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식물은 추위나 가뭄을 어떻게 견뎌 낼까요?우리 대학 윤대진 교수 연구팀, 분자수준에서 첫 규명
윤대진 교수(KU융합과학기술원 의생명공학과) | 승인 2019.10.10 08:00
윤대진 교수(KU융합과학기술원 의생명공학과)

우리 대학 윤대진 교수(KU융합과학기술원, 의생명공학과) 연구팀이 지난해 식물이 추위를 견디는 과정을 첫 규명 한데 이어 올해에는 세계 최초로 식물이 가뭄을 견디는 과정을 분자수준에서 규명했다. 이번의 연구결과로 환경재해에 견딜 수 있는 식물체 개발이 가속화 될 것으로 전망한다. 이번 호에서는 식물이 어떻게 주어진 환경을 견디어 내는지에 대해서 알아보고자 한다.

 

최근 급속한 산업화와 기후변화에 따른 심각한 환경변화 및 기후 온난화와 식량부족 문제는 인류생존을 위협하는 가장 중요한 현안문제로 대두되고 있다. 산업혁명 이후 석탄, 석유 등 화석에너지의 과다한 사용은 대기 중의 이산화탄소 농도를 크게 상승하게 했고, 무분별한 개발과 산업화는 결과적으로 지구 온난화, 사막화, 기상변동 등의 심각한 환경문제를 초래하게 됐다. 또한, 날로 악화되는 환경문제는 세계적인 식량난 또한 동반하게 됨으로써 우리나라의 경우도 식량자급률이 30%를 밑도는 수준이며, 세계 인구 1인당 곡물생산량은 1980년대 중반부터 감소하여 지금과 같은 추세로 인구가 증가한다면 몇 년 이내에 세계의 절대 식량이 부족하게 될 것으로 추정하고 있다.

 

식물이 유전적으로 생산할 수 있는 총생산량을 100%로 보았을 때 실제 생산량은 21%에 불과 하며 그중 대부분은 가뭄, 냉해, 염해 등을 비롯한 환경스트레스에 의해 손실되게 되며 이는 작물총생산량의 약 70%에 달한다. 따라서 이러한 손실을 단 1%만 줄일 수 있다고 하더라도 미래 인류가 당면할 식량문제를 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 식물은 이동할 수 없기 때문에 주어진 환경에서 많은 스트레스를 받고 있으며 생존을 위해서 이들 스트레스에 견뎌야 한다. 따라서 식물이 어떻게 외부환경을 인식하고 어떠한 생체방어 시스템을 작동해 스트레스에 견딜 수 있는가를 규명하게 되면 재해저항성 식물체를 개발할 수 있기 때문에 전 세계적으로 많은 연구자들이 식물환경스트레스 저항성 기작을 연구하고 있다.

 

윤교수 연구팀은 환경스트레스 신호전달 체계에 관여하는 핵심유전자들을 확보하기 위해 애기장대 (Arabidopsis)유전학 시스템을 사용했다. 애기장대는 전체 유전체의 size가 적고, 세대간격이 짧을 뿐만이 아니라, 형질전환이 간편하기 때문에 식물연구자들이 널리 이용하고 있는 모델 식물체이다. 윤대진 교수는 2004년에 미국 Purdue대학교에 현지 연구실을 설치했고 세계최대의 온실 (green house)시설을 이용해 환경 스트레스 저항성에 이상을 보이는 돌연변이체를 대량 작성하고, 환경스트레스에 이상을 보이는 변이체를 선발하여 이들로부터 해당 유전자의 확보 및 기능해석에 관한 연구를 수행하여 왔다.

 

식물이 추위를 견디는 과정 규명

생물체가 유전자(DNA)를 발현하기 위해서는 전사조절인자를 비롯한 DNA 결합단백질이 DNA배열에 접근하기 용이해야 한다. 하지만 진핵생물의 경우 염색질에 의해 DNA가 덮여진 상태로 존재하기 때문에 염색질 구조변화를 통해 DNA를 일시적으로 노출돼야 한다. DNA결합단백질이 표적DNA의 접근성을 높이기 위한 염색질의 구조 변환 과정을 염색질 재구성이라 하는데 윤 교수진이 분리한 돌연변이체는 이러한 염색질의 구조변화에 이상을 초래해 추위를 감지할 수 없는 돌연변이체였다. 따라서 이러한 돌연변이체로부터 유전자를 분리하고 생화학적, 분자세포생물학적 및 유전학적인 방법 기능해석을 행한 결과 그림과 같이 식물이 추위에 견디는 과정을 분자수준에서 규명할 수 있었다.

