과학기술부(장관 채영복)와 한국과학재단(이사장 김정덕)은 3월의 과학기술자상 수상자로 금호생명환경과학연구소 박충모 박사를 선정했다. 박충모 박사는 빛이 식물생장호르몬의 일종인 브라시노스테로이드(BR) 호르몬의 합성을 조절함으로써 식물 생장활동의 하나인 황화현상을 조절한다는 사실을 밝히고 관련 연구결과를 지난해 세계 최고학술지인 Cell(셀)지를 통해 발표했다. 식물의 생장은 생장호르몬과 같은 자체 생장조절 프로그램 이외에도 빛 등 다양한 외부환경의 영향을 받는데, 빛에 의해 조절되는 식물의 모든 생장과 발달과정을 광형태형성(photomorphogenesis)이라 하며, 씨앗의 발아, 잎과 줄기의 생장, 광주기성, 음지회피성, 개화 등의 과정을 포함한다. 특히, 빛은 대부분 독자적으로 작용하지 않고, 식물생장호르몬과의 긴밀한 상호작용을 통하나 빛과 식물생장호르몬의 상호작용에 대한 분자생물학적 메커니즘 및 신호전달 매개체에 대해서는 지금까지 정확히 밝혀진 바 없다. 그리고 빛에 의해 조절되는 가장 뚜렷한 식물생장과정의 하나가 황화(etiolation) 현상으로 식물을 암조건에서 기를 때 잎과 뿌리의 생장이 억제되는 대신에 줄기 생장이 비정상적으로 촉진되는 현상으로 콩나물 생장 등 농작물 재배에서도 매우 중요한 역할을 한다. 연구팀은 빛에 의한 식물생장 조절 원리의 규명을 위해 빛에 반응하는 Pra2라는 소분자 G-단백질을 대상으로 일련의 분자생물학적, 생화학적, 식물형태학적 연구를 수행해 Pra2는 BR 호르몬 합성효소인 cytochrome P450 hydroxylase (DDWF1으로 명명)와 상호작용하며 생장에 깊이 관여하는 것을 토대로 식물 황화현상을 조절하는 분자 메커니즘임을 밝혀냈다. 연구성과로 인해 식물 성장조절 기전을 전반적으로 이해할 수 있는 계기 제공과 함께 농산물 증진 관련 기술개발에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다. 한편, 시상식은 채영복 과학기술부 장관, 김정덕 한국과학재단 이사장, 송필순 금호생명환경과학연구소 소장을 비롯한 관계자 등이 참석한 가운데 3월20일 오전 11시30분 과학기술부에서 개최됐다. 수상업적 식물학 핵심 연구 대상의 하나인 '빛에 의한 식물생장조절 원리'에 대하여 국내에서 독자적으로 연구를 수행한 결과 빛이 생장호르몬의 하나인 brassinosteroid (BR) 생장호르몬을 통하여 식물생장을 조절한다는 사실을 규명하였고, 그 연구결과를 세계최고의 과학 학술지인 "Cell"지 Vol. 105호(2001년 6월1일자)에 게재했다. 식물의 생장은 식물 자체의 다양한 생장조절호르몬과 빛을 비롯한 여러 가지 환경요인들간의 복잡한 상호작용을 통하여 조절되는데, 빛에 대한 식물의 반응 메카니즘의 연구는 식물학 연구의 주 관심사임과 동시에 농작물의 생산성 증진을 위한 유전자조작적 연구대상으로서 세계적으로 널리 연구되고 있음. 황화현상은 식물의 생존에 필수적인 생장활동의 하나로서 빛이 적은 곳에서 식물을 기를 경우 빛에 신속하게 도달하기 위하여 잎과 뿌리의 생장은 억제되는 대신에 줄기가 비정상적으로 길게 자라는 현상이다. 식물로부터 분리된 Pra2라 불리는 소분자 G-단백질이 빛이 적은 상태에서 높게 발현되어 cytochrome P450이라는 BR 생장호르몬 합성효소의 활성을 촉진하고, 이 BR 호르몬이 식물 하배축(줄기) 길이생장을 도모함으로써 황화현상이 일어남을 증명함. 이번에 규명된 식물생장조절에 대한 분자생물학적 원리는 아직 연구 기반이 취약한 국내식물학 연구 분야에서 순수 독자적인 연구를 통하여 이루어졌다는 점에서 향후 국내 식물학 발전을 위한 큰 전기를 마련했다. 연구배경 및 연구목적 빛은 식물생장에 영향을 주는 가장 중요한 환경요인의 하나로 2가지 면에서 중요한 의미를 가진다. 식물에 있어서 빛은 유일한 에너지원으로서 광합성을 통하여 생화학적 에너지로 전환된 후 다양한 생장활동에 이용된다. 