많은 유기체는 생물, 비생물적인 다양한 스트레스 요인에 반응하는 일련의 유전자를 가지고 있다. 이러한 유전자 발현의 특성을 이해하고 스트레스 저항성을 향상시킬 수 있는 소수의 육종 목적 유전자를 선별하는 것은 방사무늬김과 같이 산업적으로 유용한 해조류의 양식 기술을 개발하거나 내병성 계통주를 개발하는 데에 필수적이다. 국내 김 양식장에 심각한 경제적 피해를 입히는 세 가지 주요 갯병은 낭균류(Olpidiopsis spp.)에 의한 낭균병 (Olpidiopsis-blight)과 붉은갯병균(Pythium porphyrae)에 의한 붉은갯병(...
많은 유기체는 생물, 비생물적인 다양한 스트레스 요인에 반응하는 일련의 유전자를 가지고 있다. 이러한 유전자 발현의 특성을 이해하고 스트레스 저항성을 향상시킬 수 있는 소수의 육종 목적 유전자를 선별하는 것은 방사무늬김과 같이 산업적으로 유용한 해조류의 양식 기술을 개발하거나 내병성 계통주를 개발하는 데에 필수적이다. 국내 김 양식장에 심각한 경제적 피해를 입히는 세 가지 주요 갯병은 낭균류(Olpidiopsis spp.)에 의한 낭균병 (Olpidiopsis-blight)과 붉은갯병균(Pythium porphyrae)에 의한 붉은갯병(red rot disease), 그리고 바닷물의 영양분 고갈, 특히 질소 성분의 결핍으로 인한 황백화 현상이다. 방사무늬김의 생물, 비생물적 스트레스 반응에 대응하여 공통으로 발현되는 육종 목적 유전자를 선별하기 위해서 전장유전체 발현분석을 이용하여 질소 결핍에 대응하여 발현되는 황백화 관련 유전자와 난균의 감염에 대응하여 발현되는 내병성 관련 유전자를 분석하였다. 전장유전체 발현분석을 통해 총 12,855개의 유전자 발현을 조사한 결과 대조군 대비 두 배 이상 특이적으로 발현량이 달라진 유전자는 낭균병 감염 시 1,445개, 붉은갯병 감염 시 769개, 질소 결핍으로 인한 황백화 유도 시 880개였다. 질소 결핍 배양 전에 H2O2전처리에 의한 ROS 신호 교란 후 황백화를 억제하였을 때 황백화 관련 유전자의 변화 과정을 추가로 조사하였다. 전장유전체 발현분석 결과 유전자의 발현이 대조구보다 뚜렷이 감소한 것은 황백화 조건에서 가장 많았다. 황백화와 난균성 갯병 조건에서 공통적으로 4배 이상 발현이 증가한 유전자는 11개였고, 공통적으로 발현이 감소한 유전자는 7개였으며 두 조건에서 모두 광합성 관련 유전자들이 가장 많았다. 난균 감염에 대응하여 2배 이상 발현이 증가한 유전자는 138개, 감소한 유전자는 214개였다. 발현이 증가한 유전자들은 대부분 산화 환원 반응에 관여하는 유전자들이었으며 세포 대사과정이나 세포 내 신호전달 시스템에 관련된 유전자들은 발현이 감소하였다. Serine protease(SPs)와 heat shock protein 20(Hsp20) 유전자는 낭균병과 붉은갯병에 감염되었을 때 특이적으로 발현량이 증가하였다. 난균 감염 시에 고온에 반응하는 Hsp20의 발현이 뚜렷이 증가하는 현상에 착안하여 방사무늬김을 짧은 시간 고온 처리하였을 때에 난균에 대한 저항성이 증가할 수 있다는 가설을 세웠다. 방사무늬김을 25℃에서 하루 동안 고온 전처리 후 감염 실험을 진행한 결과 대조구에 비해 낭균병과 붉은갯병의 진행이 뚜렷이 억제되는 것을 관찰하였다. 