[논문]배추 유묘의 글루코시놀레이트 합성 기작에 미치는 LED 혼합광의 효과

문정현; 정미정; 이수인; 이준구; 황현승; 유재웅; 김용록; 박세원; 김진아

doi:10.5010/jpb.2015.42.3.245

배추 유묘의 글루코시놀레이트 합성 기작에 미치는 LED 혼합광의 효과
Effect of LED mixed light conditions on the glucosinolate pathway in brassica rapa 원문보기

Journal of plant biotechnology = 식물생명공학회지, v.42 no.3, 2015년, pp.245 - 256

문정현 (농촌진흥청 국립농업과학원 생물소재공학과) , 정미정 (농촌진흥청 국립농업과학원 생물소재공학과) , 이수인 (농촌진흥청 국립농업과학원 생물소재공학과) , 이준구 (전북대학교 농업생명과학대학) , 황현승 (서울대학교 식물생산과학부) , 유재웅 (건국대학교 분자생명공학과) , 김용록 (연세대학교 이과대학 화학과) , 박세원 (건국대학교 분자생명공학과) , 김진아 (농촌진흥청 국립농업과학원 생물소재공학과)

초록
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농업에서의 LED는 단지 광을 보충해주는 역할로만 이용되는 것뿐 아니라, 시설 재배 시스템에 있어 매우 중요한 주광원이다. 인공광을 이용한 시설재배에서 주광인 형광등에 다양한 파장의 광질을 혼합하여 식물의 생육 및 대사를 증진시키는 시도가 있어 왔다. 주광인 형광등에 청색광을 혼합한 조건과 청색 단독광 조건을 배추 유묘에 조사한 후 마이크로어레이 분석을 수행한 결과 배추 속 작물의 기능성 물질로 주목을 받고 있는 글루코시놀레이트 합성에 관여하는 일부 유전자들 중 청색 혼합광 조건에서 3.6-4.6배는 증가 하는 유전자 3개를 찾을 수 있었다. 글루코시놀레이트 합성 유전자를 배추 데이터베이스에서 더 선발하여 적, 녹, 청색광을 형광등에 각각 혼합한 조건에 반응하여 발현이 변하하는지 관찰하였는데 청색광 혼합 조건뿐아니라 적색광 혼합 조건에서도 발현이 증가하는 유전자들이 있었다. 각각 애기장대 CYP79F1, ST5a, FMOGS-OX1와 이종상동 유전자인 Bra026058, Bra015379와 Bra021429는 청색광 조건에서 발현량이 증가하였으나 MAM1, AOP3, UGT74B1, BCAT4의 이종상동유전자인 Bra029355, Bra034180, Bra024634, Bra022448은 청색광 보다 적색 혼합광 조건에서 발현이 증가하였다. 혼합광 처리에 의한 글루코시놀레이트 합성의 효과는 배추 품종에 따라 차이를 보였으나 몇가지 글루코시놀레이트가 청색광을 혼합한 조건에서 합성이 증가하였다. 이러한 결과는 유묘의 생육 시설에서 기능적으로 우수한 작물을 생산하는 인공광 조건을 조성하는데 유용한 기초 자료가 될 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the agricultural industries, LEDs are used as supplementary, as well as main lighting sources in closed cultivation systems. In cultivation using artificial light sources, various light qualities have been tried to supplement fluorescent lamps to promote plant growth and metabolism. Microarray analysis of Brassica rapa seedlings under blue and fluorescent mixed with blue light conditions identified changes in three genes of the glucosinolate pathway. This attracted attention as functional materials highly expressed 3.6-4.6 fold under latter condition. We selected four more genes of the glucosinolate pathway from the Brassica database and tested their expression changes under fluorescent light mixed with red, green, and blue, respectively. Some genes increased expression under red and blue mixed conditions. The Bra026058, Bra015379, and Bra021429; the orthologous genes of CYP79F1, ST5a, and FMOGS-OX1 in Arabidopsis, are highly expressed