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이병하
이병하Byung Ha Lee

The Ohio State University

Plant Cell, Published September 2018 | DOI: https://doi.org/10.1105/tpc.18.00442 Arabidopsis Protein Kinase D6PKL3 Is Involved in the Formation of Distinct Plasma Membrane Aperture Domains on the Pollen Surface
Byung Ha Lee,a Zachary T. Weber,a Melina Zourelidou,b Brigitte T. Hofmeister,c Robert J. Schmitz,c Claus Schwechheimer,b and Anna A. Dobritsaa,1

aDepartment of Molecular Genetics and Center for Applied Plant Science, Ohio State University, Columbus, Ohio 43210
bPlant Systems Biology, Technische Universitat Munchen, 85354 Freising, Germany
cDepartment of Genetics, University of Georgia, Athens, Georgia 30602

1Address correspondence to Anna A. Dobritsa

Abstract

Certain regions on the surfaces of developing pollen grains exhibit very limited deposition of pollen wall exine. These regions give rise to pollen apertures, which are highly diverse in their patterns and specific for individual species. Arabidopsis thaliana pollen develops three equidistant longitudinal apertures. The precision of aperture formation suggests that, to create them, pollen employs robust mechanisms that generate distinct cellular domains. To identify players involved in this mechanism, we screened natural Arabidopsis accessions and discovered one accession, Martuba, whose apertures form abnormally due to the disruption of the protein kinase D6PKL3. During pollen development, D6PKL3 accumulates at the three plasma membrane domains underlying future aperture sites. Both D6PKL3 localization and aperture formation require kinase activity. Proper D6PKL3 localization is also dependent on a polybasic motif for phosphoinositide interactions, and we identified two phosphoinositides that are specifically enriched at the future aperture sites. The other known aperture factor, INAPERTURATE POLLEN1, fails to aggregate at the aperture sites in d6pkl3 mutants, changes its localization when D6PKL3 is mislocalized, and, in turn, affects D6PKL3 localization. The discovery of aperture factors provides important insights into the mechanisms cells utilize to generate distinct membrane domains, develop cell polarity, and pattern their surfaces.

논문정보

  • 형식Research article
  • 게재일2018년 09월 (BRIC 등록일 2018-11-02)
  • 연구진국외 연구진
  • 분야 생명과학 > 식물학
  • 구분구・추천논문

