~ 질소 기아에 강한 작물의 작출(作出)에 응용 ~
나고야대학 대학원 이학연구과 생명이학전공 연구팀은 식물의 뿌리에서 질소영양 섭취량을 전신적으로 제어하는 새로운 호르몬 “CEP”를 발견하고 그 작용 메커니즘을 규명하였다.
아미노산이 수십 개 연결된 작은 펩티드균이 식물 성장의 다양한 단계에서 호르몬으로서 중요한 작용을 하고 있는 사례의 보고가 증가하고 있다. 이 형태의 단쇄(short chain) 펩티드 호르몬의 생산과정 및 구조에 몇 가지 특징이 있기 때문에 연구팀은 게놈이 해독되어 있는 애기장대의 유전자 정보를 참고하여 유의 과정에서 생산될 가능성이 있는 펩티드균을 선택하였다.
그 중 하나가 CEP(C-terminally Encoded Peptide) 패밀리로 애기장대에 적어도 11개의 유전자가 나타났다. CEP의 대부분은 뿌리에서 특이적으로 발현되었다. 본 연구그룹이 CEP를 펩티드 호르몬 후보로서 해석하기 시작한 것은 2008년의 일이지만, 유전자가 다수 존재하고 있기 때문에 전부 손상시킨 식물을 만들 수 없었으며, 당초에는 기능을 잘 알지 못하였다.
그래서 발상을 전환하여 CEP를 인식하는 수용체 분자를 발견하려는 시도를 하였다. 수용체가 잘 발견된다면, 그 결손주의 해석에서 CEP 패밀리 펩티드의 기능을 규명할 수 있다. 단쇄 펩티드의 수용체로서 기능하는 분자가 몇 가지 포함되어 있는 LRR형 수용체 키나아제 패밀리에 대해 종합적인 결합실험을 수행한 결과, 그 중 두 개가 CEP의 수용체(CEPR)로서 기능하고 있다는 것이 밝혀졌다. 이 두 개의 CEPR을 양쪽 모두 결손시킨 식물체를 질소결핍 시에 종종 관찰되는 곁뿌리의 신장 및 잎의 황화, 식물체의 왜소화 등의 형태변화를 나타내기 때문에 CEP가 질소반응에 관여하고 있을 가능성이 나타났다.
이 결과에 기초하여 CEP 패밀리 펩티드가 질소응답의 어느 과정에 관여하고 있는가를 조사한 결과, 뿌리의 한쪽이 질소기아가 되었을 때에, 다른 한쪽의 뿌리에서 질소의 섭취를 촉진하여 보충하는 시스템에 관련된 유전자군의 발현이 CEP에 의해 제어된다는 것을 나타내었다. 전신적인 질소요구 시그널링은 자연계에서 토양 중의 질산이온의 분포가 불균일한 경우에도 개체 전체로서의 질산이온 섭취량을 최적으로 유지하기 위해 식물이 진화시킨 구조이다.
상세한 해석으로부터 CEP의 기능과 구조를 다음과 같이 결론지었다.
(1) 뿌리의 한 쪽이 질소기아를 감지하면 뿌리에서 CEP 패밀리 펩티드의 발현 수준이 급상승하고, 도관을 통해 지상부로 CEP를 보낸다.
(2) 지상부에 도달한 CEP는 입 등의 유관속에서 발현하고 있는 수용체, CEPR에 의해 인식되어 전신에 질소기아를 전달하는 2차 신호가 생산된다.
(3) 2차 신호는 뿌리로 이행하고 아직 질산이온이 남아 있는 환경에 있는 뿌리에 작용하여 NRT2.1 등의 질산이온 섭취 수송체의 발현을 상승시킨다. 이것에 의해 국소적인 질소기아에 의한 부족분을 보충한다.
(4) 이 구조에 의해 식물은 변동하는 질소환경에 대해 정교하게 적응할 수 있다.
그림 1. 단쇄 펩티드 호르몬의 생산과정
그림 2. CEP 수용체 2중 결손주의 표현형
그림 3. 펩티드 호르몬 CEP를 매개한 전신적 질소 요구 시그널링
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문:
http://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20141017_sci.pdf 제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2014.12.02 11:16
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