in Brassica rapa under fluorescent mixed with blue light conditions. Further, Bra029355, Bra034180, Bra024634, and Bra022448; the orthologous genes of MAM1, AOP3, UGT74B1, and BCAT4 in Arabidopsis, are highly expressed in Brassica rapa under fluorescent mixed with red light conditions. The various light conditions had unique effects on the varieties of Brassica, resulting in differences in glucosinolate synthesis. However, in some varieties, glucosinolate synthesis increased under mixed blue light conditions. These results will help to construct artificial light facilities, which increase functional crops production.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 LED의 특성을 이용하여 식물의 생육단계와 목적하는 대사물의 생산 시기에 맞춰 관련 유전자들의 발현을 향상시킬 수 있는 광질과 조사 시기 및 조사량에 대한 실험은 광원을 효율적으로 이용하고 작물의 기능성을 향상시키는 시설 조건을 마련하는데 기초 자료를 제공할 수 있다. 또한 김치의 원료로만 이용되었던 배추 유묘의 글루코시놀레이트의 함량을 조절하여 기능성 식품소재로서 이용 범위를 넓힐 수 있는 가능성을 제시하였다. 글루코시놀레이트 생합성은 광에 의해 조절되는 황산동화(sulphate assimilation) 작용의 영향을 받으므로 밤보다는 낮 시간에 대사산물의량이 많으며(Huseby et al.
유묘의 재배에 이용되는 광 환경은 단일광 보다는 자연광이나 형광등에 다양한 광질을 보광(Kim 2010)하는 경우가 많다. 본 실험에서는 엽록소(chlorophyll)의 두 가지 흡수 파장인 청색광과 적색광을 혼합한 조건에서 반응하는 글루코시놀레이트 합성 유전자의 발현 변화를 관찰하였다. 이러한 연구는 특정 파장영역의 선택이 가능한 LED를 적절히 이용할 수 있는 조건을 규명함으로써 작물의 수량증대와 품질향상에 광원을 효과적으로 이용할 수 있는 기초자료가 될 수 있으며, 다양한 배추속 작물의 재배에도 적용 가능할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 LED의 광질에 반응하는 배추 초기 유묘의 글루코시놀레이트 합성 기작과 연관된 유전자 발현 변화를 추적하였다. 청색광을 배추 유묘에 조사하였을 때 2차 대사산물 생산에 관여하는 유전자들의 발현이 변화하였다는 이전의 연구(Kim et al.
2001). 본 연구에서는 형광등에 청색광과 적색광을 보광함으로써 글루코시놀레이트 합성에 관여하는 유전자들의 발현이 다양하게 변화하는 것을 관찰하였다. 이러한 결과는 실제 재배에 청색광과 적색광을 적절히 혼용해 보광하거나 생육 시기별로 광질을 재배함으로써 배추 유묘 내 글루코시놀레이트를 비롯한 유용한 영양 성분을 효율적으로 축적시킬 수 있는데 응용할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 LED의 광질에 반응하는 배추 초기 유묘의 글루코시놀레이트 합성 기작과 연관된 유전자 발현 변화를 추적하였다. 청색광을 배추 유묘에 조사하였을 때 2차 대사산물 생산에 관여하는 유전자들의 발현이 변화하였다는 이전의 연구(Kim et al. 2013; Mun et al. 2014) 결과를 적용하여 청색광을 보광함으로써 배추 유묘의 품 질을 변화시킬 수 있는지 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 유묘의 재배에 이용되는 광 환경은 단일광 보다는 자연광이나 형광등에 다양한 광질을 보광(Kim 2010)하는 경우가 많다.

제안 방법

일차 합성된 cDNA를 주형으로 하여 primer를 이용하여 Prime Taq DNA pol. (GeNet Bio, Korea)로 PCR 반응을 수행하였다(BIOER thermal cycler: Bioer Technology Co., Ltd., China). PCR조건은 pre-denaturation는 95℃에서 5분, 95℃ 에서 30초 denaturation, 프라이머의 GC content에 따라 58℃ 또는 60℃에서 30초 annealing, 72℃ 1분의 extension 과정을 25 ~ 36회 반복하여 진행한 후 72℃ 10분간 final extension 후에 종료하였다.