또한 식물은 빛을 통하여 밤낮의 길이, 주위 다른 생물들의 존재 유무, 씨앗 발아와 개화의 시기 등을 인지함으로써 주어진 환경하에서 가장 적절한 생장활동을 유지한다. 빛에 의해 조절되는 식물의 모든 생장과 발달과정을 광형태형성(photomorphogenesis)이라 하며, 씨앗의 발아, 잎과 줄기의 생장, 광주기성, 음지회피성, 개화 등의 과정을 포함한다. 따라서 식물은 빛의 방향, 세기, 파장, 주기 등을 정교하게 인지하기 위한 광인지 및 광신호전달 시스템을 보유하고 있다. 예를 들면 동물의 로돕신 광수용체(photoreceptor)와 매우 유사한 생화학적 광화학적 구조와 기능을 가지는 광수용체 단백질들을 가지고 있는데, 적색광 수용체인 파이토크롬(phytochrome), 청색광 수용체인 크립토크롬(cryptochrome)과 포토트로핀(phototropin), 그리고 자외선 수용체 등의 존재가 확인되었다. 인지된 광신호는 G-단백질, 인산화효소와 탈인산화효소, Ca2+과 calmodulin 등의 신호전달물질들을 거쳐 최종적으로 식물 광형태형성에 관여하는 유전자들의 발현을 조절한다. 그러나 빛은 대부분의 경우 독자적으로 작용하지 않고 식물생장호르몬과 같은 다른 생장조절 프로그램들과의 긴밀한 상호작용을 통해 작용한다. 파이토크롬 B 광수용체 돌연변이 식물은 지베렐린(GA) 생장호르몬 과량합성 식물과 마찬가지로 긴 하배축(뿌리와 떡잎 사이의 부위)과 줄기 그리고 조기개화 현상을 보인다. GA 또는 BR 호르몬 결핍 식물은 암조건에서도 광형태형성을 보이며, 광조건에서 기르면 왜소화(dwarfism) 현상이 관찰된다. 그러나 이러한 빛과 식물생장호르몬간의 상호작용에 대한 분자생물학적 메커니즘 및 신호전달 매개체에 대해서는 자세하게 연구되어 있지 않다. 빛에 의해 조절되는 가장 뚜렷한 식물생장 조절 과정의 하나가 황화(etiolation) 현상이다. 식물을 암조건에서 기를 때 잎과 뿌리의 생장이 억제되는 대신에 줄기 생장이 비정상적으로 촉진되는 현상을 말하며 콩나물 생장이 대표적인 예이다. 음지회피성(shade avoidance) 또한 황화현상과 동일한 생리적 과정을 거치는데, 벼와 같이 밀집재배되는 식물들에서 관찰되며 광합성에 필요한 빛의 확보를 위하여 줄기가 연약하고 길게만 자라는 현상으로서 실제 농작물 재배에서도 매우 중요한 역할을 한다. 이 두 현상들은 식물의 생존에 필수적이면서도 바로 이들 때문에 농작물이 길게만 자라서 바람과 같은 환경변화에 매우 취약하게 된다. 결과적으로 음지회피성(또는 황화현상)의 적절한 조작은 농작물의 생산성과 환경적응력 증진을 위한 매우 효율적인 방법이다. 연구방법 및 연구결과 연구에서는 광반응성을 보이는 Pra2라는 소분자 G-단백질을 대상으로 일련의 분자생물학적, 생화학적, 식물형태학적 연구를 수행하고 형질전환 식물을 통하여 연구 결과를 검증하였다. Pra2는 암배양한 유묘의 하배축에서 높게 발현된다. 또한 이 부위는 파이토크롬 광수용체와 BR 호르몬 함량이 가장 높은 부위이기도 하다. 이러한 사실들은 Pra2가 암조건 또는 빛이 적은 상태에서 하배축의 길이신장, 말하자면 황화현상과 밀접한 관계가 있음을 시사한다. 먼저 Pra2와 결합하는 단백질 동정을 위하여 yeast two-hybrid 탐색을 수행한 결과 cytochrome P450 hydroxylase를 분리하였다. 효소 유전자는 Pra2 유전자와 마찬가지로 암배양한 유묘의 하배축에서 높게 발현됨을 알 수 있었다. 본 연구에서는 이 효소를 DDWF1(Dark-specific DWF-like protein 1)으로 명명했으며, 식물 GA와 BR 생장호르몬 합성에 관여하는 cytochrome P450 hydroxylase 효소들과 높은 상동성을 보였다. E. coli 시스템을 이용하여 발현시킨 재조합단백질들간의 상호작용 분석, Pra2에 의한 DDWF1 효소 활성의 조절 분석, 두 단백질의 세포내 분포 연구 등을 통하여 이들 두 단백질이 ER 막에 위치하고, 물리적으로 뿐만 아니라 기능적으로도 서로 상호작용함을 확인했다. Pra2 발현을 억제시킨 형질전환 식물은 매우 특이한 변화를 보이는데 광조건에서 배양하면 별다른 변화를 보이지 않는데 반하여 암조건에서 배양하면 대조구에 비하여 하배축의 길이가 현저하게 짧다. 