커피는 세계에서 가장 널리 소비되는 음료 중 하나이며 전 세계적으로 가장 많이 거래되는 상품 중 하나이다. 주요 커피 생산 국가는 브라질, 베트남, 콜롬비아이며, 유럽 연합과 미국이 전 세계적으로 가장 큰 소비 및 수입 시장이다 (FAO 2022). 두 가지 재배종인 Coffea arabica L. (Arabica)과 Coffea canephora Pierre ex A. Froehner (Robusta)는 2020년 평균적으로 각각 세계 커피 생산량의 약 60%와 40%를 차지했다 (ICO 2020).
C. arabica는 고지대에서 주로 재배되며 쓴맛이 적고 향이 좋으며 카페인 함량이 낮아 소비자가 선호한다.
C. canephora는 열대간 저지대에 더 적합하며 쓴맛이 더 강하고 카페인 함량이 더 높은 것이 특징이다 (Lécolier et al. 2009).
커피는 다른 작물과 마찬가지로 질병을 비롯한 여러 요인의 영향을 받아 상당한 수확량 손실을 초래할 수 있다. 더욱이, 기후 변화와 세계 무역 증가로 인해 여러 병원체의 지리적 분포가 확대되고 있다는 명확한 증거가 있다 (Nnadi and Carter 2021). 질병을 통제하는 방법에는 화학적, 생물학적 방제부터 좋은 작물 재배 방법에 이르기까지 여러 가지가 있다. 그러나 질병 저항성을 위한 육종이 가장 효율적이고 지속 가능한 질병 통제 전략으로 간주된다 (Silva et al. 2022 and references therein).
가장 흔한 커피 질병에 대한 간략한 설명에 이어, 이 리뷰에서는 주로 병원체 감염, 병원체 유전적 다양성 및 개체군 역학, 식물 방어 메커니즘과 관련된 커피잎녹병(CLR) 연구의 발전에 중점을 둔다. 이 지식은 내구성 있는 저항성을 위해 효율적으로 번식하고 혁신적인 작물 보호 접근 방식을 고안하기 위한 정보 기반으로서 매우 중요하다.
식물 질병은 감수성 숙주 식물, 독성 병원체, 유리한 환경 조건 사이의 상호 작용으로 인해 발생한다 (Agrios 2005). 곰팡이, 박테리아, 바이러스로 인한 질병(Table 1)은 커피 생산을 제한하는 주요 요인이다. Maghuly et al. (2020)에 따르면 전 세계 연간 커피 생산량의 약 26%가 질병으로 인해 손실되어, 전 세계적으로 약 1억 2,500만 명의 소득을 위협하고 있다.
▣ Coffee Leaf Rust
생물영양 기생 곰팡이균(biotrophic fungus)인 Hemileia vastatrix Berkeley & Br. (phylum Basidiomycota, class Pucciniomycetes, order Pucciniales)에 의해 발생하는 Coffee leaf rust (CLR)는 아라비카 커피에 영향을 미치는 주요 질병이다 (Talhinhas et al. 2017; Silva et al. 2022 and references therein). 연간 10억 달러 이상의 손실을 초래한다 (Kahn 2019).
CLR은 1861년 빅토리아 호수(동아프리카) 근처에서 처음 기록되었지만, 첫 번째 대규모 발생은 1869년 실론(현재 스리랑카)에서 발생했으며, 이는 이 나라에서 커피 재배가 근절되고 파괴적인 사회적, 경제적 결과를 초래했다. 오늘날 CLR은 모든 커피 재배 지역에 존재한다 (Wellman 1952; Rodrigues Jr. et al. 1975; McCook and Peterson 2020; Keith et al. 2021).
지난 10년 동안 "the big rust"로 알려진 CLR의 전염병 부활은 라틴 아메리카와 카리브해 전역의 여러 국가에 강력한 경제적, 사회적 영향을 미쳤다 (Baker 2014; Avelino et al. 2015). 더욱이, CLR은 이전에 감지되지 않았던 더 높은 고도의 지역, 즉 중앙 아메리카의 1,000~1,100m 이상, 콜롬비아의 1,600m 이상으로 분포 영역을 확장한 것으로 보고되었다 (Rozo et al. 2012; Avelino 외 2015). 이는 대부분의 커피 농부와 노동자의 커피 생산에 대한 의존도가 높기 때문에 식량 안보 문제로 이어졌다 (Avelino et al. 2015). “the big rust”가 H. vastatrix의 새로운 독성 진화로 인해 발생했다는 증거는 거의 없다. 오히려 보다 유리한 날씨 패턴, 변화하는 기후 조건, 반복되는 경제적 충격의 조합이 원인인 것으로 보인다 (Rhiney et al. 2021 and references therein).
H. vastatrix는 잎의 아래쪽 표면을 감염시켜, 기공 상부 꽃다발 모양의 오렌지색 夏胞子 (suprastomatal, bouquet- shaped, orange-coloured uredinia)로 분화되기 전에 黃白化 斑點 (chlorotic spots)을 생성한다 (Figure 1a). 감염된 잎은 떨어져서 잎이 없이 잔가지가 길게 늘어난다 (Figure 1b).
또 다른 커피 녹병 [powdery rust (or grey rust) of coffee]은 곰팡이 Hemileia coffeicola Maublanc and Roger에 의해 발생한다. H. Vastatrix와 H. coffeicola는 둘 다 C. arabica와 다른 Coffea 종을 숙주로 갖고 있지만, H. coffeicola는 일부 서아프리카 국가에서만 지역적으로 중요하다 (Rodrigues Jr. 1990; Ritschel 2005). 이 질병의 증상은 커피 잎의 아래쪽을 덮고 있는 노란색 하포자의 먼지 또는 가루 코팅(dusty or powdery coating of yellow uredosori)이 특징이다 (Rodrigues Jr. 1990).