16시간 일장의 형광등 조건에서 4일간 자란 유묘는 2일간의 암 배양 후 각광 조사 조건에 24시간 동안 둔 후 자엽을 비롯한 지상부를 수확하였다.
0) 100 ml을 혼합하였다. 24시간 경과 후 ACQUITY Ultra performance liquid chromatography (UPLC) H-Class System (Waters, USA)를 이용하여 UPLC 분석을 수행하였다.
3반복으로 진행 하였으며 Forward primer/Reverse primer는 각각 3 pmol, 50X ROX dye는 0.4 μl, DEPC-distilled water 3.6 μl, 10 μl AccuPower® 2X GreenStar qPCR Master Mix (Bioneer, Korea) 를 첨가하여 총 반응 부피를 20 μl로 하고, BIO-RAD Realtime thermal cycler (CFX)를 사용하여 PCR 반응을 수행하였다.
1B, C, and D). 4일간 동일한 형광등 조건에서 자란 유묘는 광조건에서 유도되었던 물질변화 및 유전자 발현 효과를 배재하고자(Huseby et al. 2013) 2일간 암배양한 후 형광등 조건(FL: Fluorescent lamp)과 형광등에 청색광을 혼합한 조건(FLB: Fluorescent lamp +Blue), 그리고 청색 단일광(B: Blue) 조건에 24시간 동안 노출시켜 총 7일된 유묘의 마이크로어레이 분석을 수행하였다. 형광등 조건을 기준으로 형광등과 청색광을 혼합하여 처리한(청색 혼합광)조건과 청색 단일광 조건에서의 유전자 발현 분석 데이터를 계층군집화하여 분석한 결과, 청색 단일광을 조사한 경우 형광등 조건과 비교해 유전자 발현의 변화가 매우 크게 나타났으나 청색 혼합광 조건에서는 발현 변화한 유전자의 수가 크게 줄었다(Fig.
1 (Axon Instruments)로 통계분석 수행하였다. Arabidopsis thaliana TAIR9 (http://www.arabidopsis.org/)를 기반으로 하여 배추 유전자와 match된 유전자 수는 총 18,725개 이며, GOMINER (Ashburner et al. 2000; Zeeberg et al. 2003) (http://www. geneontology.org, http://discover.nci.nih.gov/gominer/)로 유의한 GO (Gene ontology) term을 분석하였는데 GO term과 expression mode (Under, Over, Change)에 따라 각 유전자를 분류하였다. One-sided Fisher의 유의성 검정방법으로 P Value를 계산하였고, 100개를 무작위로 취해서 False discovery rate (FDR) 값이 0.
Bra024634 (At1g24100; UGT74B1), Bra022448 (At3g19710; BCAT4), Bra015379 (At1g74100; ST5a) 및 Bra021429 (AT1G65860; FMOGS-OX1) 4개 유전자를 더 선발하여 다양한 혼합광 조건에서의 발현 변화를 함께 살펴 보았다.
MinElute Reaction Cleanup Kit (Qiagen, Germany)를 사용하여 cDNA를 정제하고 1 μg의 cDNA에 30 μL의 Cy3-9mer primers (Sigma-Aldrich, USA)를 넣고 98℃에서 10분간 열처리하여 Cy3 표지된 DNA를 합성하였다.
gov/gominer/)로 유의한 GO (Gene ontology) term을 분석하였는데 GO term과 expression mode (Under, Over, Change)에 따라 각 유전자를 분류하였다. One-sided Fisher의 유의성 검정방법으로 P Value를 계산하였고, 100개를 무작위로 취해서 False discovery rate (FDR) 값이 0.05 미만인 GO term을 추출하였고, 이를 생물학적 과정(biological processes), 분자 기능(molecular function), 그리고 세포 요소(cellular component) 세 가지로 분류하였다. FL 조건과 비교하여 FLB에서 발현이 증가 또는 감소하는 유전자에 대해서는 AgriGO (Zhou et al.
