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뉴스 생명과학
식물 생산성 높이는 에너지 분배 단백질 규명
Bio통신원(한국연구재단)
- 등록2018.06.05
- 조회2759
식물 체내의 에너지 이동 통로 숫자를 늘려서, 더 많은 열매를 맺도록 유도하는 방법이 보고되었다. 황일두 교수, 조현우 박사, 조현섭 박사과정생(포항공과대학교) 연구팀이 식물 속 광합성 산물이 지나가는 체관* 발달을 조절하는 과정을 규명했다고 한국연구재단은 밝혔다.
* 체관 : 식물의 체내 연결 통로. 광합성을 통해 잎에서 만들어진 에너지 즉, ‘당’이 체관을 통해서 줄기, 뿌리, 어린 잎 등 필요한 기관으로 분배됨.
지구온난화에 따른 식량부족 문제에 대응하여, 식물의 생산성을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존 연구는 주로 광합성 산물의 생산량이나 저장량을 늘리는 방식으로 진행되어 왔다. 반면 이번 연구에서는 광합성 산물이 분배되는 과정에 주목하여 생산성을 획기적으로 향상시키는 새로운 기술을 개발했다.
연구팀은 애기장대, 담배와 같은 관다발 식물의 체관 발달에 관여하는 특정 단백질을 발견하고, 우리말로 ‘줄기(JULGI)'라고 명명했다. 이 단백질을 제어하여 체관 수가 늘어난 식물은 생산성이 최대 40%까지 증가하였다.
‘줄기’ 단백질의 구체적인 제어 과정도 밝혀졌다. ‘줄기' 단백질은 체관 발달을 유도하는 특정 RNA가 접혀 있는 구조(G-쿼드러플렉스*)에 결합함으로서, 체관 발달을 억제한다.
* G-쿼드러플렉스(G-quadruplex) : 단일가닥 RNA가 접혀서 만들어진 특수 구조
‘줄기’ 단백질과 목표 유전자들의 체관 발달 조절은, 지구 식생의 대부분을 차지하는 관다발 식물의 진화에 결정적인 기능을 했을 것으로 여겨진다.
황일두 교수는 “지금까지 이론상으로만 제안되어 온 식물 체내의 에너지 수송(분배) 능력과 생산성 사이의 연관성을 최초로 증명한 것”이라며, “기후 변화에 따른 식물 생산성 저하 문제를 해결하는 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 농촌진흥청 우장춘프로젝트 지원으로 수행되었다. 네이처 플랜트(Nature Plants) 5월 28일 자에 게재되었고, 6월호 표지논문으로 선정되었다.
□ 논문명, 저자정보
논문명
Translational control of phloem development by RNA G-quadruplex–JULGI determines plant sink strength
저 자
황일두 교수 (교신저자, 포항공과대학교), 조현우 박사 (공동 제1저자, 포항공과대학교), 조현섭 대학원생 (공동 제1저자, 포항공과대학교)
□ 연구의 주요내용
1. 연구의 필요성
○ 이산화탄소를 탄소화합물로 전환하는 광합성은 지구 탄소 순환계를 구성하는 핵심 기작이다. 식물은 광합성을 통해 생태계에서 태양으로부터 오는 빛에너지를 유기에너지로 전환시키는 1차 생산자이자 독립 영양 생물이다. 따라서 이러한 식물의 발달과 성장의 근본 원리를 이해하고 응용하는 것은 인간 개개인의 생존이 아닌 인류의 지속적 생존을 위해 필수적이다.
○ 식물 생산성 향상을 위한 연구는 탄소 동화 효율을 증대시키기 위해 광합성에 관여하는 일련의 대사 효소들의 기능 개선에 초점이 맞추어져 왔다. 하지만, 진화적으로 최적화 되어 있는 탄소 동화의 인위적 조절에는 기술적 한계가 있어왔다. 이를 개선하기 위해서 분자적 수준을 넘어 식물 개체 수준에서 광합성 산물인 탄소 화합물의 이동 조절을 통해 전반적인 탄소 동화 효율을 증대시키는 방안이 대두되었다.
○ 연구팀은 광합성을 통해 잎에서 만들어낸 에너지인 당을 식물의 각 기관으로 수송하는 통로인 체관을 조절을 통하여 식물 내 에너지 순환을 촉진하여 식물의 생산성을 효율적으로 증가 시킬 수 있을 것으로 가설을 설정하였다.
