analysis를 통해 각 작부 처리에서 통계적으로 유의하게 높은 풍부도를 보이는 ASV들을 확인할 수 있었는데, 이어짓기 처리구에서는 3개의 세균 ASV와 4개의 곰팡이 ASV가 선발되었고, 돌려짓기 처리구에서는 5개의 세균 ASV와 9개의 곰팡이 ASV가 선발되었다(Table 2). 이어짓기 시험구에서 선발된 7개의 ASV들 중 특히 Ktedonobacter racemifer, Penicillium 속에 속하는 ASV, 그리고 Fusarium oxysporum이 돌려짓기 시험구와 비교하여 높은 상대 풍부도를 보여 배추 이어짓기와 관련이 큰 미생물들일 가능성이 높음을 추측할 수 있었다. 돌려짓기 시험구에서는 곰팡이 군집의 경우 동정이 되지 않은 몇몇 ASV들이 확인이 되었으나 Pseudarthrobacter phenanthrenivorans, Emericellopsis minima가 높은 상대 풍부도를 보여 콩과의 돌려짓기 작부가 이들과 관련이 있을 것으로 판단이 되었다.

이어짓기 작부의 indicator로 선발된 Ktedonobacter racemifer는 화분에서 배추를 7번 연속 재배한 Bak et al.,(2022)의 연구에서도 Ktedonobacteraceae family가 배추 이어짓기 시험구의 근권 토양에서 유의하게 높은 풍부도를 보여 배추를 연속해서 재배할 경우 근권 및 비근권 토양에서 증가할 가능성이 높다고 생각된다. 그러나 선행연구의 곰팡이 군집 분석 결과 본 시험의 이어짓기 시험구에서 높은 상대풍부도를 보인 Fusarium oxysporum과 Penicillium 속의 유의한 증가를 확인할 수 없었다.

비록 모든 Fusarium oxysporum이 병원성인 것은 아니지만 F. oxysporum에 속하는 몇몇 strain들은 배추에서 시들음병을 유발하는 병원균으로 배추를 이어짓기하였을 때 밀도가 증가하여 병 발생이 증가한다고 보고된 바가 있다(Moon et al., 2001). 그러므로 본 연구에서 F. oxysporum이 이어짓기 시험구에서 유의하게 증가하여 indicator로 선발된 결과는 선행연구와 일치하는 결과로 생각된다. 그러나 Penicillium 속이 Fusarium 속과 함께 배추 이어짓기 시험구의 indicator로 선발된 본 연구 결과는 땅콩, 토마토 등에서 Penicillium 속이 병원성 Fusarium을 억제한다고 보고한 몇몇 선행연구들과(Sabuquillo et al., 2009; Li et al., 2020) 일치하지 않는 결과로 Penicillium이 배추의 연속 재배와 관련이 있는지 판단하기 위해서는 추가적인 시험과 분석이 필요할 것으로 생각된다.

콩과의 돌려짓기 시험구의 indicator로 선발된 Pseudarthrobacter phenanthrenivorans와 Emericellopsis minima에 대해서 콩을 재배하는 농경지와 관련된 선행연구는 현재까지는 보고되지 않았으나 creosote로 오염된 토양에서 분리된 P. phenanthrenivorans Sphe3가 페놀의 생분해능이 있다고 보고가 되어(Asimakoula et al., 2023) 본 연구에서 콩돌려짓기 작부의 indicator로 선발된 P. phenanthrenivorans도 농경지 내 유기물 분해와 관련이 있을 가능성을 시사하였다.

작부체계에 따른 core ASV들의 풍부도를 비교한 결과도 indicator taxa analysis의 결과를 뒷받침하였다(Fig. 8.). Core ASV 분석은 특정 처리 뿐 아니라 샘플 전체를 고려하였을 때 우점적으로 존재하는 ASV들을 세균과 곰팡이 군집에서 각 12개, 13개를 선발하여 작부처리에 따라 풍부도의 차이가 있는지를 분석하였다. 그 결과 세균의 core ASV 분석(Fig. 8A.)에서는 Ktedonobacter racemifer가 배추 이어짓기 시험구에서 돌려짓기 시험구나 시험 전 토양보다 상당히 높은 풍부도를 보임으로써 indicator 분석결과와 일치하였다. 콩과의 돌려짓기 시험구에서는 Bradyrhizobium stylosanthis가 이어짓기 시험구와 비교하여 높은 풍부도를 보였다.