▣ Coffee berry disease (CBD)
반생물영양 기생 곰팡이균 (hemibiotrophic fungus)인 Colletotrichum kahawae J.M. Waller & P.D. Bridge (phylum Ascomycota, class Sordariomycetes, order Glomerellales)에 의해 발생하는 커피베리병(CBD)은 아프리카 고지대에서 아라비카 커피 생산에 영향을 미치는 가장 파괴적인 질병이다 (Silva et al. 2006; van der Vossen and Walyaro 2009; Loureiro et al. 2012; Maghuly et al. . 2020). 1922년 케냐에서 처음 보고되었으며 (McDonald 1926), 여전히 아프리카에 국한되어 있지만 라틴 아메리카와 아시아의 고지대 커피 지역에 대한 위협을 나타낸다 (Silva et al. 2006 and references therein; van der Vossen and Walyaro 2009).
C. kahawae는 작물의 모든 단계를 감염시키지만, 녹색 열매에 감염되면 포자 형성(sporulation)과 함께 어둡고 움푹 들어간 병변(dark sunken lesions)이 형성되어 미라화(mummification) 및 조기 낙하(premature dropping)를 초래하여 최대 작물 손실이 발생한다. 적절한 기후 조건에서 아무런 통제 조치가 적용되지 않으면 이 질병은 성장 중인 녹색 열매의 50~80%를 파괴할 수 있다 (Firman and Waller 1977; Silva et al. 2006; Hindorf and Omondi 2011).
▣ Brown eye spot (BES)
세르코스포리아증(Cercosporiosis), 즉 Brown eye spot (BES, 갈색눈반점)은 현재 브라질의 주요 커피 질병 중 하나이다.
Cercospora coffeicola Berk and Cooke (Ascomycota 문, Dothideomycetes 강, Mycosphaerellales 목)에 의해 발생한다. 병원균은 잎과 과일에 병변을 일으켜 낙엽, 생산성 저하, 커피 품질 저하 및 수확량 손실을 초래한다. 묘목장에서 이러한 낙엽은 묘목의 성장률을 감소시켜 식재 및 판매에 적합하지 않게 된다.
또한 현장 조건에서 이 질병은 어린 나무에 해로울 수 있다 (Botelho et al. 2017 and references therein). BES는 잎과 현장 조건에서 '갈색 눈 반점(brown eye spot)'과 '검은 반점(black spot)'이라는 두 가지 뚜렷한 증상으로 나타날 수 있다 (Andrade et al. 2021). 첫 번째는 커피 잎에 C. coffeicola가 일으키는 전형적인 증상으로 중앙이 밝은 색을 띠고 가장자리가 노란색인 보라색, 갈색 고리로 둘러싸인 작은 괴사 반점(small necrotic spots)으로 설명할 수 있어 brown eye spot이라는 이름이 붙었다. 이례적 증상은 병변이 검은색이고 노란색 후광이 없는 검은 반점이 특징이다.
▣ Coffee wilt disease (CWD)
커피 시들음병 Coffee wilt disease (CWD) 또는 tracheomycosis (진균성 관다발병)은 維管束 시들음 병원체 (vascular wilt pathogen) Fusarium xylarioides Steyaert (완전형 = Gibberella xylarioides R. Heim & Saccas) (Ascomycota 문, Sordariomycetes 강, Hypocreales 목)에 의해 발생한다.
CWD는 아프리카 전역으로 퍼져 커피나무를 파괴하고 수확량을 줄이며 생산자의 생계에 심각한 영향을 미친다 (Pinard et al. 2016; Maghuly et al. 2020; Flood 2021). 이는 오래되고 빽빽하게 심어진 커피 나무에서 자주 발견된다 (Assefaa et al. 2022). 영향을 받은 국가의 체계적인 위생 및 번식 프로그램 확립을 통해 CWD가 감소한 것으로 보인다. 그러나 1990년대에 이 질병이 다시 나타나 콩고 민주 공화국, 우간다, 탄자니아의 로부스타 커피와 에티오피아의 아라비카 커피에 영향을 미치는 급속한 확산으로 증가했다 (Flood 2021).
CWD의 첫 번째 증상은 잎이 황변 되고(yellowing of the leaves), 이후 시들고 갈색 괴사 병변(brown necrotic lesions)이 발생하는 것이다. 그런 다음 잎이 말리고 건조되어 떨어진다 (curl, dry up and fall off). 이 과정은 나무의 한 부분에서 시작될 수 있지만 결국 식물의 나머지 부분으로 퍼진다. 일단 나무가 감염되면, 감염 확산 가능성을 줄이기 위해 나무를 뿌리째 뽑고 그 자리에서 태우는 것 외에는 치료법이 없다. 질병의 생존 가능한 포자를 보유하고 있는 토양의 뿌리 시스템 잔재물이 새로운 식물을 재감염 시키는 것을 방지하기 위해 최소 6개월 동안 같은 장소에 새로운 나무를 심어서는 안 된다 (Phiri 및 Baker 2009).
▣ American leaf spot disease
"Ojo de Gallo"라고도 알려진 American leaf spot disease는 곰팡이균 Mycena citricolor (Berk. & M.A. Curtis) Sacc (Phylum Basidiomycota, Agaricomycetes 강, Agaricales 목)에 의해 발생하며, 라틴 아메리카에서 보고되었다.
이 곰팡이는 잎, 줄기, 과일을 포함한 모든 식물 기관에서 자랄 수 있다. 반원형 (Subcircular) 반점들이 처음에는 갈색이었다가 옅은 갈색에서 짚색으로 변하며 주로 잎에 나타난다. 반점은 가장자리가 뚜렷하고 직경이 6~13mm이지만 후광은 없다. 오래된 잎 반점의 중앙이 분해되어 총알구멍처럼 보일 수 있다. 이 질병의 주요 영향은 잎이 떨어지는 것이며, 그에 따라 커피 식물의 성장과 수확량이 감소한다 (Wang and Avelino 1999; Krishnan 2017).