Wash Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ (NimbleGen, USA)로 세척하여 남아있는 Cy3를 제거하고 건조시킨 후, GenePix scanner 4000B (Axon, USA)로 Cy3 신호를 스캔하였다.
Spectrophotometer로 농도를 측정하여 10 mg의 DNA만을 마이크로어레이 혼성화에 이용하였다. 각 샘플에 혼성화 완충액(NimbleGen, USA)을 넣고 마이크로어레이와 함께 42℃에서 16-18시간 동안 MAUI chamber (Biomicro, USA) 내에서 혼성화 반응을 진행하였다. Wash Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ (NimbleGen, USA)로 세척하여 남아있는 Cy3를 제거하고 건조시킨 후, GenePix scanner 4000B (Axon, USA)로 Cy3 신호를 스캔하였다.
각각의 광도는 150 μmol․m-2s-1로 하였는데, 형광등과 청색광 혼합 조건은 각각의 광도를 75 μmol․m-2s-1로 맞추어 총 광도가 150 μmol․m-2s-1가 되도록 조절하였다.
Chiifu)h유묘는 지상부를 채취하였다. 각각의 식물체를 2개씩 채취하여 2반복 실험을 수행할 수 있도록 액체질소에 얼려 막자 사발을 이용해 마쇄하였고, RNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, Germany)를 사용하여 RNA를 추출하였다. 추출한 총 RNA 샘플은 NanoDrop ND-1000 spectrophotometer (Thermo Fisher Scientific Inc.
Bra024634 (At1g24100; UGT74B1), Bra022448 (At3g19710; BCAT4), Bra015379 (At1g74100; ST5a) 및 Bra021429 (AT1G65860; FMO_GS-OX1) 4개 유전자를 더 선발하여 다양한 혼합광 조건에서의 발현 변화를 함께 살펴 보았다. 광 조건은 형광등과 형광등에 LED 전구로 적색(FLR), 녹색(FLG), 청색(FLB)을 각각 혼합하여 처리하였고, 또한 광질의 효과가 유묘의 생장 단계에 따라 달라지는지의 여부를 조사하기 위해 각각 4일과 11일 동안 동일한 형광등 조건에서 자란 유묘를 2일간 암배양하여 4가지 광 조건에 24시간 노출시킨 후 유묘의 지상부 내 유전자 발현량을 분석하였다.
다양한 혼합광 조건에 의해 변화하는 배추 유묘의 글루코시놀레이트 관련 유전자 발현 분석 실험에는 형광등(FL)과 형광등에 적색광(FLR: Fluorescent + Red), 녹색광(FLG: Fluorescent + Green), 청색광(FLB)을 섞은 혼합광을 이용하였으며 각각의 광도는 250 μmol․m-²s-¹로 하였다. 광원이 장착된 생육상은 광도와 일장 및 온도를 제어할 수 있는 장비(HB-302S, 한백과학, Korea)를 이용하였으며 흡수 및 형광 스펙트럼은 각각 U-2900와 F-4500(Hitachi, Japan)을 이용하여 측정하였다(Fig. 1). 유묘는 생육 단계를 달리하여 광을 조사하였는데 7일묘와 14일묘는 각각 처음 4일, 11일간 16시간 일장의 형광등 조건에서 생육시키고 2일간의 암배양 후 24일간 동안 각각의 광 조사 조건에 두고 유묘를 수확하였다.
광질의 효과가 배추 유묘의 글루코시놀레이트 함량에도 실제로 영향을 주지는 알아보기 위해 형광등, 형광등과 적색광 혼합, 형광등과 청색광 혼합 조건에서 생육한 7일 유묘를 수확하여 UPLC 분석을 수행하였다.
