[논문]식물의 탄소대사공학 연구동향

김동헌; 이시명; 박종석; 김수진; 김범기; 윤인선; 김둘이; 변명옥

doi:10.5010/jpb.2010.37.2.205

식물의 탄소대사공학 연구동향
Current status on carbon metabolic engineering in plants 원문보기

Journal of plant biotechnology = 식물생명공학회지, v.37 no.2, 2010년, pp.205 - 211

김동헌 (국립농업과학원) , 이시명 (국립농업과학원) , 박종석 (국립농업과학원) , 김수진 (국립농업과학원) , 김범기 (국립농업과학원) , 윤인선 (국립농업과학원) , 김둘이 (국립농업과학원) , 변명옥 (국립농업과학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Yield productivity of staple crops must be increased at least 50% by 2050, in order to feed the world population which is expected to reach 90 billions. Photosynthetic carbon assimilation and carbohydrate metabolism leading to the production of starch would be the final frontier to quest for new sources of technology enabling such a drastic increase of crop productivity. In this review, attempts to genetically engineer plant photosynthetic carbon reduction cycle and metabolic pathways to increase starch production are introduced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 총설에서는 작물의 생산성과 광합성 및 탄소대사의 관계를 고찰하고 생명공학 기술을 이용한 작물 생산대사형질 개선 연구현황에 대해 간략하게 소개하고자 한다.

제안 방법

2003). 따라서 생명공학자들은 단순히 AGPase 유전자를 과발현시켜서 효소의 양을 늘리기 보다는 효소의 활성조절 기능이 변화된 변이 유전자를 개발하고 이를 이용하여 작물의 AGPase와 관련된 활성조절 기능을 변화시킴으로써 AGPase의 활성과 전분생산대사 증진을 달성하는 전략적 접근법을 채용하였다. 초기에는 대장균 유래의 AGPase 유전자를 이용하였으며 그 결과 Stark 등은 (1992) 대장균 유래 AGPase 변이 유전자 glgC-16을 감자에 도입하였을때 전분 생산이 30% 정도 증대하였다고 보고하여 관련 연구자의 관심을 받았다.

대상 데이터

이와 관련하여 필리핀에 소재한 국제미작연구소 (IRRI)주관으로 C4 광합성대사 시스템을 벼에 도입하여 벼 생산성 50%증가 및 농업용수 및 질소비료 투여량 절감을 목표로 한 C4 벼 국제컨소시엄을 추진하고 있다. 이 프로젝트는 10- 15년간의 장기프로젝트로 게이츠 재단에서 3년간 11백만달러를 우선 기부하기로 하였고 미국, 영국, 호주 등 6개국 17개 기관 및 국제기구에서 참여하고 있다. C4 벼 개발을 위해서 동 프로젝트에서는 C3 작물인 벼 유전자원 탐색을 통해 통도조직간 거리가 짧은 C4 광합성 유전자 도입 적합 자원을 선발하고 벼와 옥수수의 광합성 탄소대사 및 유전자 발현 조절 기구의 규명, 유전자 도입및 발현 조절 기술 개발 등 다수의 관련 유전자를 도입하여 C4 광합성을 위한 복합적 형질을 개선하기 위한 연구과제가 수행 중이다.

성능/효과

일례로 밀재배품종과 야생종의 광합성을 비교한 실험의 결과를 보면 재배품종의 광합성 활성이 야생종에 비해 낮았다는 Evans와 Dunstone (1970)의 보고 이외에도 작물의 생산성과 광합성 간에 상관관계가 없다는 연구 결과들은 상당히 많이 있다 (Evans 1993, 1998). 그러나 호주의 빵밀 계통에 국한하여 작물의 생산성과 광합성을 조사한 결과 Evans와 Dunstone의 초기 실험과는 반대로 정의 상관관계를 보여 유전적 다양성이 적은 품종간의 광합성 차이와 품종개발 시기 및 각 품종의 생산성은 상관관계가 있음을 알 수 있었다. 이는 작물의 품종 개량이 이루어지면서 점차적으로 광합성 효율과 생산성이 함께 증가하였음을 보여주는 것이다 (Watanabe et al.
형질전환 식물체는 엽록체의 glycolate를 직접 glycerate로 전환시켰으며 광호흡대사로의 탄소흐름은 완전히 억제되지는 않고 상당이 줄어들었다. 형질전환체의 성장은 대조식물에 비해 빨랐으며 지상부와 뿌리의 생체가 증가하였다. 이러한 결과는 광호흡 대사 흐름의 억제를 통해 C3 작물의 생산성이 증가할 수 있음을 보여준 예라고 할 수 있을 것이다.

