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NEW 송영훈 교수팀, 식물의 새로운 개화조절 경로 밝혀내
- 2014-12-17
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우리 학교 생명과학과 송영훈 교수팀이 식물의 개화(開花)시기를 조절하는 새로운 메커니즘을 규명하는 데 성공했다. 개화의 산물이 곡식과 과일이라는 점에서 이번 연구 결과는 개화 시기 조절을 통해 작물의 수확량을 늘리는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
송영훈 교수(생명과학과, 사진)는 미국 워싱턴대학(University of Washington) 및 경상대학교 연구진과 공동으로 모델 식물인 애기장대에서 개화시기를 조절하는 새 메커니즘을 규명했다고 밝혔다. 관련 논문은 저명 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS) 12월9일판에 실렸다.
개화는 식물이 수정하여 씨앗 생산을 통해 자신의 유전정보를 다음 세대로 전달하는 ‘종족보존’을 위해 매우 중요한 단계다. 곡식과 과일이 바로 개화의 산물로, 인간은 이를 통해 주된 영양소를 얻기 때문에 개화시기 조절에 관련된 연구는 학계의 많은 관심을 받고 있다.
개화는 계절 변화와 긴밀한 관련을 가지는데 대부분의 생명체가 계절 변화에 따라 성장, 발달 그리고 생식을 진행하기 때문이다. 특히 이동을 할 수 없는 식물의 경우 그 자리에서 급격한 주위 환경의 변화에 대처해야하기 때문에 다가오는 계절을 예측하여 천적이 없고 강수량 및 기온 등이 자신에게 유리한 즉, 최대한 많은 양의 씨앗을 생산할 수 있는 적합한 계절을 선택해서 개화하도록 진화되어 왔다.
낮과 밤의 길이(광주기) 변화는 매년 같은 양상으로 반복되기 때문에 많은 생명체들이 낮과 밤의 길이를 측정하여 계절 변화를 인식하고 다가올 환경 변화에 대비한다. 식물의 개화 역시 광주기 변화에 반응하여 진행된다. 이러한 광주기적 개화에는 가시광선 영역 중 특정 영역대의 파장을 흡수하는 광수용체 단백질들의 역할이 핵심적이다. 광수용체 단백질들이 낮과 밤을 인식하여 생체시계에 정보를 전달하면 생체시계가 시간 정보에 따라 유전자 발현을 조절한다.
그동안 학계에서는 가시광선 중 청색광(약 430 nm 파장 영역)이 애기장대의 개화를 촉진하고 이는 개화를 유도하는 전사인자인 CO 단백질(CONSTANS)이 청색광에 의해 활성화된 청색광수용체 FKF1에 의해 안정화되기 때문인 것으로 알려져 있었다. 즉 FKF1이라는 물질이 CO 단백질의 양을 늘려 개화를 촉진한다는 설명이다. 송 교수는 이번 연구를 통해 또 다른 물질인 ZTL(ZEITLUPE)과 GI(GIGANTEA) 단백질이 CO 단백질에 어떠한 영향을 주는 지를 밝혀냈다. ZTL 단백질과 GI 단백질은 그동안 알려져 있던 단백질이기는 하지만 CO 단백질과의 관계 및 역할을 규명한 것은 이번이 처음이다.
송영훈 교수팀은 청색광수용체인 ZTL 단백질이 CO 단백질과 직접적으로 결합해 FKF1과는 반대로 불안정화시키고 있음을 발견했다. ZTL 단백질이 CO 단백질과 결합, 단백질의 양을 줄임으로써 개화를 늦춘다는 설명이다. 송 교수팀은 또 GI 단백질이 청색광을 흡수한 ZTL·FKF1 단백질 모두와 결합해 ZTL 단백질의 활성은 저해하고 FKF1의 활성은 변화시키지 않기 때문에 청색광에 의해 CO 단백질이 안정화됨을 확인했다.
송영훈 교수는 “최근 지구 온난화에 따른 기후 변화로 개화시기가 달라지고 있어 작물 생산량도 영향을 받을 것으로 예측된다”며 “이에 앞으로 식물의 개화시기 조절에 대한 연구는 더욱 중요한 의미를 가지게 될 것”이라고 말했다.
송 교수는 또 “이번 연구 성과가 작물의 생산량 증대 뿐 아니라 차세대 농식물 재배 시스템인 ‘식물 공장(plant factory)’ 구축에도 중요한 정보를 제공할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
이번 연구는 농촌진흥청 차세대바이오그린21사업 중 ‘시스템합성농생명공학사업단’ 과 '2014년도 아주대학교 정착지원금’의 지원을 받아 수행됐다.