‘Nature에 발표된 이번 연구 결과에서, 스스로 질소를 만들어 내는 식물을 만들어내는 것이 기존의 생각처럼 그렇게 어려운 일은 아니라는 것이 밝혀졌다.

이 발견은, 영국 Sainsbury Laboratory (SL)의 과학자들에 의해 수행되었다.

많은 식물들의 뿌리는 토양 곰팡이들과 밀접한 관련을 가지면서 살아간다. 서로에게 이익이 되는 이러한 관계를 공생(symbiosis)이라고 한다.

곰팡이류는 토양에서 인산과 같은 영양소를 흡수하는데 매우 효과적이다. 이것은 식물의 당류와 교환되어 인산은 식물이 흡수하고 당류는 곰팡이류가 흡수한다.

콩과 식물의 뿌리는 Rhizoibum 박테리아와 특별한 공생 관계를 유지한다. 이 공생 관계에서, 박테리아는 공기중 질소를 흡수하여 질산과 암모니아의 형태로 변화시켜 식물에 공급한다. 반대로, 박테리아는 식물에 의해 생산된 당류를 공급받아 산다.

과학자들은 이런 질소 고정 공생 관계가 매우 독특하다고 생각해 왔기 때문에, 이번 연구로 인해 밝혀진, 곰팡이와 식물 뿌리 사이 공생에 필요한 아주 흔한 유전자가 똑같이 사용된다는 사실은 매우 흥미롭다.

이 연구 결과에서는, 공생을 이루는 중요한 단계를 조절하는 유전자를 설명했는데 이 과정 또한 두 가지의 공생 관계가 비슷한 부분을 갖는 유전적 청사진이다.

유전자 돌연변이에 의해 곰팡이나 질소 고정 박테리아와 공생이 힘든 연꽃 식물과 정상적인 식물을 비교했다. 돌연변이가 생긴 쪽에서는, 초기 단계에 공생이 성립되지 못했으며, DNA 분석 결과, 이 유전자가 관여되어 있음을 확인하게 되었다(SYMRK 공생 수용체 유사 인산화제 (symbiosis receptor-like kinase)). 이 유전자는 연꽃 식물이 뿌리 주변에 사는 질소 고정 박테리아나 mycorrhizal 곰팡이를 인식하게 한다.

SYMRK의 분자 구조는, 이 자체가 질소 고정 박테리아나 곰팡이에 의해 생산된 물질을 인식하는 수용체인 것으로 생각된다.

아직까지는 더 많은 연구가 필요하지만, SYMRK는 식물 뿌리 세포막 표면에 존재하여 박테리아와 곰팡이에서 오는 화학 물질을 받아들인다. 이 물질들과 SYMRK 수용체의 결합으로 인해 수용체의 구조가 변하거 성공적인 공생을 위해 꼭 필요한 유전자들을 활성화시킬 수 있다.

Rhizobium 박테리아와 콩과 식물의 공생 관계는 진화상으로 볼 때, 비교적 최근인 것으로 생각된다. 이 박테리아에 감염된 식물은 뿌리에 박테리아가 모여 있는 작은 뿌리혹을 형성한다. 따라서 뿌리혹은 질소 고정이 유지되는 자연적인 생물 반응기라고 생각하면 된다.

적당한 박테리아 있으면, 뿌리는 굽기 시작한다. 이렇게 뿌리의 굽은 부분에 박테리아가 모여 뿌리혹을 형성하게 되며, 공중 질소를 고정할 수 있게 되는 것이다.

Rhizobia 박테리아는 Nod(뿌리혹 생성) 인자를 생산하여 박테리아의 감염에 대해 뿌리가 굽게 하는 초기 작용을 자극한다. SYMRK 유전자에 돌연변이가 있는 연꽃 식물은 Nod 인자를 첨가해도 뿌리가 굽는 현상이 나타나지 않았다.

*원문: Nature 417 27 Jun 2002 959-962

*관련 웹사이트: The Sainsbury Laboratory(http://www.sainsbury-laboratory.ac.uk/)

출처 : KISTI, 생물과학 등 록 일 2002-07-04 원문출판일 2002년 06월 28일

http://unisci.com/stories/20022/0628024.htm

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