이를 통해 고온 전처리가 다른 감염 대응유전자의 발현을 상향 조절할 것이라는 가설을 세우고 감염 대응유전자로 알려진 SPs, Hsp70, NADPHoxidase homologues(Pyrboh 1-4)들의 발현량을 분석하였다. 고온 전처리 후 Pyrboh1, Pyrboh2, Pyrboh4, Hsp70 그리고 SPs의 발현량이 모두 뚜렷이 증가하였다. 낭균에 감염되었을 때 Hsp20의 발현은 시간에 따라 점차 증가하다 24시간 후에 가장 높은 발현 수치를 보였다. SPs는 Hsp20 보다 늦게 발현량이 증가하였으며 낭균병 감염 후 48시간부터 발현량이 증가하여 60시간째에 가장 높은 발현 수치를 보였다. 붉은갯병균에 감염되었을 때에도 Hsp20는 감염이 진행됨에 따라 발현량이 증가하였으며 SPs는 초기 9시간까지는 유의미한 발현 변화가 없다가 감염이 많이 진행된 24시간째부터 발현량이 증가하였다. 면역 관련 유전자인 Hsp70의 발현량도 낭균 감염이 진행됨에 따라 증가했다. 방사무늬김에 1 mM H2O2를 1시간 전처리하였을 때 Hsp20와 SPs의 발현량이 증가하였으며 3 μM DPI 1시간 전처리는 고온 처리에 의한 Hsp20와 SPs의 발현 유도를 억제하였다. 질소 결핍에 대응하여 황백화가 유도되었을 때 증가하는 56개의 유전자와 감소하는 121개의 유전자 그리고 H2O2 전처리 조건에서 증가하는 97개의 유전자를 분석한 결과 액틴과 액틴 결합 단백질 계열인 cofilin의 발현량이 증가하였으며, 광합성 관련 유전자나 mRNA 스플라이싱 관련 유전자들의 발현은 감소하였다. ROS 신호 교란을 위해 H2O2 전처리로 황백화를 억제하였을 때 Hsp20의 발현이 증가하였다. 고온전처리를 통해 Hsp20 발현을 상향 조절하였을 때에도 황백화가 억제되는지 보기 위해 방사무늬김을 고온에서 전처리 후 질소 결핍 배지 하에서 배양한 결과 황백화의 진행이 늦어지거나 억제되는 것을 관찰할 수 있었다. Hsp20의 발현량은 황백화 진행 초기인 1일 차에 크게 증가하였다가 이후 감소하였다. SPs는 황백화가 진행되는 동안 발현량에 유의미한 변화가 없었다. 이상의 결과를 종합해 볼 때 방사무늬김은 식물과 유사한 스트레스 대응 시스템을 가지고 있는 것으로 보인다. 질소 결핍에 의해 황백화가 진행되는 과정에서는 전반적으로 유전자의 발현이 억제되는 경향을 관찰할 수 있었던 반면 난균성 병원균의 감염에 대해서는 많은 대응유전자를 상향조절하여 대응하는 것이 관찰되었다. 난균 감염 시에 NADPH oxidase, heat shock protein, serine protease의 발현이 증가하는 현상은 microarray를 사용하여 얻어진 참김의 질병 대응 기작과 동일하였다. 난균의 감염에 대응하여 가장 빨리 발현이 크게 증가한 Hsp20는 질소 결핍과 같은 환경 변화에도 민감하게 반응하였으며 외부 온도의 변화를 통해 Hsp20의 발현을 증가시켰을 때 낭균이나 붉은갯병균에 대한 내병성이 크게 증가하는 것을 볼 수 있었다. Hsp20는 생물, 비생물적 스트레스에 전반적으로 관여하며, 고온 처리를 통해 인위적으로 이 유전자의 발현을 증가시켰을 때 방사무늬김의 질병 저항성을 향상시켰다. 이와 같은 결과를 활용하여 양식장의 질병 제어 기술을 향상시킬 수 있을 것으로 보이며 내병성 계통주를 개발하는 데 있어서도 Hsp20를 포함한 heat shock protein들을 육종 목적 유전자로 활용할 수 있을 것으로 보인다.