▣ Bacterial halo blight (BHB)
커피의 세균성 후광 마름병(BHB)은 Pseu-domonadaceae科에 속하는, 그람-음성 박테리아인 Pseudomonas syringae pv. garcae (Psgc) Young, Dye & Wilkie에 의해 발생하며, 1955년 Amaral et al. (1956)에 의해 브라질 상파울루 주의 Garça 지자체에서 처음 기술되었고, 이후 Paraná 주 및 Minas Gerais 주에서 발견되었다 (Badel & Zambolim 2019, and references therein). Bacterial halo blight는 아프리카 대륙, 케냐, 에티오피아, 우간다 (Ramos and Shavdia 1976; Korobko and Wondinagegne 1997)와 중국 (Bai et al. 2013)에서도 보고되었다.
BHB는 주로 심한 바람이 부는 고도 1,000m 이상의 지역에서 묘목장과 필드에서 최대 70%까지의 손실을 일으킬 수 있는 것으로 추정되었다 (Zoccoli et al. 2011). 잎 가장자리의 황백화 후광(chlorotic haloes)에 둘러싸여 있거나 없는 괴사 반점(Necrotic spots)이 BHB 질병의 가장 흔한 증상이다. 그러나 꽃, 과일, 가지도 영향을 받을 수 있다 (Badel and Zambolim 2019).
박테리아는 주로 식물 잔해와 관련된 착생체(epiphyte)로 생존한다. 이는 자연 구멍들 (기공) 또는 상처를 통해 숙주 조직에 침투하고, 물과 바람에 의해 날리는 에어로졸 입자들에 의해 전파된다 (Zoccoli et al. 2011). 최근 연구에 따르면 종자도 접종원이 될 수 있다고 한다 (Belan et al. 2016).
▣ Coffee leaf scorch (CLS)
커피 잎 마름병(CLS)은 가지 위축(atrophy of branches)이라고도 불리는데, Xanthmonadaceae 계통에 속하는 그람 음성 박테리아인 Xylella fastidiosa subsp. Pauca (Xfp)에 의해 유발된다. CLS는 브라질, 코스타리카, 포르토리코(푸에르토리코의 옛 이름)에서 보고되었다 (Beretta et al. 1996; Rodriguez et al. 2001; Bolaños et al. 2015).
커피와 감귤류에서 분리된 박테리아의 계통들이 밀접하게 관련되어 있으며, 둘 다 전파 매체가 Cicadellidae (말매미충)科의 명사수 곤충 (sharpshooter insect)이다. 박테리아는 숙주 식물의 물관(xylem vessels)과 곤충 매개체의 전장 (foregut)에 서식한다 (Badel and Zambolim 2019).
CLS 증상에는 잎 끝과 잎 가장자리의 그슬림(scorch), 낙엽(defoliation), 그리고 절간 길이, 잎 사이즈, 열매 사이즈와 수량의 감소, 작은 황백화 되고 변형된 잎들의 말단 클러스터, 측면 싹의 고사 (lateral shoot dieback), 그리고 전반적인 발육부진 (overall stunting)이 포함된다 (Li et al. 2001).
CLS 질병은 널리 퍼져 있으며 커피가 X. fastidiosa (감귤류 잡색 황백화증 citrus variegated chlorosis disease)에 영향을 받는 감귤 과수원에 인접한 경우 자주 발생한다. X. fastidiosa의 亞種 내에는 어느 정도 기주 특화가 있는 것으로 보이지만, 상업용 포도 품종과 올리브 나무에서 교차 감염이 보고된 바 있다 (Badel and Zambolim 2019).
▣ Coffee ringspot virus (CoRSV)
커피 고리점 바이러스(CoRSV)는 현재 the International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) 국제 바이러스 분류위원회에서 Coffee ringspot dichorhavirus로 분류되어 있으며, Rhabdoviridae 科의 Dichorhavirus 屬에 속한다 (Genus: Dichorhavirus, ICTV).
CoRSV는 주요 커피재배 지역인 Minas Gerais (Brazil) 주 의 주요 커피 재배지역들 (Ramalho et al. 2014, 2016)과 코스타리카의 일부 지역 (Rodrigues et al. 2002)에서 보고되었다.
이 바이러스는 Brevipalpus phoenicis (Geijskes) (Acari: Tenuipalpidae)에 의해 전염되며, 커피 잎과 과일을 감염시킬 수 있다. 잎의 증상은 전형적인 동심원 모양의 황백화 고리 (concentric chlorotic rings)이며, 때로는 잎맥에 띠(bands)를 형성하기도 한다. 커피 열매에서 CoRSV는 2차 곰팡이 또는 박테리아의 기회감염균들(opportunists)이 자주 침입하는 황백화 병변 또는 괴사성 병변을 발생시킨다. 심하게 영향을 받은 나무에서는 나뭇잎이 떨어지고 열매가 떨어지며 이는 커피 생산과 품질에 영향을 미칠 수 있다 (Ramalho et al. 2014). 이 질병의 심각성은 커피 생산지 확대와 관련된 생태학적 교란과, 그리고 매개체를 선호하는 화학적 해충 방제에 기인한다.
Hemileia vastatrix는 urediniospores (夏胞子), teliospores (冬胞子), basidiospores (擔子胞子)를 생성하는 半輪生 곰팡이(hemicyclic fungus)이다. Urediniospores와 teliospores는 동일한 胞子囊盤(sorus)에서 생성되지만 時間이 다르다. 夏胞子(Urediniospores)는 二核性(dikaryotic)이며 無性生殖 週期(asexual cycle)를 나타내며, 환경 조건이 좋을 때마다 잎을 다시 감염시킨다. 冬胞子 (Teliospores)는 거의 발생하지 않고 현장에서 발아하여, 4개의 basidiospores가 형성되는 前菌絲體(promycelium)를 생성한다. 擔子胞子 (basidiospores)는 커피를 감염시킬 수 없지만 다른 숙주 식물은 확인되지 않았다 (Talhinhas et al. 2017 and references therein).