Fig. 8. 
Heatmap of bacterial(A) and fungal(B) core ASVs according to cropping systems (bacterial core ASVs were selected with 0.002 of detection and 0.5 of prevalence, fungal core ASVs were selected with 0.008 of detectino and 0.5 of prevalence).

Morris et al.(1998)의 연구에서는 콩의 뿌리에서 분비되는 isoflavones의 영향으로 콩의 근권에는 Bradyrhizobium japonicum 이 발견되며, 콩 근권의 핵심 미생물 군집을 분석한 선행 연구에서도 Bradyrhizobium genus에 속하는 OTU가 콩의 근권 미생물 군집에서 높은 비율을 차지하고 있다고 보고하여(Lee et al., 2015) Bradyrhizobium genus가 콩과 밀접한 연관이 있음을 시사하였다.

곰팡이 군집의 core ASV 분석 결과에서는 데이터베이스가 아직까지는 부족하여 상당 수의 ASV들이 동정이 되지 않아 추후 데이터베이스가 갱신됨에 따라 다시 분석을 해 볼 필요가 있다고 판단된다. 현재의 데이터베이스를 토대로 core ASV 분석을 수행한 결과 선발된 ASV들 간에서는 작부체계에 따른 눈에 띄는 차이를 보이지 않았으나(Fig. 8B.), 13개의 ASV들 중에 Chaetomiaceae Family에 속하는 ASV가 4개나 확인되었고, 배추, 양배추, 브로콜리 등에서 병을 일으키는 병원균으로 알려져 있는 Olpidium brassicae를 확인할 수 있었으며, 이어짓기 시험구의 indicator로 선발되었던 F. oxysporum 도 core ASV로 선발되어 이어짓기 시험구에서 돌려짓기 시험구보다 약간 높은 풍부도로 존재함을 확인할 수 있었다.

F. oxysporum은 indicator taxa analysis에서도 이어짓기 시험구에서 약 8% 정도 상대 풍부도로 약 4%인 돌려짓기 시험구보다 2배 가까이 높은 상대풍부도를 보였다. 본 연구결과에서는 작부처리에 따른 O. brassicae의 풍부도의 유의한 증가를 확인하지는 못했으나 배추와 같은 십자화과로 알려진 유채에서도 이어짓기를 하였을 때 O. brassicae가 유의하게 증가하였다는 보고가 있어(Hilton et al., 2013; Bennett et al., 2014) 보다 장기적으로 배추를 이어짓기할 경우 토양 내 밀도가 증가할 가능성이 높다고 판단된다.

장기적인 관점에서 돌려짓기 재배는 이어짓기 재배와 비교하여 근권 토양에 유용한 미생물이 구성되어 토양 내 양분 순환 등을 보조할 수 있기 때문에 적절한 조합의 돌려짓기 작부는 작물이 이용할 수 있는 양분의 이용도를 증진시켜 작물의 생산성을 증가시킬 수 있다고 알려져 있다(Ryan et al., 2009; Guiñazú et al., 2010). 본 연구에서도 4번의 배추 생산성 조사 시기 중 한 번만 돌려짓기 시험구에서 유의하게 높은 수량을 보였으며, 나머지 세 번의 조사 시기에서도 유의성은 없었으나 돌려짓기 시험구에서 높은 수량을 보였다.

두 작부처리의 미생물군집 비교 결과 콩과의 돌려짓기 작부에서 콩과 연관성인 높은 것으로 추측되는 Bradyrhizobium stylosanthis가 돌려짓기 작부의indicator 로 선발되었으며, B. stylosanthis는 질소 고정 공생균으로 알려져 있어(Delamuta et al., 2016) 돌려짓기 작부에서의 배추의 높은 생산성에 기여하였을 것으로 생각된다. 또한, 시험 기간 동안 특별한 병의 발생은 확인할 수 없었으나 배추 이어짓기 시험구에서 F. oxysporum의 밀도가 유의하게 증가하여 이어짓기 시험구에서 추후 토양 전염성 병의 발병으로 배추 재배에 어려움을 겪을 수 있음을 시사하였다.