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Research

인류의 식량난 해결에 기여할 식물 기공(氣孔) 발달의 조절 원리 규명

  • 조회. 866
  • 등록일. 2020.03.03
  • 작성자. 홍보팀

세포 특이적 제어 RNA 발굴, 식물 기공발달 세포 조절 메커니즘 밝혀내
향후 농작물의 생산성 증가에 크게 기여할 것으로 기대


DGIST 뉴바이올로지전공 곽준명 교수(좌), 제1저자 주 지알리(Zhu Jiali) 박사(가운데), IBS 식물노화수명연구단 김윤주 박사(우)
<DGIST 뉴바이올로지전공 곽준명 교수(좌), 제1저자 주 지알리(Zhu Jiali) 박사(가운데), IBS 식물노화수명연구단 김윤주 박사(우) ⓒDGIST>

 

 식물의 광합성에 필수 역할을 담당하는 기공(氣孔)의 발달 원리 중 거의 알려지지 않은 세포 조절 메커니즘을 국내 연구진이 밝혀냈다. 이번 연구 성과는 향후 인류의 식량난 해결을 위한 농작물 생산성 증가에 크게 기여할 것으로 기대된다.

 DGIST는 뉴바이올로지전공 곽준명 교수와 IBS 식물노화수명연구단 김윤주 박사 연구팀이 식물의 기공을 형성하는 공변세포 발달 조절에 있어서 제어 RNA(miRNA)1)의 역할과 원리를 규명했다고 3일(화) 밝혔다.  

 식물은 잎 표면에 뚫린 미세한 구멍인 기공을 통해 광합성에 필요한 이산화탄소를 흡수하고, 부산물인 수분과 산소를 배출하며 성장한다. 또한 환경의 변화에 따라 기공의 수와 분포를 매우 정교하게 조절하여 효율적인 광합성과 이에 따른 최적의 성장을 이룬다. 

 기공을 형성하는 특수한 세포인 공변세포는 식물의 잎과 줄기 등 표피에 존재하며 한 쌍이 마주 붙어 기공을 이루는데, 공변세포의 팽압 조절2)을 통해 기공의 개폐 작용이 이뤄진다. 또한 공변세포는 자가 재생하는 특화된 줄기세포에서 증식, 분화하는 과정을 거쳐 성숙한 공변세포로 발달한다. 따라서 공변세포의 발달은 식물의 생장에 필수적인 기공 발달에 큰 영향을 미치게 된다.

 공변세포의 발달은 학계에서 많은 연구가 진행되어 왔으며, 발달 단계에서 특이적으로 작용하는 주요 전사 인자들과 발달을 조절하는 세포 신호 전달체계는 잘 확립되어져 있다. 하지만 세포의 분화 과정과 발달에서 중요한 역할을 하는 제어 RNA를 통한 기공 발달의 후성유전적 조절 메커니즘에 대해서는 알려진 바가 거의 없는 실정이다.

 이에 연구팀은 공변세포의 각 발달 단계마다 제어 RNA를 분리할 수 있는 분자유전학적 시스템을 고안했고, 공변세포 계보의 제어 RNA들이 발달 단계에 따라 역동적으로 발현함을 밝혔다. 더불어 공변세포 제어 RNA의 표적 유전자들을 예측해 공변세포 발달 및 기능의 유전자 네트워크도 확립했다. 

 특히 공변세포 제어 RNA를 억제 또는 과발현시키면 기공의 발달과 분포에 결함이 있음을 밝혀냈다. 이를 통해 발굴된 제어 RNA들의 표적 유전자와 기능을 지속적으로 연구해 새로운 기공 발달 조절 메커니즘을 밝힐 수 있는 단서도 찾았다.

 DGIST 곽준명 교수는 “이번 연구는 공변세포 제어 RNA를 대량 발굴함과 동시에, 제어 RNA가 지금까지 알려지지 않은 메커니즘으로 공변세포의 분화와 발달에 기여한다는 것을 최초로 규명한 것”이라며, “본 연구결과가 농작물 생산 증가에 새로운 접근 방법을 제공할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

 이번 연구 결과는 세계적인 국제학술지인 미국 국립과학원회보(PNAS, IF=9.58)에 3월 2일자 온라인 게재됐다. 본 연구는 DGIST 뉴바이올로지전공 곽준명 교수와 IBS 식물노화수명연구단 김윤주 박사가 공동교신저자로 참여했고, 올해 2월 DGIST 뉴바이올로지전공을 졸업한 주 지알리(Zhu Jiali) 박사가 제1저자로 참여했다.

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1) 제어 RNA(miRNA) : 생명체의 유전자 발현 조절 등 세포기능의 핵심 제어 역할을 하는 작은 크기의 RNA

2) 팽압 조절 : 세포가 물을 흡수하여 세포의 부피가 커지면 세포벽을 밀어내는 작용으로, 연한 풀잎이나 꽃잎이 꼿꼿하게 서는 것도 팽압 조절 때문이다. 

