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식물 에너지 분배 촉진을 통한 토마토 생산성 향상 기술 제안
생명과학 한국연구재단 (2022-06-20)

국내 연구진이 식물 체내의 에너지 분배를 촉진함으로써 작물의 생산성을 증가시킬 수 있는 기술을 제안하였다.

한국연구재단은 황일두 교수(포항공과대학교, 제1저자 남호영 박사과정) 연구팀이 식물의 생산성 조절을 위한 새로운 전략으로 에너지 분배 통로인 ‘체관* 수’를 제어하여 토마토 생산성 향상에 기여할 수 있음을 규명했다고 밝혔다.
   * 체관 : 식물의 체내 연결 통로. 광합성을 통해 잎에서 만들어진 에너지 즉, ‘당’이 체관을 통해서 줄기, 뿌리, 과실 등 필요한 기관으로 분배됨.

기존의 생산성 증가 연구는 식물의 광합성 효율 향상을 유도하거나 스트레스 내성 증대 또는 과육과 같은 저장 기관의 발달 기작 제어 등의 시도로 이루어져 왔다.
하지만 식물이 이용 가능한 에너지는 한계가 있어, 충분한 생산성 향상을 위해서는 전체적인 에너지 분배의 개선이 필요했다.
이에, 에너지 분배 통로인 체관의 활성 제어를 통한 식물 내 에너지 분배 능력 및 생산성 향상 전략이 제시되었지만, 체관 발달 연구 부족 등에 따라 아직 확립되지 못한 영역으로 남아있었다.

연구팀은 선행연구를 통해 애기장대에서 동정한 체관 발달 억제 유전자 JUL1*이 토마토에서도 기능적으로 보존되어 있음을 규명하였고, SlJUL(Solanum lycopersicum JUL1)로 명명하였다.
    * JUL1(줄기) : RNA 결합 단백질을 암호화하는 유전자로써, 생성된 단백질은 체관 발달을 촉진하는 유전자의 mRNA에 결합하여 단백질 합성 과정 (번역 과정) 억제로 체관 발달을 조절한다.
이를 기반으로 이번 연구에서는 SlJUL 단백질 기능이 저해 및 상실된 토마토를 제작하였다.
그 결과, SlJUL 단백질의 기능 저해 정도에 따라 체관 수가 늘어나며, 이에 비례하여 식물 체내 에너지 분배 능력이 향상됨을 확인하였다. 
즉, 체관 수가 식물 체내 에너지 분배 능력을 결정함을 밝힌 것이다.

나아가, SlJUL 단백질 기능 저해 토마토의 향상된 에너지 분배 능력에 의해 과육의 수, 중량, 당도 등이 유의미하게 증가함을 확인하였다.
SlJUL 단백질 기능의 저해 정도 조절로, 특정 기관이 발달하여도 식물 생육에는 영향을 미치지 않으면서 작물의 유용 형질*은 향상시킬 수 있음을 알아낸 것이다.
  * 유용 형질 : 인류를 위해 선택할 수 있는 유리한 모양, 속성으로 다수성, 항산화 물질 생산, 병 저항성을 의미한다.

황일두 교수는 “SlJUL 유전자가 대부분의 관다발 식물에 높은 수준으로 보존되어 있어, 체관 수-에너지 분배 최적화 기술은 토마토 뿐 아니라 유용작물인 벼, 콩, 감자 등에도 광범위하게 활용할 수 있을 것이라는 측면에서 의미가 있다.”고 전하며, “지속적인 연구를 통해 유전자 교정기술을 활용하여 환경 변화에 대응하기 위한 신품종 육종기술 개발에 실마리를 제공할 것으로 기대한다.”고 덧붙였다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘플랜트 바이오테크놀로지 저널(Plant Biotechnology Journal)’에 5월 18일(한국시간) 온라인 게재되었다.