2. 연구내용
○ 체관 및 물관의 형성은 관다발 식물의 출현에 가장 중요한 획득 형질 중의 하나이고, 체관 발달을 조절하는 메커니즘은 진화적으로 관다발 식물에서 잘 보존되어 있을 것으로 판단하여 여러 식물의 전사체 분석을 통해 공통적으로 나타나는 체관 발달 핵심 조절 유전자들을 동정하였다. 이 중에서 “식물의 줄기” 또는 “물질이 흐르는 통로”를 나타내는 우리말인 “줄기(JULGI)”로 명명한 유전자가 억제되면 체관의 수가 크게 증가한다. 이를 통해 줄기 유전자가 체관 발달의 음성 조절자이며, 줄기 유전자 발현 조절을 통해 체관 수와 광합성 산물인 당의 이동을 조절할 수 있음을 확인하였다.
○ 줄기는 RNA 결합 단백질로 RNA G-quadruplex*라는 RNA 이차 구조에 결합하며, 특히, 체관 발달 양성 조절자인 SMXL4/5 전령 RNA (messenger RNA)*의 5’UTR (untranslated region)*에 존재하는 G-quadruplex 구조를 형성하고 이 구조에 결합하여 SMXL4/5 번역을 억제함으로 체관 발달을 조절함을 밝혔다.
* RNA G-quadruplex : 4개의 구아닌이 수소결합을 이룸으로 형성되는 특수한 RNA 이차구조.
* 전령 RNA (messenger RNA) : 유전 정보가 전송되는 형태. 유전 정보를 복사해 단백질을 합성하는 설계도 역할을 함.
* 5’UTR (untranslated region) : 전령 RNA의 단백질 합성 시작 코돈(start codon)의 앞쪽에 위치하는 부분으로 번역 조절에 중요한 역할을 함.
○ 줄기 아미노산 서열과 SMXL4/5 유전자 5’UTR의 G-quadruplex 형성 염기 서열이 대부분의 작물이 포함되는 관다발 식물에만 특이적으로 잘 보존되어 있어, 식물이 물에서 뭍으로 진화하는 동안 줄기와 G-quadruplex를 통한 체관 조절 메커니즘의 도입이 관다발 식물의 출현에 중요한 역할을 하였음을 보여준다.
○ 식물 체내의 에너지 수송 능력은 식물 생산성과 밀접한 연관성이 있을 것으로 지금까지 이론적으로 제시되어 왔다. 이 연구에서는 줄기 유전자의 발현이 억제되어 광합성 산물 이동 통로인 체관의 수와 당 수송이 향상되면 식물 종자의 크기 및 무게가 최대 40% 까지 증가됨을 확인하였고 이를 통해 체관의 수송 능력의 향상이 식물 생산성을 증가하는데 기여할 수 있음을 최초로 증명하였다.
3. 연구성과/기대효과
○ 이 연구를 통해 체관 발달 핵심 유전자 줄기 (JULGI)를 동정하였으며, 줄기와 RNA G-quadruplex를 통한 새로운 체관 발달 조절 메커니즘을 제시하였다. 이는 RNA G-quadruplex라는 특수한 구조가 다세포 생물에서 실제 기능을 하고 작동한다는 것을 입증하는 결과로 과학적으로 큰 의의를 가진다.
○ 또한, 체관 발달 조절을 통해 식물 생산성이 향상 될 수 있음을 확인하였는데, 이는 지금까지 이론상으로만 제안되어 온 식물 체내의 에너지 수송(분배) 능력과 생산성 사이의 연관성을 세계 최초로 증명한 연구 성과이다.
○ 위와 같은 과학적 성취와 더불어 이 연구가 지구온난화와 기후 변화로 인한 식물 생산성 저하 문제 해결에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
(그림1) ‘줄기(JULGI)’ 발현 억제 식물 표현형
‘줄기’ 유전자 발현 억제 시에 체관의 수가 크게 증가 되며 종자의 크기 또한 크게 증가됨을 확인. 야생형 식물 (좌), 줄기 유전자 발현 억제 식물 (우).
(그림2) 에너지 분배 촉진을 통한 작물 생산성 향상 모식도.
체관 발달을 조절하는 줄기 유전자를 이용하여 체관 수를 늘릴 수 있으며, 이를 통해 식물 체내 에너지 분배를 촉진함으로 식물 생산성을 높일 수 있음을 보여주는 모식도.
야생형 식물 (위), 체관 수가 증가된 에너지 분배 촉진 식물 (아래).
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