絶對 生物榮養 寄生菌(obligate biotroph)로서, H. vastatrix는 吸器(寄生根, haustorium)라는 특정 菌絲(hypha)의 分化를 통해서만 살아있는 커피 잎을 먹고 成長하고 繁殖할 수 있다. 이 기관은 살아있는 宿主 細胞의 壁에 浸透한 후 形成되며, 주변 숙주 原形質膜(plasma membrane)을 함입시키면서(invaginating) 細胞壁의 안쪽에서 擴張한다 (Garnica et al. 2014). 영양소 흡수에서의 역할 외에도, 흡기는 이펙터 蛋白質(effector proteins)의 分泌를 통해 生物營養 寄生關係 (biotrophic relationship)를 확립하고 유지하는 데 적극적으로 관여한다 (Voegele and Mendgen 2011; Kemen et al. 2005; Bozkurt and Kamoun 2020).
커피 잎에 대한 H. vastatrix 感染 過程(그림 1c)은 다른 綠病菌과 마찬가지로 (Heath 1997; Voegele and Mendgen 2011), 夏胞子 發芽 (urediniospore germination), 氣孔 위의 附着器 形成 (appressorium formation over stomata), 浸透 (penetration), 그리고 細胞間 및 細胞內 棲息化 (inter-and intracellular colonization)을 포함한 특정 사건들을 포함한다 (Rodrigues Jr. et al. 1975; Silva et al. 1999, 2006 and references therein).
夏胞子 發芽 (Urediniospore germination)에는 물이 필요하며 약 24 °C에서 최적입니다. 附着器 形成 후, 곰팡이는 浸透하여 氣孔下 챔버로 자라는 浸透 菌絲(penetration hypha)를 形成한다. 이 菌絲는 전진하는 끝 부분에 두 개의 두꺼운 측면 가지 (two thick lateral branches)를 생성한다; 각 균사와 그 가지들은 닻(anchor)과 유사하다. 그 닻의 각 측면 가지로부터 균사, 즉 吸器 母細胞 (haustorial mother cell, HMC)가 나오며, 그것은 吸器 (haustorium)를 만들고, 그 吸器는 주로 氣孔 곁세포(stomatal subsidiary cells)를 감염시킨다. 그 곰팡이는 HMC를 포함하여 더 많은 細胞間 菌絲 (intercellular hyphae)를 형성하고, 그리고 海綿状 및 柵狀 柔細胞 (spongy and palisade parenchyma cells)와 심지어 上面 表皮 (upper epidermis)에서 많은 吸器들을 형성하여 성장을 추구한다. 침투 부위 아래에 조밀한 菌絲體 (dense mycelium)가 관찰되며, 접종 약 21일 후에 氣孔을 통해 夏胞子 胞子囊(uredosporic sorus)이 "꽃다발 bouquet "처럼 튀어나온다.
H. vastatrix의 生理學的 特化 (physiological specialization)에 대한 최초의 실험적 증거는 인도에서 Mayne (1932)에 의해 확인되었는데, 그는 현지 녹병 샘플을 4개의 生理學的 菌腫으로 구분했다. 1950년대 포르투갈의 커피 녹병 연구센터(Centro de Investigação das Ferrugens do Cafeeiro—CIFC)에서 시작된 커피 綠病 菌腫들에 대한 세계 조사를 통해 다양한 커피 재배국가들로부터 받은 약 4,000개의 녹병 샘플에서 55개 이상의 녹병 균종들을 특성 분석할 수 있었다. 이들 균종들은 27개 커피나무 격차 세트(coffee plant differentials)에 대한 毒性 스펙트럼(spectra of virulence)에 따라 식별되었다 (Silva et al. 2022 and references therein).
커피 綠病 菌種 識別은 Coffea sp.─H. vastatrix 相互作用에 대한 Flor’s gene-to-gene theory의 적용에 의존한다 (Noronha-Wagner and Bettencourt 1967). 커피 나무의 특징을 나타내는 抵抗性 遺傳子들(resistance genes)은 "SH genes"로 지명되었다. 主要 遺傳子 SH1, SH2, SH4, SH5는 C. arabica에서 발견되었고, SH3 遺傳子는 C. liberica에서 유래된 것으로 간주되었으며, SH6, SH7, SH8, SH9는 "Timor hybrid" - HDT (natural Coffea arabica × canephora hybrid)에서 나온 것들에서만 발견되어, 그 하이브리드의 Robusta 쪽에서 유래한다 (Rodrigues Jr. et al. 1975; Bettencourt and Rodrigues Jr. 1988). 동시에, H. vastatrix에 대해 9개의 病毒性 遺傳子(v1-v9)를 추론하는 것이 가능했다.
그 菌腫 遺傳子型들(race genotypes)은 C. arabica 및 4倍體 異種間 雜種에서 유래한 分離 菌株의 v1-v9 毒性 遺傳子로 구성되는 반면, 二倍體 커피 種을 공격하는 일부 分離 菌株의 毒性 遺傳子는 이들 식물에 대한 유전 연구가 불가능하기 때문에 알려져 있지 않다 (Rodrigues Jr. et al. 1975, Bettencourt and Rodrigues Jr. 1988, Talhinhas et al. 2017). 그러나 특히 HDT derivatives와 같은 4倍體 種間 雜種 (tetraploid interspecific hybrids)을 감염시키는 분리체에 대한 독성 프로파일링은 이용 가능한 커피 격차 유전자형(coffee differential genotypes) 컬렉션이 허용하는 한도까지만 수행될 수 있으므로 많은 毒性 프로파일이 불완전하거나 완전히 확인되지 않은 상태로 남는다 (Talhinhas et al. 2017; Silva et al . 2022).