주요내용 설명

<작성 : 포항공과대학교 황일두 교수>

논문명
JULGI-mediated increment in phloem transport capacity related to fruit yield in tomato

저널명 
Plant Biotechnology Journal
키워드 
CRISPR-Cas9, Phloem development(체관부 발달), Plant productivity (식물 생산성), Source-Sink partitioning(생산-저장 분배)
DOI
http://doi.org/10.1111/pbi.13831 
저  자
황일두 교수(교신저자/포항공과대학교), 남호영 대학원생(제1저자/포항공과대학교)

1. 연구의 필요성
 ○ 토마토는 세계에서 많이 재배되는 과채 중 하나로 세계적으로 재배면적과 생산량, 교역량 모두 확대되고 있다. 세계 토마토 재배면적은 2000~2017년간 연평균 1.4%씩 증가하였고, 생산량은 재배기술이 향상되면서 연평균 3.1%씩 확대되었다. 
 ○ 우리나라의 토마토 재배면적은 지난 18년간 연평균 2.1%씩 증가하였다. 하지만 국내 토마토 시장의 확장에도 불구하고 2016년 농촌진흥청 자료에 따르면 토마토 종자 자급률은 38%로 종자의 상당 부분을 수입하고 있다.  
 ○ 체관*은 식물체 내에서 물질이 이동하는 장거리 수송 통로이다. 체관은 잎에서 생성된 광합성 산물을 각 기관으로 수송할 뿐 아니라 각 기관 사이의 신호 전달을 매개함으로써 식물 발달 및 생장에 주요하게 작용한다. 
     * 체관 : 식물의 체내 연결 통로. 광합성을 통해 잎에서 만들어진 에너지 즉, ‘당’이 체관을 통해서  줄기, 뿌리, 어린 잎 등 필요한 기관으로 분배됨.
 ○ 식물의 생산성을 늘리기 위한 목표 형질 중의 하나로, 일반적으로 체관의 활성을 증가시켜 식물 생산성을 늘리고자 하는 방법은 광합성 효율과 영양소 저장 조직의 활성을 증가시키는 방법과 같이 식물 연구의 핵심 주제 중의 하나이다. 하지만 체관의 활성을 조절하는 기술은 아직 확립되지 못한 연구 영역으로 남아있다.

 2. 연구내용 
 ○ 연구팀은 작물의 높은 생산성을 위한 새로운 전략으로 이론으로만 제안된 에너지 분배 통로인 체관의 활성을 제어하여 식물 내 에너지 분배 능력의 향상 및 생산성 향상 전략을 실증적 연구를 통해 규명하였다. 
 ○ 애기장대 연구를 통해 동정한 체관 발달 억제 유전자 JUL1*이 토마토에서도 유전적/기능적으로 보존되어 있음을 규명하였고, 이번 연구에서는 조직배양 및 분자생물학적인 방법을 통해 SlJUL 단백질의 기능이 저해 및 상실된 토마토를 제작하였다. 
    * JUL1(줄기) : RNA 결합 단백질을 암호화하는 유전자로써, 생성된 단백질은 체관 발달을 촉진하는 유전자의 mRNA에 결합하여 단백질 합성 과정 (번역 과정) 억제로 체관 발달을 조절한다.
 ○ SlJUL 단백질의 기능 저해 정도에 따라 체관 수가 늘어나며, 이에 비례하여 식물 체내 에너지 분배 능력이 향상됨을 확인하였다. 이로 인해, SlJUL 단백질 기능 저해 토마토에서 향상된 에너지 분배 능력에 의해 토마토 과육의 수가 37%, 중량이 60%, 당도가 25%로 유의미하게 증가함을 확인하였다.
  ○ 또한, SlJUL 단백질 기능 저해 정도를 긴밀하게 조절함으로써 식물의 생육에는 영향을 미치지 않으면서 작물의 생산성은 크게 향상될 수 있음을 제시하였다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 애기장대를 이용한 기초과학 연구에서 출발하여 인류가 실질적으로 섭취하고 활용하는 작물, 토마토에 응용하여 유의미한 결과를 이룩하였다. 
 ○ 발굴한 유전자를 분자적 마커로 이용 체관 발달 및 에너지 분배 효율 증대 작물 선별을 통한 고생산성 고기능성 토마토 개발 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 
 ○ 체관 발달 및 에너지 분배가 증대된 작물을 위한 최적의 영양조건, 재배 조건을 제시함으로써, 기존의 농업 생산력의 한계를 뛰어넘는 새로운 농업 기술을 제시할 것으로 기대된다.
 ○ JUL1 유전자는 유용작물에 높은 수준으로 보존되어 있어 체관 크기-에너지 분배 최적화 기술은 토마토뿐만 아니라 콩, 벼, 옥수수 등의 유용작물에도 활용할 수 있으며, 보편적인 작물생산량 증진에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
 ○ 체관 크기-에너지 분배 조절을 통한 작물 생산성 증대 기술 전략을 유전자 교정기술을 활용하여 정밀하게 발현량을 조절한 신품종 개발 및 육종 소재를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
 ○ 신품종 개발 및 보급으로 종자뿐 아니라 로열티 지불로 인한 막대한 경제적 손실을 막고 수출의 통로를 개발함으로 국내 종자기업의 이윤 추구에 도움이 될 것으로 기대된다.