그러나 이 변화는 배양액에 BR 호르몬을 첨가하면 완전히 사라진다. 즉 Pra2가 BR 호르몬 합성에 관여하는 DDWF1 효소의 활성을 조절함을 알 수 있다. BR 호르몬 중간산물을 이용한 feeding 실험과 생화학적 분석 결과 DDWF1이 BR 합성 과정 중 typhasterol에서 castasterone으로 변환되는 C-2 hydroxylation 과정을 촉매함을 확인했다. DDWF1 형질전환 식물은 Pra2 또는 Pra2-DDWF1의 기능 규명에 결정적인 단서를 제공하는데 DDWF1 과량발현 형질전환 식물은 광조건 하에서도 암조건에서 배양된 식물과 마찬가지로 매우 긴 하배축을 가지며, 이는 하배축 세포들이 매우 길고 불규칙적으로 분포하기 때문임을 확인했다. 결국 빛 환경에 따라 Pra2 소분자 G-단백질이 DDWF1의 활성을 조절하여 BR 호르몬 합성을 적정한 수준으로 유지하는 일종의 광반응성 on/off 분자적 스위치(molecular switch)임을 알 수 있다. [빛 Pra2 DDWF1 BR 호르몬 합성 하배축 세포의 길이신장]으로 이어지는 신호전달 과정이 식물 황화현상(또는 음지회피성)을 조절하는 분자적 메커니즘임을 나타낸다. Pra2-DDWF1의 작용 메카니즘을 요약하면 다음과 같다. 빛이 없는 (또는 적은) 땅속에서 씨앗이 발아한 후 유묘의 하배축에서 두 단백질의 발현이 상승하고 발현 직후 ER 막으로 이동한다. 여기에서 Pra2는 DDWF1 효소의 활성을 촉진하며 그 결과 BR 호르몬의 합성이 증가한다. 이 BR 호르몬의 작용으로 하배축 세포의 길이신장이 촉진됨으로써 하배축만 길게 자라는 황화현상이 발생한다. 유묘가 계속 자라서 지상으로 나와 빛을 받게 되면 Pra2와 DDWF1의 발현이 억제되고 그 결과 BR 호르몬 합성이 감소하기 때문에 하배축 생장이 멈추고 동시에 엽록소 합성이 촉진됨으로써 탈황화현상이 일어난다. 즉, Pra2-DDWF1 상호작용은 지하 또는 빛이 적은 상태에서 자라는 유묘의 하배축 길이신장 동안에만 특이적으로 기능을 발휘함을 알 수 있다. 빛이 적은 상황 하에서 발생하는 음지회피성 또한 동일한 메카니즘을 통하여 조절된다. 전망 Pra2에 의해 매개되는 빛-BR 생장호르몬 상호작용에 의한 황화현상 조절 메카니즘은 빛에 의한 식물생장 조절 원리를 설명하는 최초의 분자적 신호전달 경로이다. 식물생장에는 BR 호르몬 이외에도 다양한 생장호르몬들이 관여하기 때문에 Pra2-BR 상호작용과 다른 생장호르몬들과의 연계가능성도 매우 높다. 또 식물은 100여개 이상의 소분자 G-단백질을 가지고 있고, Pra2가 생리적 기능이 분자 수준에서 증명된 최초의 식물 소분자 G-단백질임에 비춰 향후 다른 소분자 G-단백질들의 기능 연구가 활성화되리라 예상된다. 연구에서 정립된 Pra2-BR 생장호르몬 상호작용에 의한 식물생장 조절 원리는 식물유전공학적인 면에서 응용이 가능한데 이 광신호전달 경로상의 신호전달체 및 그들간의 신호전달 원리를 이용하면 농작물의 음지회피성을 적당한 수준으로 조작이 가능하다. 즉 기술한 바와 같이 밀집재배가 필수적인 작물의 음지회피성을 감소시키면 키가 감소하고, 길이생장에 쓰이는 영양분이 잎이나 열매 등의 다른 식물 부위 생장에 쓰임으로써 생산량이 증가할 것이다. 또 식물이 전체적으로 건강하게 자라기 때문에 병해충과 바람 등의 외부 환경요인에 대한 저항력이 증진될 것으로 예상된다. <Chemical Daily News 2002/03/21> |
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