CIFC에서 수행된 연구를 통해 C. arabica의 알려진 모든 커피 遺傳子型 뿐만 아니라, 커피 세계로 퍼진 Catimor와 Sarchimor의 커피 個體群에서의 抵抗性 源泉으로 사용되는 CIFC HDT 832/1 및 CIFC HDT 832/2와 같은, HDT의 일부 遺傳子型들을 감염시킬 수 있는 능력을 가진 녹병 균종들을 발견할 수 있었다 (Talhinhas et al. 2017; Silva et al. 2022; CIFC records).
H. vastatrix의 독성 진화는 기존 저항성 유전자형들과 유사하다. 예를 들어 Geisha (SH1), Kent’s (SH2), Agaro (SH4), Bourbon 및 Typica (SH5)와 같은 순수 아라비카만 재배하는 커피 국가에서는 v1, v2, v4, v5의 서로 다른 연관성을 찾을 확률은 100%이다. 반대로, HDT와 같은 種間 4倍體 雜種과 연관된 독성 유전자 v6, v7, v8 및 v49를 발견할 확률은 매우 낮거나 존재하지 않는다 (CIFC records).
H. vastatrix 가 대륙을 넘어 전 세계적으로 확산되는 것은 세계 커피 産業의 歷史的 發展과 밀접하게 연관되어 있는 것으로 보인다. 커피 宿主가 녹병 균종들의 지리적 분포와 지역적 확산을 형성하는 주요 선택적 압력으로 작용하여, 기록된 광범위한 독성 프로필과 새로운 프로필의 반복적인 출현으로 이어지는 것은 놀라운 일이 아니다. 그러나 H. vastatrix가 어떻게 그토록 빠르게 進化하여 커피 栽培品種둘의 抵抗性을 극복할 수 있었는지는, 그 병원체의 생활사에서 아직 성적인 단계 (sexual phase)가 확인되지 않았다는 점을 고려하면 의문스럽다.
커피 녹병의 個體群 遺傳的 多樣性의 特性 分析을 위한 수많은 연구가 진행되어 왔지만, 명확한 遺傳的 構造 패턴이나 表現型 多樣性과 分子 多樣性 사이의 直接的인 聯關性을 발견하지 못했다 (Talhinhas et al. 2017 and references therein; Kosaraju et al. 2017; Santana et al. al. 2018; Quispe-Apaza et a;. 2021; Bekele et al. 2022).
여러 종류의 DNA 마커(AFLP, RFLP, rDNA-ITS, SRAP, SSR)를 사용하고 주로 地域 個體群을 대상으로 한 연구에서는 낮은 수준에서 높은 수준까지 다양한 수준의 遺傳的 變異性(genetic variability)이 보고되었지만, 지속적으로 균종, 호스트 또는 지리적 기원과 관련된 개체군 구조에 대한 證據는 찾을 수 없었다.
이 病原體의 集團 進化 歷史에 대한 첫 번째 통찰은 최근 게놈 전체 SNP 데이터 分析(analysis of genome-wide SNP data)을 통한 게놈 硏究 노력에서 비롯되었다. 처음으로 H. vastatrix 개체군은 뚜렷한 寄主 特化 (marked host specialization)를 가진 세 가지 遺傳的 系統으로 명확하게 구조화되어, 2배체 커피 종을 감염시키는 녹병과 4배체 커피 종을 감염시키는 녹병을 구별하는 것으로 밝혀졌다 (Silva et al. 2018).
더욱이, 遺傳子 移入의 再組合 證據와 발자국(recombination and footprints of introgression)도 발견되어, 녹병 계통 간 病毒性 因子 交換 가능성을 경고했다. 잡종화에 의한 遺傳子 移入 (introgression by hybridization) 에피소드는 아마도 시간이 지나면서 드물었을 것이다. 그러나 순항 범위 내에서 녹병 계통이 다를 위험은 질병 통제 및 육종 전략을 가이드하기 위해 고려해야 한다.
재조합(recombination)은 DNA 마커와 게놈 데이터(Maia et al. 2013; Cabral et al. 2016; Silva et al. 2018)에서 모두 발견되었지만, 알려지지 않은 메커니즘을 통해 아마도 擬似有性的 성격을 띠고 있을 것이다. 그러나 이 두 사건 모두 병독성 증가에 기여할 수 있으며 병원형 출현의 빠른 속도를 설명할 수 있을 것이다.
최근에는 추가적인 게놈 데이터를 통해, C. arabica와 種間 雜種의 녹병을 전 세계적으로 샘플링하여 個體群 遺傳的 細分化를 추가로 발견할 수 있었고, 세 가지 遺傳的 下位 그룹들이 밝혀졌다; 즉
⊙ 저분화 및 전 세계적으로 분포된 녹병 계통 (a low differentiated and globally distributed rust lineage),
⊙ 고도로 분화된 다른 두 가지 유전적 하위 그룹들.
한 가지 녹병 계통은 특히 아프리카에서 발생하고
다른 하나는 동티모르에서 발생한 계통 (Rodrigues et al. 2022).
가장 흥미롭게도 이러한 계통의 분기는, 陽性 選擇의 影響(effect of positive selection)으로 추정되는 작은 세트의 SNP 遺傳子座들 (a small set of SNP loci)에 의해서만 설명될 수 있다 (Rodrigues et al. 2022). 이러한 결과는 숙주 적응(host adaptation)의 근간이 되는 遺傳的 變異(genetic variation)가 게놈의 작은 부분에 의존하며 이러한 遺傳子座와 관련된 유전자들이 그런 種이 새로운 환경/커피 숙주에서 생존하는 데 매우 중요할 수 있음을 시사한다.
H. vastatrix에 대한 중요한 게놈 참조 어셈블리(genome reference assemblies)가 지난 몇 년 동안 만들어졌다 (Cristancho et al. 2014; Porto et al. 2019). H. vastatrix에 대한 염색체 수준 게놈 자원(chromosome-level genome resource)의 최근 가용성 (Tobias et al. 2022)은 독성 유전자좌의 특성을 규명하기 위한 새로운 전망을 제공하며, 녹병 병원형과 관련된 후보 진단 마커의 향후 개발 및 선택적 육종을 위한 대체 전략을 구상한다.