많은 유기체는 생물, 비생물적인 다양한 스트레스 요인에 반응하는 일련의 유전자를 가지고 있다. 이러한 유전자 발현의 특성을 이해하고 스트레스 저항성을 향상시킬 수 있는 소수의 육종 목적 유전자를 선별하는 것은 방사무늬김과 같이 산업적으로 유용한 해조류의 양식 기술을 개발하거나 내병성 계통주를 개발하는 데에 필수적이다. 국내 김 양식장에 심각한 경제적 피해를 입히는 세 가지 주요 갯병은 낭균류(Olpidiopsis spp.)에 의한 낭균병 (Olpidiopsis-blight)과 붉은갯병균(Pythium porphyrae)에 의한 붉은갯병(red rot disease), 그리고 바닷물의 영양분 고갈, 특히 질소 성분의 결핍으로 인한 황백화 현상이다. 방사무늬김의 생물, 비생물적 스트레스 반응에 대응하여 공통으로 발현되는 육종 목적 유전자를 선별하기 위해서 전장유전체 발현분석을 이용하여 질소 결핍에 대응하여 발현되는 황백화 관련 유전자와 난균의 감염에 대응하여 발현되는 내병성 관련 유전자를 분석하였다. 전장유전체 발현분석을 통해 총 12,855개의 유전자 발현을 조사한 결과 대조군 대비 두 배 이상 특이적으로 발현량이 달라진 유전자는 낭균병 감염 시 1,445개, 붉은갯병 감염 시 769개, 질소 결핍으로 인한 황백화 유도 시 880개였다. 질소 결핍 배양 전에 H2O2 전처리에 의한 ROS 신호 교란 후 황백화를 억제하였을 때 황백화 관련 유전자의 변화 과정을 추가로 조사하였다. 전장유전체 발현분석 결과 유전자의 발현이 대조구보다 뚜렷이 감소한 것은 황백화 조건에서 가장 많았다. 황백화와 난균성 갯병 조건에서 공통적으로 4배 이상 발현이 증가한 유전자는 11개였고, 공통적으로 발현이 감소한 유전자는 7개였으며 두 조건에서 모두 광합성 관련 유전자들이 가장 많았다. 난균 감염에 대응하여 2배 이상 발현이 증가한 유전자는 138개, 감소한 유전자는 214개였다. 발현이 증가한 유전자들은 대부분 산화 환원 반응에 관여하는 유전자들이었으며 세포 대사과정이나 세포 내 신호전달 시스템에 관련된 유전자들은 발현이 감소하였다. Serine protease(SPs)와 heat shock protein 20(Hsp20) 유전자는 낭균병과 붉은갯병에 감염되었을 때 특이적으로 발현량이 증가하였다. 난균 감염 시에 고온에 반응하는 Hsp20의 발현이 뚜렷이 증가하는 현상에 착안하여 방사무늬김을 짧은 시간 고온 처리하였을 때에 난균에 대한 저항성이 증가할 수 있다는 가설을 세웠다. 방사무늬김을 25℃에서 하루 동안 고온 전처리 후 감염 실험을 진행한 결과 대조구에 비해 낭균병과 붉은갯병의 진행이 뚜렷이 억제되는 것을 관찰하였다. 이를 통해 고온 전처리가 다른 감염 대응유전자의 발현을 상향 조절할 것이라는 가설을 세우고 감염 대응유전자로 알려진 SPs, Hsp70, NADPH oxidase homologues(Pyrboh 1-4)들의 발현량을 분석하였다. 고온 전처리 후 Pyrboh1, Pyrboh2, Pyrboh4, Hsp70 그리고 SPs의 발현량이 모두 뚜렷이 증가하였다. 