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작물의 발아 시점 조절 가능한 매커니즘 밝혀...포스텍 이영숙 교수 연구팀
생명과학 미래창조과학부 (2015-09-24)

미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)은 국내 연구진(포항공과대학교의 이영숙 교수 연구팀)이 어린 식물이 버틸 수 없는 환경에서 일찍 발아해버리는 ‘잘못된 시작’을 막아주는 식물 호르몬 앱시스산(ABA)*을 수송하는 단백질(수송체)과 그 수송 매커니즘을 규명함으로써 수확물의 품질 향상을 위한 토대를 마련했다고 밝혔다.
  * ABA(Abscisic acid) : 종자의 발아억제, 휴면촉진, 낙과촉진 등을 유발하는 호르몬

이번 연구팀은 식물의 종자가 적절한 환경을 만날 때까지 발아하지 않고 휴면 유지에 필요한 앱시스산 호르몬의 수송체를 규명하는 연구로, 미래창조과학부의 기초연구사업(글로벌연구실, 중견연구자지원)을 통해 수행하였으며 이 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인판 9월 3일자에 게재되었다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : Abscisic acid transporters cooperate to control seed germination
   - 저자 정보 : 이영숙 교수(교신저자, 포항공과대학교), 강주현 박사(제1저자, 스위스 Zurich 대학)


논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성
   ○ 종자의 발아는 식물의 삶에 있어서 매우 중요한 첫 단계이다. 배아는 성장에 좋은 환경(물, 햇빛, 온도, 등)이 갖추어졌을 때에만 발아하고, 그렇지 않을 때에는 견고하게 보호받는 종피 안에서 휴면 상태를 유지해야 한다. 
   ○ 부적절한 환경에서 휴면상태 유지를 위해, 종자는 외피에 있는 배젖*에서 식물 호르몬(앱시스산)을 합성하여 배아** 쪽으로 지속적으로 공급하여 배아의 성장을 억제한다. 그동안 이 호르몬이 어떻게 배아까지 전달되는지 학계에 알려진 바가 없었다.
     * 배젖 : 식물 본체가 되는 배(胚)에 영양을 공급하는 조직
     ** 배아 : 다음 세대의 식물체를 구성하게 될 조직으로, 발아 시 싹이 트는 부분

 2. 발견 원리
   ○ 연구진은 앱시스산을 배젖에서 배아로 수송하는 단백질 수송체를 찾기 위해, 다양한 데이터베이스를 참고하여 10개의 후보 수송체를 선발하였고, 이들  수송체의 돌연변이 종자를 수집하여 야생종과의 발아정도를 비교함으로써, 4개의 수송체가 호르몬 수송에 직접 관여한다는 사실을 알아냈다.
   ○ 수송체 중 두 가지는 배젖의 세포막에 위치하여 호르몬을 분비하는 역할을, 나머지 두 가지는 배아의 세포막에서 호르몬을 받아들이는 역할을 수행하며 이들이 상호 협동하여 종자의 휴면상태를 유지시킨다는 사실을 실험적으로 증명하였다.

 3. 연구 성과
   ○ 종자의 휴면을 유지하기 위해 필요한 앱시스산의 수송 원리를 밝힘으로써 이를 종자 품종개량사업에 응용하여 작물의 생산성을 높일 수 있는 토대를 마련했다.
   ○ 종자에 존재하는 앱시스산 수송체를 규명하였다. 이를 통하여 또한 인접한 두 조직인 배젖과 배아 각각에 위치한 4가지 수송체들은 상호 협동하여 앱시스산을 수송한다. 이러한 앱시스산 수송 매커니즘을 최초로 밝혀냈다.


벼의 수발아 현상과 같이, 완숙기에 들어간 종자가 이삭에 매달린 상태에서 일찍 발아해 버리는 현상은 곡물 생산에 큰 피해를 준다. 이런 수발아 현상이 일어나면 생산성이 감소할 뿐만 아니라 품질에도 큰 영향을 주기 때문에 농가의 피해로 귀결된다.