病原體 侵入에 대한 植物의 認識과 反應 (perception and response)은 완전한 숙주 면역 (complete host immunity), 부분 저항성(partial resistance) 또는 취약성 (susceptibility)을 유도하는 정교한 多層 監視 시스템(sophisticated multilayer surveillance system)으로서, 해당 病原體 感染 戰略 (pathogen infection strategy)과 함께 진화했다 (Bettgenhaeuser et al. 2014; Lietal. 2020).
植物 防禦 (Plant defenses)는
┌ 구성적(constitutive)/수동적(passive) 및
└ 유도된 반응들(induced responses)로 구성된다.
첫 번째는 왁스 같은 표피 큐티클, 단단한 세포벽, 그리고 병원균으로부터 보호하는 항균 2차 대사산물 (antimicrobial secondary metabolites)과 같은 미리 形成된 障壁 (preformed barriers)으로 구성된다.
두 번째는 그 병원체들 또는 그들의 분자들을 감지하는 일련의 原形質膜 受容體들(plasma membrane receptors)에서 비롯되며, PAMP-triggered immunity (PTI)를 활성화하는 패턴인식수용체 (pattern recognition receptors, PRRs)에 의한, 보존된 미생물 관련 또는 병원체 관련 분자 패턴(microbe-associated or pathogen-associated molecular patterns, MAMPs/PAMPs) 그리고 숙주 위험 관련 분자 패턴 (host danger-associated molecular patterns, DAMP)의 인식을 기반으로 한다.
이러한 광범위한 방어 시스템과 함께 식물들은 effector-trigger immunity (ETI)을 활성화하는 병원체가 분비하는 특정 이펙터 단백질들 (specific effector proteins)을 검출하기 위해 세포내 저항성 단백질(intracellular resistance proteins)을 개발했다 (Andersen et al. 2018).
이 두 가지 면역 시스템 (PTI 및 ETI)은
⊙ 미토겐 활성화 단백질 키나아제(mitogen-activated protein kinase, MAPK) 연쇄반응들,
⊙ G-proteins, calcium flux,
⊙ 활성 산소종(reactive oxygen species, ROS),
⊙ transcriptional reprogramming,
⊙ 식물 호르몬 (phytohormones),
⊙ 병인 관련(PR) 유전자 (pathogenesis-related (PR) genes)/단백질, 그리고
⊙ 후생유전적 변형 (epigenetic modifications)과 같은
연속적이고 중첩되기도 하는 다운스트림 반응의 유도를 이끌어낸다 (Meng and Zhang 2013; Zhang et al. 2012; Lecourieux et al. 2006; Robert-Seilaniantz et al. 2011; Amorim et al. 2017; Zhu et al. 2016).
이러한 반응들은 PTI와 비교할 때, ETI 동안 더 강하고 더 오래 지속되는 것으로 보인다. ETI는 전형적으로 감염 부위에 국한된 프로그램 된 식물 세포 사멸(programmed plant cell death)의 형태인 과민 반응(hypersensitive reaction, HR)과 관련이 있다 (Torres et al. 2006; Jones and Dangl 2006). HR은 특히 녹병균 (Periyannan et al. 2017)과 같은 절대 생물영양 기생체 (obligate biotrophs)의 병원체 성장을 제한하는 가장 중요한 요소 중 하나이다 (Heath 2000; Andersen et al. 2018).
ROS는 HR을 촉발할 수 있으며(Torres et al. 2006; Martins et al. 2020), ROS 생산과 제거 메커니즘(ROS production and scavenging mechanisms) 사이의 균형에 따라 손상 또는 신호 분자 역할을 할 수 있다. ROS 제거 메커니즘이 실패하면 산화 손상 (oxidative damage), 지질 과산화 촉진 (promoting lipid peroxidation), 거대분자 (macromolecules) (예: 단백질, 지질, 당) 및 DNA 손상을 담당하는 과도한 ROS 축적이 발생한다 (Das and Roychoudhury 2014).
다중불포화지방산 (polyunsaturated fatty acids)(예: linoleic acid)의 과산화 (peroxidation)에 의한 막 손상 (Membrane damage)은 HR 동안 ROS 뿐만 아니라 지질 라디칼(lipid radicals) 또는 리폭시게나아제(lipoxygenases, LOX)에 의해 시작될 수 있다. 또한 HR 동안 세포막 완전성의 급속한 손실과 관련된 것은 수퍼옥사이드 디스뮤타아제 (superoxide dismutase, SOD) 및 페록시다아제 (peroxidases )와 같은 산화 효소 (oxidizing enzymes)의 증가이다 (Heath 2000; Daudi et al. 2012).
식물 페록시다아제 (peroxidases, POD, 과산화효소)는 抗미생물량의 H2O2 생성 뿐만 아니라 세포벽 리그닌화 (cell wall lignification) 또는 세포벽 단백질들과의 교차 결합(cross-linking)을 통해 병원균들에 대한 식물 방어 기능을 수행한다 (Penel 2000; Torres et al. 2006).
더욱이 여러 연구들이 식물 페놀성 화합물들이 식물-병원체 상호작용에 강력하게 관여하고 병원체 확산을 제한할 수 있음을 제시한다 (Vermerris and Nicholson 2006). 또한 페닐프로파노이드 경로(phenylpropanoid pathway)의 주요 효소인 페닐알라닌 암모니아 분해효소 (phenylalanine ammonia-lyase, PAL)는 페닐알라닌(phenylalanine)의 탈아미노화 (deamination)를 촉진하여, 살리실산(salicylic acid, SA), 페닐프로파노이드 (phenylpropanoids), 플라보노이드 (flavonoid), 그리고 리그닌 (lignin)과 같은 여러 페놀성 화합물의 전구체인 트랜스계피산 (trans-cinnamic acid)으로 전환하는 것으로 보이며, 면역 반응(immunity responses)에 관여하는 것으로 보인다 (Bagal et al. 2012).