 


 연구결과개요    

Regulation of Stomatal Development 
by Stomatal Lineage miRNAs

      Jiali Zhu, Ji-Hwan Park, Seulbee Lee, Jae Ho Lee, Daehee Hwang, 
June M. Kwak and Yun Ju Kim 

식물 표면에 존재하는 기공은 기체교환, 증산작용 그리고 면역계 방어를 조절함으로써 식물의 성장과 생존에 중요한 역할을 한다. 식물은 주요 전자 조절 유전자와 세포 간 신호전달을 통해 기공 세포 발달과 분포를 조절한다. 제어 RNA(miRNA)는 다세포 생물의 세포 발달 및 분화 조절에 관여한다고 알려졌으나 기공 발달에서의 역할에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 본 연구에서는 기공 발달 단계 특이적으로 발현하는 제어 RNA 프로필을 확립하였으며 공변세포 계보 제어 RNA가 기공 발달 조절에 기여함을 밝혔다. 기공 발달 특이적 제어 RNA와 예측 표적 유전자의 네트워크를 확립하였고, 이에 근거하여 기존에 알려지지 않은 인산 항상성 유지를 조절하는 miR399-PHO2 module이 기공 발달을 조절함을 밝혔다. 이러한 결과를 통해 제어 RNA가 기공 발달을 조절하는 메커니즘이라는 사실을 규명하였다. DOI : 10.1073/pnas.1919722117

 


 연구결과문답   

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
지금까지 기공 발달 연구는 주요 전자 조절 유전자들을 통한 유전적 조절 메커니즘에 중심이 맞춰져 있었지만 본 연구를 통해 제어 RNA(miRNA)를 통한 후성유전학적 조절 메커니즘의 존재 및 중요성을 제시하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
세포 수준에서 세포 특이성과 분화 조절 과정에 대한 이해의 폭을 넓혀서작물 생산성 증진에 적용될 수 있을 것으로 기대한다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
본 연구 성과는 생명현상의 가장 근본적인 원리이며, 이에 근거하여 주요 작물의 생산성 증진이라는 후속 연구를 통해 실용화에 바로 적용될 수 있을 것이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
식물에서 기공이 가지는 생물학적인 역할의 중요성과 함께 동식물과 같은 다세포 생물 발달에서 세포 특이성과 분화 조절 메커니즘을 연구할 수 있는 좋은 시스템이라는 장점을 가지고 상대적으로 많이 연구가 되지 않은 후성유전학적 조절 메커니즘의 역할에 대해 밝히고자 했다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
식물 기공 발달과 기능 연구에 새로운 방향을 제시할 수 있는 매우 유용한 재료와 결과이며 또한 다세포 생물 발달의 근본적인 원리를 이해하는데 기여할 것이다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
수백 개의 기공 발달 특이적으로 발현하는 제어 RNA를 확인하였는데 장기적으로 그들의 명확한 조절 메커니즘을 이해하고자 하고, 더불어 세포 특이성과 분화 조절 원리를 이해하고자 한다.


 그림 설명   

[그림 1] 기공 발달 모식도(a)와 기공 발달 특이적으로 발현하는 제어 RNA(miRNA)의 형광 현미경 이미지(b)

 기공 발달 모식도(a)와 기공 발달 특이적으로 발현하는 제어 RNA(miRNA)의 형광 현미경 이미지(b)

(그림설명) 
a : 기공 발달 단계 모식도
b : 기공 발달 단계 특이적으로 발현되는 miRNA를 형광 현미경 이미지. MMC, meristemoid mother cell; GMC, guard mother cell; GC, guard cell.


[그림 2] 제어 RNA 과발현 형질전환 식물에서의 기공 발달 표현형의 현광 현미경 이미지

제어 RNA 과발현 형질전환 식물에서의 기공 발달 표현형의 현광 현미경 이미지

(그림설명) 
공변세포 제어 RNA를 과다 발현시켰을 때 기공의 수가 늘어나거나 (miR829) 두 기공이 붙어서 발달하는 (miR3932, miR861)  비정상적인 표현형이 보임. 


[그림 3] miR399-PHO2 module이 기공 발달을 조절하는 분석 이미지

miR399-PHO2 module이 기공 발달을 조절하는 분석 이미지

(그림설명) 
a. miR399가 기공 발달 단계 특이적으로 발현함. 
b. miR399의 표적 유전자로 알려진 PHO2가 기공 발달 동안 miR399 대조적으로 발현. 
c. miR399 과발현 식물체와 pho2 돌연변이체에서 동일한 기공 발달 패턴 변화를 보임. 

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