관련 인터뷰

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 - 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망 대부분의 식물 종에서 화분 표면은 엑신이 결여 혹은 감소된 지역에 발아구(aperture)라는 특성화된 지역을 가지고 있습니다 (왼쪽그림 화살표). 발아구는 식물종마다 그들의 수와 형태, 위치에 있어서 종특이성(species specificity)을 가지고 있는데, 발아구가 존재한다는 것은 화분표면의 특정 지역에 세포외구조물인 엑신(exine)이 자리하지 않거나 혹은, 엑신 침적기작이 확실하게 작용하지 못하는 지역임을 암시하는 것입니다. 식물 화분을 대상으로 한 세포외기질(extracellular matrix)에 대한 연구는 이용대상의 풍부함과 편리성뿐만 아니라 화분 낱알들 각각의 표현형이 종내에서 상당히 보존되어 있다는 점에서 큰 장점을 가진 대상이라고 할 수 있습니다. 그러나, 지금까지 엑신과 같은 세포외구조물이 형성되고 조절되는 유전적, 발생학적 기작에 대한 이해는 미흡한 실정입니다. 현재 저의 advisor인 Dr. Anna A. Dobritsa가Plant Cell journal(2012년)에 발표한 INP1 단백질이 발아구형성에 관여하는 유일한 인자로 알려져 왔습니다. 그래서, 본 연구실에서는 발아구 형성에 관여하는 추가 인자를 찾기 위해서 대량의 돌연변이체를 만들어 오랜 시간 표현형을 분석하였고, 이번에 발표된 D6PKL3 단백질이 그 중 하나입니다. 미국에서 옥수수는 현재 가장 많이 연구되며 이용되는 작물의 한 종류입니다. 옥수수는 화분에 단지 하나의 발아구만을 가지고 있는데, 만약, 옥수수의 INP1 단백질이 기능을 못하게 된다면 발아구가 발달하지 못하고, 결국에는 화분관이 자라지 못해 종자를 형성하지 못하게 됩니다 (Li et al. 2018 J Exp Bot 69:983-996). 즉, 발아구 형성에 관한 연구는 기초과학적인 측면에서도 중요한 의미를 가질 뿐만 아니라, 작물 화분의 발달에 직접적 영향을 끼쳐 생산량의 증대에도 응용될 수 있는 분야라고 언급할 수 있겠습니다. - 에피소드 저의 첫번째 프로젝트는 기존에 규명된 INP1의 결합인자를 찾는 것이었습니다. 그러나, 발견된 상당수의 단백질들이 화분발아구 형성에 관련되어 영향을 미치지 못함을 알고 낙심하던 차에 D6PKL3를 찾게 되었습니다. 그런데, D6PKL3는 D6PK family에 속한 하나의 단백질 이었기에 나머지 3개의 구성원에 대한 표현형 차후 multiple 돌연변이체를 확보하여 표현형을 분석했어야 하는데, 이번 논문의 공저자인 Dr. Claus 교수님의 연구실에서 이미 다수의 돌연변이체가 확립되어 있었습니다. 우연하게도 Dr. Claus는 현재 저의 advisor인 Dr. Anna가 Yale university에서 박사과정중일 때, 다른 연구실에서 Postdoctoral researcher로써 서로 알고 지내는 사이였습니다. 그래서, 어려움없이 skype를 통해 현재의 저의 결과를 설명함과 동시에, 정보를 공유할 수 있었고, Dr. Claus 교수님 연구실에서 돌연변이체 뿐만 아니라, phosphorylation assay까지 도움을 받아 Plant Cell에 논문을 투고할 수 있었습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 저는 오하이오주립대학교 (The Ohio State University) 응용식물과학센터 (Center for Applied Plant Sciences)에 소속되어 있습니다. 애기장대를 연구하시는 분들이라면 누구나 한 번쯤은 이용해 본 경험이 있을 것으로 생각되는 ABRC (Arabidopsis Biological Resources Center)와 같은 건물에 있습니다. 식물분야에서 능력이 출중한 다수의 교수분들과 함께 다양한 실험이 가능한 설비가 되어있는 수준 높은 센터라고 생각합니다. 기후도 무난하고, 물가가 동서부에 비해서는 상대적으로 많이 낮은 편에 속하고, 한국인 community도 작은 편이 아니기에 미국으로 유학을 계획하시는 분들께는 상당히 매력적인 장소로 생각됩니다. 3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 Dr. Anna는 2013년에 오하이오주립대 조교수로 부임하였고, 2014년 10월에 저를 연구실의 첫 박사후연구원으로 고용하였습니다. 당시에는 Dr. Anna의 start-up fund 밖에 없었는데, 제가 연구실에 join 한 이후로, NSF fund를 두 차례 받는데 기여한 바 있습니다. Dr. Anna는 이미징에 전문가적 자질을 가지고 있는데, 제가 연구실에 join 하였을 때에는 분자생물학적 실험 (Y2H, western blot, phosphorylation assay…) 을 위한 기자재가 set-up 되어 있지 않았는데 현재에는 어려움없이 모든 실험이 가능하도록 setting을 완료한 상태입니다. 그래서, 실험의 set-up부터 결과를 얻는 과정까지 연구실 구성원들의 결과에 전반적으로 기여하게 된 점에 보람을 느꼈습니다. 4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면? 생물학에서 식물을 전공한다는 것은 상대적으로 동물을 하시는 분들에 비해서 미래의 커리어를 위해서 제한적일 수 있습니다. 만약, 미국의 기업체에서 본인의 경력을 이어나가고자 하신다면, agriculture를 전공하시는 것이 더 기회가 많은 것으로 보입니다. 다만, 기초과학에 관심이 많으시다면, 충분히 매력적인 분야가 식물학이라고 생각합니다. 미국에 유학을 오고 싶거나 공부를 이어가고 싶은 후배분들 중에서 가끔 영어에 관해서 질문을 많이 하시던데, 저 같은 경우에도 한국에서 박사를 하고 온 경우이기 때문에 영어에 상대적으로 자신감이 높은 편은 아니었지만, 실험을 진행함에 있어서 대화만 가능하시다면 적응에는 큰 문제가 없으니, 용기있게 지원을 하시고, 본인의 경력을 이어나가시길 바라겠습니다. 5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면? 현재 발아구 형성에 관련된 새로운 단백질들 중에서 INP1과 상호작용하는 인자를 발견하였고, 두 번째 논문을 위해서 실험을 하는 중에 있습니다. 그와 동시에, 저는 academic 쪽 보다는 기업체에 job apply를 통해서 경력을 이어나가고자 준비 중에 있습니다. 6. 다른 하시고 싶은 이야기들.... 한빛사 인터뷰를 계기로 많은 분들께 감사의 인사를 드리고 싶습니다. 우선, 2013년부터 현재까지 5년간 미국에서 두 아이를 육아함과 동시에 같은 연구자 자리에서 경력을 이어가고 있는 제 와이프 전재옥박사에게 가장 큰 감사와 고마움을 전하고, 낯선 미국땅에서 건강하고 씩씩하게 자라고 있는 아들 지헌, 딸 리안에게 역시 사랑하고 고맙다고 말하고 싶습니다.그리고, 석사과정을 시작으로 현재까지 식물분자발생학 분야에서 경력을 이어나갈 수 있도록 많은 도움을 주신 경북대학교 김정회교수님 또한, 저를 항상 응원해주시는 정재창교수님, 송종태교수님, 박순기교수님께도 이번 논문을 계기로 정말 감사의 인사를 드리고 싶습니다. 마지막으로, 오랜 시간 미국에 있으면서 제대로 된 효도 한 번 못한 부족한 저를 항상 응원해주시는 울산에 계신 부모님, 형, 형수님, 유민, 유건, 대구에 계신 장인어른, 장모님, 제부, 처제, 지호, 지수에게 너무나 미안하고 고맙다는 말씀을 전합니다.
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