후속연구

첫 번째 전략은 위에서도 언급한 바와 같이 Rubisco의 이산화탄소에 대한 specificity를 증진시키는 것으로 'better Rubisco' 유전자를 발굴하고 이를 활용하는 것이다. 그러나 이러한 접근의 경우 Rubisco의 oxygenation 활성이 효소의 active site에 대한 이산화탄소와 산소의 경쟁적 결합에 기인한 것이며 효소의 이산화탄소에 대한 specificty를 증가시킬 경우에는 catalytic rate 의 저하 문제가 생긴다는 문제점이 기술 개발의 제한 요인으로 작용할 것으로 생각된다. 두 번째 전략으로는 Rubisco의 oxygenation 반응에 의해 생성된 2-PG가 광합성 명반응 산물 ATP와 NADPH를 소모하는 대사인 광호흡으로 진입하지 않고 광합성 탄소대사에 활용될 수 있는 형태로 전환시키는 것이다.
Sweetlove 등 (1996)이 지적한 바와 같이 작물에 따라서는 저장기관의 전분 생산이 대사의 마지막 단계가 아니라 전분 생합성과 분해 대사의 속도 차이에 따라 결정될 수 있기 때문이다. 물론 이들의 관찰이 작물 전체에 해당될 지에 대해서는 추가 적인 연구가 필요하지만 옥수수의 AGPase 변이유전자를 발현시킨 형질전환 밀의 경우 4년간의 포장시험 결과 생산성의 증가가 모든 환경이 적합할 경우에만 보인다는 Meyer 등 (2007)의 연구결과는 작물의 농산물 생산성 증진을 위해서는 다수의 형질을 고려한 복합적인 기술 개발의 필요성을 제시하는 것이라고 생각된다.
작물의 생산성은 다양한 형질에 의해 지배되며 교배육종을 통한 작물 생산성의 획기적 증가 (녹색혁명)은 작물의 키를 작게하는 단간 유전자의 활용과 질소 비료 등 농자재의 대량 투여에 기인한 바가 크다. 작물의 형태 등교배 육종을 통한 작물 생산성에 의한 추가적인 증진이 어려운 현실을 고려하고, 현대생명공학 기술을 활용할 경우 작물의 특정형질에 대한 선택적 개선이 가능하다는 점을 고려할 때 작물의 광합성과 탄소대사는 생산성 증진을 위한 최후의 프론티어라고 할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	작물의 생산성과 광합성 대사활성간의 관계에 대해 논쟁의 여지를 제안하는 연구는?	그러나 작물의 생산성과 광합성 대사활성간의 관계에 대해서는 논쟁의 여지가 있다. 일례로 밀재배품종과 야생종의 광합성을 비교한 실험의 결과를 보면 재배품종의 광합성 활성이 야생종에 비해 낮았다는 Evans와 Dunstone (1970)의 보고 이외에도 작물의 생산성과 광합성 간에 상관관계가 없다는 연구 결과들은 상당히 많이 있다 (Evans 1993, 1998). 그러나 호주의 빵밀 계통에 국한하여 작물의 생산성과 광합성을 조사한 결과 Evans와 Dunstone의 초기 실험과는 반대로 정의 상관관계를 보여 유전적 다양성이 적은 품종간의 광합성 차이와 품종개발 시기 및 각 품종의 생산성은 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
	탄수화물은 무엇인가?	식물의 광합성을 통해 생성된 탄수화물은 지구상의 생명체가 삶을 유지할 수 있는 기본적인 에너지원이다. 식물은 1차 생산자로서 공기 중의 이산화탄소를 유기태의 탄소화합물로 전환시키며, 이후 복잡한 대사 네트워크를 통해 다양한 생체 유기물질을 생산한다.
	작물의 생산성 증가가 절실하게 된 이유는?	2007년과 2008년에는 유례가 없을 정도의 곡물가 상승이 일어나 중국 18% 세계 인구가 지속적 으로 증가하여 2050년에는 90억명에 달할 것으로 예상되고 있으며 이들을 먹여 살리기 위해서는 현재 보다 50%정도의 곡물생산이 증가해야 한다. 또한 개발도상국의 경제 발전에 따른 육류 수요 증가와 이에 따른 사료 수요의 증가, 온실가스 방출억제와 지구온난화에 대응한 바이오에너지 원료 수요 증가 등 작물의 생산성 증가는 그어느 때보다 절실한 실정이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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