연구를 주도한 이영숙 교수는 “이번 연구에서 발견된 발아 억제 유전자들을 이용하면, 휴면 상태를 더 잘 유지하는 돌연변이 종자를 만들 수 있을 것”이라며 “각종 종자 품종 개량사업에 응용하면 시기에 맞지 않는 발아 때문에 농산물의 상품성이 훼손되는 것을 막을 수 있다.”라고 말했다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
  ㅇ 씨앗이 싹을 틔우는 것은 식물의 삶에 있어서 매우 중요한 첫 단추를 꿰는 것이다. 연약한 새싹이 성숙한 식물로 자라나는 것은 매우 어려운 일인데, 이 어려운 과정에서 성공하기 위해서는 씨앗이 발아하는 시기를 잘 맞추는 것이 필수적이다. 즉, 배아는 성장에 좋은 환경(물, 햇빛, 온도, 등)이 갖추어졌을 때에만 발아하고, 그렇지 않을 때에는 견고하게 보호받는 종자 안에서 휴면 상태를 유지한다.
  ㅇ 때 이른 발아와 같은 ‘잘못된 시작’을 막기 위한 안전장치가 씨앗 속에 작동하고 있다. 종자의 외피에 있는 배젖에서 지속적으로 식물 호르몬(앱시스산)을 합성하여 배아 쪽으로 보내서 배아가 휴면 상태를 유지하도록 하는 것이다. 그러나 이 호르몬이 어떻게 배아까지 전달되는지는 학계에 알려진 바가 없었다.
  ㅇ 이영숙 교수 연구팀은 2010년 공변세포에 존재하는 앱시스산 수송체를 분리, 동정한 경험을 바탕으로, 종자에 존재하는 앱시스산 수송체들을 찾고자 하였다. 

2. 연구내용
  ㅇ 종자는 적합하지 않은 환경에서 배아가 발아하는 것을 억제하기 위하여 배젖에서 식물 호르몬 앱시스산을 생산, 배아에 지속적으로 공급하여 그 성장을 억제한다. 이 과정에는 배젖에서 생산된 앱시스산을 세포 밖으로 퍼내는 수송체와, 배아에서 앱시스산을 세포 안으로 도입하는 수송체가 각각 필요하다.
  ㅇ 연구단은 이번 연구에서 배젖에서 배아로 앱시스산을 수송하는 과정에 기여하는 4가지 수송체를 찾아내었고, 이들이 상호 협동하여 적합하지 않은 환경에서 종자가 발아하지 않도록 지킨다는 것을 밝혔다.
  ㅇ 이들 중 두 가지는 배젖의 세포막에 위치하여 호르몬을 분비하는 역할을, 나머지 두 가지는 배아의 세포막에서 호르몬을 받아들이는 역할을 수행함을 실험으로 증명하였다. 또한 배젖에 위치한 두 가지 수송체가 모두 결여된 돌연변이체와 배아에 위치한 두 가지 수송체가 모두 결여된 돌연변이체를 각각 교배를 통하여 생산, 표현형을 관찰한 결과, 효율적으로 종자의 발아를 억제하기 위해서는 이들 수송체 모두가 중요한 역할을 수행함을 보였다. 

3. 기대효과
  ㅇ 벼의 수발아 현상과 같이, 완숙기에 들어간 종자가 이삭에 매달린 상태에서 일찍 발아해 버리는 현상은 곡물 생산에 큰 피해를 준다. 이런 현상은  잦은 강우, 고온 다습한 기후에서 자주 일어나는데, 수발아 현상이 일어나면 생산성이 감소할 뿐만 아니라 품질에도 큰 영향을 준다. 수발아는 종자의 휴면성과 깊은 관련이 있다. 앱시스산은 종자의 휴면을 유지하는데 가장 중요한 호르몬 중 하나이다. 따라서 이번 연구에서 발견된 앱시스산 수송체 유전자들을 이용하면, 휴면 상태를 더 잘 유지하는 돌연변이 종자 개발 및 시기에 맞지 않는 발아 때문에 농산물의 상품성이 훼손되는 것을 막을 수 있을 것이다.
  ㅇ 또한 학문적으로도 1) 두 인접한 조직 간에 일어나는 호르몬 수송에 여러 수송체가 관여함을 밝힘으로써, 식물체내 앱시스산의 생산과 이동, 분포에 대한 이해를 높일 수 있게 되었고, 2) 종자의 휴면과 발아 기작에 있어 앱시스산의 역할에 대한 이해를 높일 수 있었다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

2010 년에 본 연구단은 식물의 건조저항성 형성에 중요한 앱시스산 수송체가 애기장대 공변세포에 존재함을 보고하였다. 앱시스산은 식물의 건조저항성 뿐만 아니라 종자의 휴면에도 매우 중요한 호르몬이다. 따라서 본 연구단은 식물의 종자에도 앱시스산의 수송체가 존재할 가능성이 높다고 판단, 본 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 과제의 교신저자인 이영숙 교수는 10여년 전부터 애기장대에 존재하는 ABC 수송체 돌연변이들을 수집 분리하고 기능을 동정하고 있었다. 이 돌연변이 집단을 이용하여 다양한 조건에서 스크리닝을 진행하여, 종자의 발아능력과 관련된 돌연변이들을 찾을 수 있었다. 또한 본 연구단은 2007년부터 글로벌연구실 사업에 참여하여 소속 학생들에게도 다양한 해외학회에 참석하는 기회를 제공하였다. 그 과정에서 2010년 앱시스산 수송체를 발견한 제 1저자 강주현 박사가, 애기장대 종자에서 배아와 배젖을 분리하여 발아를 보다 정확하게 실험하는 기술을 개발한 공동 교신저자인 스위스의 로페-몰리나 교수를 학회에서 만나서 본 연구를 본격적으로 시작하게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