 

체관부 발달, 광합성에너지의 분배, 생산성 간의 상관관계 모식도

(그림) 체관부 발달, 광합성에너지의 분배, 생산성 간의 상관관계 모식도
- 토마토 체관 발달 조절 단백질인 SlJUL의 기능을 저해하면 체관부 발달 뿐 아니라 체관 수-에너지 수송 및 생산성이 증가함. 
- 그러나 체관부의 과다한 발달은 오히려 식물 성장과 수확량에 부정적인 영향을 미침. 
- SlJUL 단백질의 적절한 기능 조절을 통해 식물의 생육에는 영향을 미치지 않으면서 토마토 과실 수, 총 무게, 당도 등 작물의 유용 형질을 향상할 수 있음을 확인함.
그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 황일두 교수

 

연구 이야기

<작성 : 포항공과대학교 황일두 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

  토마토는 세계에서 많이 재배되는 과채 중 하나로 세계적으로 재배면적과 생산량, 교역량 모두 확대되고 있고, 국내에서도 식용 신선 토마토로 재배면적과 소비가 증가하고 있습니다. 체관은 식물체 내에서 물질이 이동하는 장거리 수송 통로로, 잎에서 생성된 광합성 산물을 각 기관으로 수송할 뿐 아니라 각 기관 사이의 신호 전달을 매개함으로써 식물 발달 및 생장에 주요하게 작용합니다. 식물의 생산성을 늘리기 위한 목표 형질 중의 하나로, 일반적으로 체관의 활성을 증가시켜 식물 생산성을 늘리고자 하는 방법은 광합성 효율과 영양소 저장 조직의 활성을 증가시키는 방법과 같이 식물 연구의 핵심 주제 중의 하나입니다. 하지만 체관의 활성을 조절하는 기술은 아직 확립되지 못한 연구 영역으로 남아있습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 작물 생산성을 위한 새로운 전략으로 에너지 분배 통로인 체관의 활성을 제어하여 식물 내 에너지 분배 능력의 향상을 통해 토마토의 생산성을 크게 향상할 수 있음을 규명하였습니다. 애기장대 연구를 통해 동정한 체관 발달 억제 유전자 JUL1이 토마토에서도 유전적/기능적으로 보존되어 있음을 규명하였고, 조직배양 및 분자생물학적인 방법을 통해 SlJUL 단백질의 기능이 저해 및 상실된 토마토를 제작하였습니다. SlJUL 단백질의 기능 저해 정도에 따라 체관 수가 늘어나며, 이에 비례하여 식물 체내 에너지 분배 능력이 향상됨을 확인하였습니다. 이로 인해, SlJUL 단백질 기능 저해 토마토에서 향상된 에너지 분배 능력에 의해 토마토 과육의 수가 37%, 중량이 60%, 당도가 25%로 유의미하게 증가함을 확인하였습니다. 또한, SlJUL 단백질 기능 저해 정도를 긴밀하게 조절함으로써 식물의 생육에는 영향을 미치지 않으면서 작물의 생산성은 향상시킬 수 있음을 제시하였습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