또한 식물 저항성과 관련된 것으로 보고된 다른 단백질로는, 가수분해효소들 (hydrolases), 특히 sugar hydrolases (GH)와 그리고 peptidases/proteases가 있다.
프로테아제(proteases)는 (phosphatases와 함께) post-translational modification을 통해 세포벽 단백질들에 대한 복잡한 조절로 이끌 수 있으며, GHs는 세포벽 다당류(cell wall polysaccharides)에 높은 가소성(plasticity)을 부여하거나, 항진균 활성(antifungal activity)에 직접적으로 관여한다 (Guerra-Guimarães et al. 2015).
실제로 ß-1,3-glucanase와 chitinase (PR-proteins로 간주됨)는 대부분의 곰팡이 병원체의 세포벽 구성 요소인 ß-1,3-glucan과 chitin을 각각 가수분해한다 (Silva et al. 1999에 의해 개정된 바와 같이).
또한 호모헥사머 당단백질(homohexamer glycoproteins)인 Germin 그리고 germin-like proteins (GLP)도 생물적 및 비생물적 스트레스 반응(biotic and abiotic stress responses)과 관련이 있다 (Liao et al. 2021).
GLP 및 식물 면역과 관련된 연구에서는 자스몬산(JA)-매개 방어 반응 (jasmonic acid (JA)-mediated defense response) (Liu et al. 2016; Pei et al. 2019)과의 연관성, 또는 GLP 과발현(overexpression)과 곰팡이 병원체에 대한 향상된 저항성 및 ROS의 축적 사이의 연관성을 보여주었다 (Beracochea et al. 2015; Sultana et al. 2016).
수년에 걸쳐, H. vastatrix에 대한 커피의 완전한 저항성 메커니즘을 세포 및 생화학적 수준에서 이해하는 데 상당한 진전이 있었고, 최근에는 분석 화학, 유전자 발현 분석 및 오믹스 어푸로치(omics approach)의 활용을 통해 상당한 진전이 있었다.
H. vastatrix에 대한 커피 저항성은 진균 성장의 정지(arrest of fungal growth)를 특징으로 하며,
이는 흡기 전 단계(pre-haustorial stages) (pre-haustorial resistance) 또는
적어도 하나의 흡기 형성 후(post-haustorial resistance) 발생할 수 있다.
두 가지 유형의 저항 모두에서 과민 반응(hypersensitive reaction, HR)은 H. vastatrix에 의해 유발된 최초의 세포학적 반응 중 하나이다. 이 반응은 초기에 흡기-전 진균단계(pre-haustorial fungal stages)와 관련된 기공세포에서 발생하고, 나중에 흡기에 의해 침습된 식물세포에서 발생하며 인접한 비침습된 세포로 퍼진다 (Silva et al. 2006 and references therein; Silva et al. 2008; Diniz et al. 2012; Guerra-Guimarães et al. 2015).
RLK 및 LRR-RLK2와 같은 원형질막의 키나아제 인식 레퍼토리 (repertoire of recognition kinases at the plasma membrane), 또는 세포 내적으로nucleotide-binding site–leucine-rich repeat (NBS-LRR)에 의한 병원체 침입에 대한 조기 인식은 숙주 방어를 촉발하는 성공적인 단계이다 (Fernandez et al. 2004; Guzzo et al. 2009; Diniz et al. 2012; Diola et al. 2013; McCook and Peterson 2020).
H. vastatrix에 대한 커피 저항 동안, 두 개의 MAPKs (MAPK2 - Mitogen-activated protein kinase 2 및 MEK2 - Dual specificity mitogen-activated protein kinase kinase 2)의 상향 조절은, 이들이 감염 과정에서 방어 반응의 중요한 신호 요소임을 제시한다 (Diola et al. 2013).
또한 두 가지 칼슘 관련 유전자들인 calcium-dependent protein kinase 5 (CDPK5)와 calmodulin-binding protein (CaMBP)이 커피 저항 반응에서 Ca2+ 신호 전달의 일부로 연관되어 있다 (Diola et al. 2013).
커피 나무에서, 작은 목록의 전사 인자들이 H. vastatrix에 대한 저항성과 연관되어 왔다 :
Ap2 (AP2 type transcription factor) (Fernandez et al. 2004),
bHLH (basic helix-loop-helix DNA-binding protein) (Florez et al. 2017), 그리고
bZIP56 (bZIP transcription factor) (Diola et al. 2013).
그러나 WRKY 계열(family)은 커피 나무에서 가장 잘 연구된 전사 조절자(transcriptional regulators)로서 22개 유전자 중 17개가 H. vastatrix 저항성과 관련이 있는 것으로 보인다. 알려진 모든 커피 WRKYs 중에서 CaWRKY1 (CaWRKY1a 및 CaWRKY1b)은 H. vastatrix 가 숙주 조직에 침투하고 HR이 전개되는 즉시 활성화된다 (Ganesh et al. 2006; Petitot et al. 2008, 2013a; Diniz et al. 2012 ).
H. vastatrix에 대한 커피 방어에서 JA 및 ethylene (ET)과 같은 식물호르몬(phytohormones)의 역할은 불분명하다 (Guzzo et al. 2009; Ramiro et al. 2010; Diniz et al. 2012; Diola et al. 2013; Florez et al. al.2017).