   ABC 돌연변이체를 대상으로 종자에서 앱시스산 수송을 담당할 것으로 보이는 몇 가지 ABC 수송체 돌연변이를 성공적으로 선발한 뒤에도 각각 한 유전자만 돌연변이된 식물의 표현형이 크지 않아 연구에 어려움이 있었다. 이는 종자의 발아 및 휴면 조절기작이 식물체에서도 가장 복잡한 기작 중의 하나이기 때문에 여러 인자가 복합적으로 관련되어 있고, 그 결과 이 중 하나가 돌연변이 되어도 그 표현형이 크게 나타나지 않기 때문이다. 또한 휴면을 유도함에 있어 배젖과 배아가 각기 다른 역할을 수행하는데, 이들을 분리하지 않고 전체 종자를 이용하여 실험할 경우, 그 결과는 이 두 조직의 기능이 혼합되어 표현형이 확실하게 나타나지 않는다. 이로 인해 본 연구가 큰 진전을 보이지 못하고 있었는데, 제 1저자가 국제 학회에 참석하여 본 논문의 공동 교신 저자인 로페-몰리나 교수를 만나게 되었다. 로페-몰리나 교수는 당시  종자의 배젖과 배아를 분리한 뒤 재조합하는 실험법을 고안하여, 배젖에서 배아로 앱시스산이 어떻게 수송되는지, 연구를 진행하고자 하였다. 이렇게 만나게 된 두 그룹은 합심하여 연구를 진행하였고 성공적인 성과를 얻게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

식물 종자에 존재하는 앱시스산 수송체들을 찾고 이들이 종자가 발아하지 못하도록 억제한다는 것을 알아내었다.  종자의 휴면 유지라는 하나의 목표를 위해 여러 앱시스산 수송체가 배젖과 배아에 특이적으로  발현되어 협동적으로 앱시스산을 운반하고 있음을 발견하였다.  싹이 크는 것은 식물로서는 엄청난 위험을 무릅쓰는 것이며, 이것이 적절한 환경에서만 이루어져야, 어린 식물이 살아남아 다음 세대를 남길 수 있기 때문에, 발아하지 못하도록 앱시스산을 수송하는 수송체들은, 잠자는 공주가 잠에서 깨지 못하도록 지키는 요정과 같다고 비유할 수 있다.     

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

- 본 연구단은 이번 연구 뿐만 아니라 그동안 다양한 애기장대 ABC 수송체를 분리하고 그들의 기능을  밝혀서 이 분야의 선두주자로 일하고 있다. 그러나 ABC 수송체의 분자수준에서의 작동기작에 관해서는 거의 알지 못하고 있다.  식물의 ABC 수송체를 과발현시켜서 단백질 결정화를 통해 수송체의 구조와 기능을 분자수준에서 분석해보고자 한다. 
-- 본 연구단은 이러한 실험을 통해서 작물의 생산성과 안전성에 기여할 수 있는 원천기술을 획득하고, 여러 학생들을 국제적인 학자로 양성하고자 한다. 
 
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

애기장대 종자는 그 크기가 겨자씨 정도로 작다 (0.5 ~ 0.7 mm 직경).  본 연구에서 정확성을 기하기 위해서는 이렇게 작은 종자의 배아와 배젖을 분리하는 과정이 필요했다.  분리하면서 이 조직 중에 하나라도 조금이라도 다치면 실험에 오차가 날 수 있기 때문에, 현미경으로 보면서 매우 조심해서 서로 다치지 않게 물리적으로 분리해내는 작업이 중요했다.  하나의 실험을 위해 한 번에 수백에서 수천 개의 배아 또는 배젖을 준비해야 했기에, 제일저자인  강주현 박사는 오전 8시부터 오후 8시까지 꼬박 12시간 가량을 현미경 앞에서 보내야만 했다. 점심과 저녁은 패스트푸드 등을 이용해서 간단하고 빠르게 해결해야만 했었다. 

휴면 상태의 배아(사진 위)와 휴면기를 지나 싹을 틔운 종자

그림 1.  휴면 상태의 배아(사진 위)와 휴면기를 지나 싹을 틔운 종자(사진 아래)


 

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