  식물은 에너지를 이용하여 생장·발달하고, 동시에 환경 변화에 따른 스트레스에 대응합니다. 하지만 이용할 수 있는 에너지의 한계성은 스트레스 내성과 생장을 함께 증대시키는 데 어려움을 겪게 합니다. 기존의 연구는 식물의 광합성 효율 향상을 유도하여 식물이 빛 에너지로부터 합성하는 당 에너지의 양을 증가시킴으로써, 스트레스 내성과 생장을 증대시키려는 노력이 주를 이루었습니다. 또한, 작물의 과육과 같은 sink 조직과 같은 특정 기관의 발달 기작을 연구하고 이를 제어함으로써 생산성을 높이려는 시도가 이루어져 왔습니다.
  하지만 하나의 요소를 개선하는 것만으로는 충분한 효율 향상을 기대하기 어렵습니다. 즉, 기존의 생산성 증대 기술은 에너지 분배의 전체적 개선 없이는 그 한계를 지닙니다. 에너지 생산량 증대와 동시에 sink 조직으로의 에너지 분배를 최적화하는 것이야말로 기존의 기술적 한계를 뛰어넘는 새로운 생산성 증대 기술입니다. 체관부 발달조절과 같이 전체적 시스템 개선을 도모하는 에너지 분배의 최적화 기술은 작물 생산성 뿐 아니라 광범위한 스트레스 내성과 식물의 에너지 생산 효율을 함께 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 이번 연구를 통해 이론으로만 제시되던 에너지 분배 조절을 통한 작물 생산성 증대 기술 전략을 실증적 연구를 통해 증명하였고, 유전자 교정기술을 활용하여 정밀하게 발현량을 조절한 신품종 개발 및 육종 소재를 제공할 수 있을 것으로 기대합니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 애기장대를 이용한 기초과학 연구에서 출발하여 인류가 실질적으로 섭취하고 활용하는 작물, 토마토에 응용하여 유의미한 결과를 이룩하였습니다. 발굴한 유전자를 분자적 마커로 이용 체관 발달 및 에너지 분배 효율 증대 작물 선별을 통한 고생산성 고기능성 토마토 개발 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한, 체관 발달 및 에너지 분배가 증대된 작물을 위한 최적의 영양조건, 재배 조건을 제시함으로써, 기존의 농업 생산력의 한계를 뛰어넘는 새로운 농업 기술을 제시할 것으로 기대됩니다. 
JUL1 유전자는 유용 작물에 높은 수준으로 보존되어 있어 체관수-에너지분배 최적화 기술은 토마토뿐만 아니라 콩, 벼, 옥수수 등의 유용 작물에도 활용이 가능하며, 보편적인 작물생산량 증진에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다. 
  체관수-에너지 분배 조절을 통한 작물 생산성 증대 기술 전략을 유전자 교정기술을 활용하여 정밀하게 발현량을 조절한 신품종 개발 및 육종 소재를 제공할 수 있을 것으로 기대됩니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

  최신 유전자 교정기술과 조직 배양기술을 이용하여 시장에서 활용 가능한 SlJUL 기반 육종 소재 및 품종을 개발하기 위한 연구를 확대하고자 합니다. 우선, 다양한 형질 조합체 개발을 통해 최대의 생산성을 위한 최적의 체관을 가지는 노지, 신선 토마토 육종 소재를 개발하고, 스마트팜 제어 온실에서 생산성 검정을 통해 최대의 생산성을 가지는 환경 조건, 영양 조건을 제시할 계획입니다. 나아가, 다른 유용 작물에도 에너지 재분배 기술을 적용하여 생산성을 조절하는 실증 연구를 통하여 범용의 맞춤형 생산성 증가 기술을 확보하고자 합니다.

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본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다. [기사 오류 신고하기]
 
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