그러나 몇몇 연구들은, SA (salicylic acid)가
⊙ SA-biosynthesis gene PAL과 같은
SA pathway-related genes의 증가된 발현에 의해서,
⊙ SA-induce PR genes인 CaPR1, CaPR2, CaPR5, CaPR10에 의해서
(Couttolenc-Brenis et al. 2020; Diniz et al. 2012, 2021;
Diola et al. 2013; Guzzo et al. 2009; Ramiro et al. 2009), 그리고
⊙ SA-mediated protein–protein interactions gene NPR1
(Non-expressor of pathogenesis-related)에 의해서
(Diniz et al. 2012; Petitot et al. 2013b; Couttolenc-Brenis et al. 2020)
H. vastatrix에 대한 커피 방어에서 핵심 호르몬이라는 것을 지적한다.
NPR1은 transcription co-factor (전사 공동인자)이자 충실한 SA receptor이며, 결과적으로 HR과 같은 여러 SA 하류 반응들의 양성 조절자 (positive regulator)이다 (Saleem et al. 2021).
광학 현미경 및 투과식 전자현미경 관찰들은 커피 저항성 유전자형의 HR에서 H2O2 및 O2-와 같은 ROS가 관여함을 추가로 시사한다. 또한, 세포벽 및 세포질 내용물에 페놀-유사 화합물의 침착 (deposition of phenolic-like compounds in cell walls and cyto-plasmic contents), 식물 세포벽 리그닌화 (plant cell wall lignification), 칼로스 및 β-1,4-글루칸으로 인한 흡기 봉입 (haustoria encasement with callose and β-1,4-glucans); 다당류와 페놀을 함유한 세포간 펙틴 유사 물질의 축적 (accumulation of intercellular pectin-like material containing polysaccharides and phenols), 그리고 식물 세포 비대 (plant cell hypertrophy)도 관찰되었다 (Rodrigues Jr. et al. 1975; Silva et al. 2001, 2002, 2006, 2008; Ramiro et al. 2009; Diniz et al. al.2012).
커피 저항성 유전자형들에 관한 생화학적 연구에서는, ROS 항상성(homeostasis)과 관련된 여러 산화 효소들, 즉 POD, LOX, SOD 뿐만 아니라 PAL 효소의 활성이 초기에 증가한다는 사실이 밝혀졌다 (Rojas et al. 1993; Silva et al. 2002, 2008; Guerra-Guimarães et al. 2009a).
HPLC/ESI-MS/MS로 정량화된 SA 수준의 초기 증가는 H. vastatrix에 대한 커피 저항성에 SA 의존 경로(SA-dependent pathway)의 관련성을 강화한다 (Sá et al. 2014). 또한 HPLC-DAD 및 LC-MS를 통해 커피에 풍부한 폴리페놀인 클로로겐산을 평가한 결과, 저항성과 관련된 함량이 초기에 상당히 증가한 것으로 나타났다 (Leitão et al. 2011).
키틴(Chitin)과 β-1,3-glucan은 세포간 균사(intercellular hyphae) (infection hyphae and HMCs) 그리고 흡기들(haustoria)의 것들을 포함하여 H. vastatrix 세포벽의 주요 구성요소이다 (Silva et al. 1999). β-1,3-glucanase (PR2)와 chitinase (PR3) 활성의 초기 증가가, 저항성 커피 잎들의 조추출물과 apoplast (세포와 세포 사이 공간, 아포플라스트)에서 관찰되었다 (Maxemiuc-Naccache et al. 1992; Guerra-Guimarães et al. 2009b). 더욱이, class I chitinases에 특이적인 기본 동형 (basic isoforms)은 resistance에서만 더 일찍 검출되었으며, 이는 이것이 커피 나무의 방어 반응에 관여함을 시사한다 (Guerra-Guimarães et al. 2009b).
커피 잎 아포플라스트에 대한 연구를 심층적으로 진행하면서, proteomic analysis (단백질유전정보학적 분석)가 몇몇 cell wall glycohydrolases (GH3, GH31 및 GH38 계열), PR proteins [PR1, PR2, PR3, thaumatin/osmotin (PR5 ), GPL (PR15 및 PR16)], proteases (serin, cysteine and aspartic peptidases), 그리고 커피 방어반응에서 역할을 하는 기타 효소 (예: metallophosphatases)의 풍부성 증가를 밝히는 작업을 수행하였다 (Azinheira et al. 2013; Guerra-Guimarães et al. 2015; Possa 외 2020, Silva 외 2022).
저항성 및 취약성 커피 유전자형은 H. vastatrix에 감염되었을 때 설명된 숙주 반응의 대부분을 공유한다. 그러나 저항 반응, 특히 사전 저항에서 더 일찍 그리고 더 큰 규모로 관찰된다.
본 장에서는 커피-H. vastatrix 상호작용에 대해 수십 년 동안 축적된 과학적 지식을 리뷰한다.
60년대 첫 번째 연구부터 오늘날까지 이 이항 관계에 대한 풍부한 데이터가 수집되었다. 오늘날 우리가 알고 있는 것은 Flor’s gene-for-gene model에서부터 현재 "omics" 시대(유전체학, 전사체학, 대사체학 및 단백질체학) 내 녹병 균종의 후보 마커들까지 크게 발전했다.
새로운 데이터의 수입은 우리가 알고 있는 것에 지속적으로 도전하고 더 많은 질문을 제기한다. 커피 저항성 유전자의 정체는 무엇이며, 어떻게 조절되나? 최근에 발견된 small non-coding RNA (sRNA, miRNA)는 유전자 조절에 어떻게 관여하나? miRNA는 H. vastatrix에 대한 커피 저항성과 어떻게 관련될 수 있는가?
이러한 질문과 더 많은 질문에 대한 답은 커피-H. vastatrix 상호작용을 계속해서 탐구하는 우리의 능력과, 모험을 통해 기능적 특성 분석 및 후생유전학과 같이 거의 탐구 되지 않은 커피 저항성 연구 분야에 깊이 파고드는 우리의 능력에 달려있다. 지금까지 이루어진 모든 중요한 진전에도 불구하고, 첨단 기술을 사용하여 Coffea-Hemileia vastatrix 상호작용을 철저히 탐색하는 것은 새롭고 효율적인 질병 통제 전략을 개발하는 데 여전히 중요하다.
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