낭균에 감염되었을 때 Hsp20의 발현은 시간에 따라 점차 증가하다 24시간 후에 가장 높은 발현 수치를 보였다. SPs는 Hsp20 보다 늦게 발현량이 증가하였으며 낭균병 감염 후 48시간부터 발현량이 증가하여 60시간째에 가장 높은 발현 수치를 보였다. 붉은갯병균에 감염되었을 때에도 Hsp20는 감염이 진행됨에 따라 발현량이 증가하였으며 SPs는 초기 9시간까지는 유의미한 발현 변화가 없다가 감염이 많이 진행된 24시간째부터 발현량이 증가하였다. 면역 관련 유전자인 Hsp70의 발현량도 낭균 감염이 진행됨에 따라 증가했다. 방사무늬김에 1 mM H2O2를 1시간 전처리하였을 때 Hsp20와 SPs의 발현량이 증가하였으며 3 μM DPI 1시간 전처리는 고온 처리에 의한 Hsp20와 SPs의 발현 유도를 억제하였다. 질소 결핍에 대응하여 황백화가 유도되었을 때 증가하는 56개의 유전자와 감소하는 121개의 유전자 그리고 H2O2 전처리 조건에서 증가하는 97개의 유전자를 분석한 결과 액틴과 액틴 결합 단백질 계열인 cofilin의 발현량이 증가하였으며, 광합성 관련 유전자나 mRNA 스플라이싱 관련 유전자들의 발현은 감소하였다. ROS 신호 교란을 위해 H2O2 전처리로 황백화를 억제하였을 때 Hsp20의 발현이 증가하였다. 고온전처리를 통해 Hsp20 발현을 상향 조절하였을 때에도 황백화가 억제되는지 보기 위해 방사무늬김을 고온에서 전처리 후 질소 결핍 배지 하에서 배양한 결과 황백화의 진행이 늦어지거나 억제되는 것을 관찰할 수 있었다. Hsp20의 발현량은 황백화 진행 초기인 1일 차에 크게 증가하였다가 이후 감소하였다. SPs는 황백화가 진행되는 동안 발현량에 유의미한 변화가 없었다. 이상의 결과를 종합해 볼 때 방사무늬김은 식물과 유사한 스트레스 대응 시스템을 가지고 있는 것으로 보인다. 질소 결핍에 의해 황백화가 진행되는 과정에서는 전반적으로 유전자의 발현이 억제되는 경향을 관찰할 수 있었던 반면 난균성 병원균의 감염에 대해서는 많은 대응유전자를 상향조절하여 대응하는 것이 관찰되었다. 난균 감염 시에 NADPH oxidase, heat shock protein, serine protease의 발현이 증가하는 현상은 microarray를 사용하여 얻어진 참김의 질병 대응 기작과 동일하였다. 난균의 감염에 대응하여 가장 빨리 발현이 크게 증가한 Hsp20는 질소 결핍과 같은 환경 변화에도 민감하게 반응하였으며 외부 온도의 변화를 통해 Hsp20의 발현을 증가시켰을 때 낭균이나 붉은갯병균에 대한 내병성이 크게 증가하는 것을 볼 수 있었다. Hsp20는 생물, 비생물적 스트레스에 전반적으로 관여하며, 고온 처리를 통해 인위적으로 이 유전자의 발현을 증가시켰을 때 방사무늬김의 질병 저항성을 향상시켰다. 이와 같은 결과를 활용하여 양식장의 질병 제어 기술을 향상시킬 수 있을 것으로 보이며 내병성 계통주를 개발하는 데 있어서도 Hsp20를 포함한 heat shock protein들을 육종 목적 유전자로 활용할 수 있을 것으로 보인다.
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