식물이 염색질의 구조변화를 통하여 추위저항성 유전자를 활성화하는 과정

추위 스트레스가 없는 평상시에는 호스15(HOS15)단백질이 히스톤 탈아세틸화 효소 (HD2C)와 복합체 (보조 억제자 복합체)를 형성해 히스톤3(H3)을 탈아세틸화해 고도로 집적된 형태의 염색질(불활성염색질)을 만들어 추위저항성에 관여하는 콜유전자 (COR gene)의 발현을 억제하고 있다. 그러나 추위가 오게 되면 호스15단백질이 이를 감지하게 되고 단백질 분해에 관여하는 유비키틴이3라이가제(CUL4-DDB1-HOS15)로 작동해 기질인 히스톤 탈아세틸화 효소(HD2C)를 분해시키게 된다(CRL4HOS15에 의한 분해). 그러면 히스톤(H3)이 아세틸화효소(HAT)에 의해 아세틸화(Ac)) 되게 되고 이로 인해 염색질이 풀린 구조인 활성염색질로 변화된다. 이로 인해 추위저항성에 관여하는 콜유전자(COR gene)의 프로모트부위가 노출되게 되고 여기에 콜유전자의 발현을 조절하는 전사조절인자(CBFs)들이 결합(보조활성자 복합체)하게 돼 콜유전자의 발현을 증가시키게 되며 궁극적으로 식물은 냉해저항성을 가지게 된다.

 

식물이 가뭄을 견디는 과정 규명

식물이 건조한 환경에 노출되게 되면 스트레스 호르몬인 ABA를 합성되고 신호전달물질로 작용해 생체방어유전자를 활성화하며 이를 통해 기공의 개폐를 조절함으로서 수분의 증발을 막고 이를 통해 건조한 환경에 견딜 수 있게 된다. 건조스트레스 호르몬인 ABA에 의해 매개 되어지는 신호전달과정에는 인산화효소(Kinase)인 OST1단백질이 핵심적인 역할을 수행한다. OST1은 역할을 수행한 뒤에 일정한 시간이 지나면 분해돼 평소의 수준으로 돌아가야 하는데 이를 둔감화 (desensitization)라고 한다. 이러한 둔감화는 OST의 활성화에 의한 흥분상태 지속으로 인해 초래되는 부작용을 세포가 방지하기 위한 생체의 자기 보호 기능이라고 할 수가 있다. 윤 교수팀은 식물이 건조한 환경에 처하게 됐을 때 식물세포에 존재하는 단백질들이 어떻게 변화된 환경을 인식하며 신호를 전달하는지를, 그리고 생성된 신호를 어떻게 소멸함으로써 스트레스방어와 생육에 균형을 맞춰 항성성을 유지하는지에 관한 전 과정을 분자수준에서 규명했다.

OST1이 활성화돼 식물이 건조한 환경에서 저항성을 갖게 되는 과정

그림설명

(A) 식물이 건조한 환경에 노출되게 되면 스트레스 호르몬인 Abscisic Acid (ABA)를 합성하고 이렇게 합성된 ABA는 수용체인 PYR에 결합하여 건조신호를 활성화는 인산화효소인 OST1의 활성화를 방해는 탈인산화효소인 ABI를 OST1으로부터 격리시킨다. 이렇게 되면 OST1은 활성화돼 하위에서 작동하는 전자조절인자들을 활성화시켜 건조에 저항성을 보이는 유전자들을 활성화하게 돼 식물이 건조한 환경에 견딜 수 있게 된다. (B) 그런데 이렇게 활성화된 OST1은 그 역할을 수행하고 일정시간이 지나면 분해돼 신호를 소멸시켜야 한다. 그렇지 않으면 세포가 항상 흥분상태로 존재하게 돼 항상성을 유지할 수 없고 비정상적인 상태로 놓이게 돼 궁극적으로는 죽음에 이르게 된다. (C) OST1이 활성화된 식물체는 건조저항성을 가진다. 본 연구로 ABA를 매개로 하는 건조신호전달의 핵심단백질인 OST1의 생성과 소멸에 관여하는 전 과정을 분자수준에서 규명함으로서 건조에 저항성을 가진 식물체를 개발할 수 있는 토대를 마련했다.

 

향후 전망

그동안 식물환경스트레스에 관한 연구는 생리현상연구를 중심으로 행해져 왔으나, 윤 교수 연구팀이 식물환경스트레스에 관한 신호전달연구를 분자수준에서 수행해 본 연구 분야를 세계적으로 선도하게 됐으며 학문적 수준을 높이는데 크게 기여했다. 앞으로 윤 교수연구팀이 규명한 연구 원리를 토대로 미래 인류의 식량안보 및 환경재해방지에 공헌할 식물체를 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 

 

윤대진 교수(KU융합과학기술원 의생명공학과)  kkpress@hanmail.net

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