유묘는 생육 단계를 달리하여 광을 조사하였는데 7일묘와 14일묘는 각각 처음 4일, 11일간 16시간 일장의 형광등 조건에서 생육시키고 2일간의 암배양 후 24일간 동안 각각의 광 조사 조건에 두고 유묘를 수확하였다. 글루코시놀레이트 분석을 위한 실험에 이용된 광 조건은 각각 FL, FLR, 그리고 FLB로 혼합광 조건 실험과 동일하게 키운 7일 유묘를 수확하여 분석하였다.
글루코시놀레이트 합성 유전자를 특이적으로 증폭하기 위한 프라이머는 배추 제놈 EST 데이터베이스와 NCBI 유전자 정보를 통해 얻은 염기서열을 primer3 program (http: //bioinfo.ut.ee/primer3-0.4.0)을 이용하여 제작하였다(Table 4).
다양한 혼합광 조건에 의해 변화하는 배추 유묘의 글루코시놀레이트 관련 유전자 발현 분석 실험에는 형광등(FL)과 형광등에 적색광(FLR: Fluorescent + Red), 녹색광(FLG: Fluorescent + Green), 청색광(FLB)을 섞은 혼합광을 이용하였으며 각각의 광도는 250 μmol․m-2s-1로 하였다.
본 실험은 배추 유묘의 초기 생육 동안 2차 대사산물 합성에 영향을 주는 것으로 알려진 청색광과 적생광을 형광등에 혼합한 조건이 배추의 유용성분인 글루코시놀레이트 대사에 영향을 줄 수 있음을 유전자 발현과 물질을 분석을 통해 증명하였다. 온실이나 식물 공장에서 주, 조보 광원으로 이용이 늘고 있는 LED 광원은 다양한 파장의 광을 선택적으로 이용할 수 있다.
Chiifu) hi종자를 18시간 동안 물에 침지시킨 후 원예용 상토에 파종하고 유묘의 생장은 형광등(오슬람 삼파장 전구, FPL36EX-D, ㈜ 오슬람코리아, 한국)과 LED 전구가 장착된 생장상을 이용하였다. 생장상의 온도는 23℃로 유지하였고 16시간 동안은 광을 조사하고 8시간 동안은 암 상태가 되도록 시간을 설정하여 광을 조사하였다. 글루코시놀레이트 분석에 이용된 Tsao Huang Pa (IT no.
실험을 수행한 생장상의 광조건은 적, 청, 녹색광의 균일한 파장을 조사할 수 있으며(Fig. 1A), 적색광은 625 nm, 녹색광은 524 nm, 청색광은 455 nm의 파장을 안정적으로 구현할 수 있고, 형광등을 조사하면서 적, 청, 녹색광을 동시에 조사할 수 있는 장비를 이용하였다(Fig. 1B, C, and D).
원심분리 후 상층 액을 회수하여 2 ml e-tube에 옮기고, 추출액 전체를 DEAE column에 흘린 후, sulfatase 200 μl를 처리한 후 밀봉하여 상온조건에서 하룻밤 동안 방치한 후, column에 3차 증류수 0.5 ml로 3회 녹여 2 ml e-tube에 담은 뒤 분석 전에 0.2 µm syringe filter로 여과하여 분석하였다.
1). 유묘는 생육 단계를 달리하여 광을 조사하였는데 7일묘와 14일묘는 각각 처음 4일, 11일간 16시간 일장의 형광등 조건에서 생육시키고 2일간의 암배양 후 24일간 동안 각각의 광 조사 조건에 두고 유묘를 수확하였다. 글루코시놀레이트 분석을 위한 실험에 이용된 광 조건은 각각 FL, FLR, 그리고 FLB로 혼합광 조건 실험과 동일하게 키운 7일 유묘를 수확하여 분석하였다.
전기영동을 통해 발현변화를 확인한 유전자의 정량 분석(Quantitative PCR analysis)을 수행하였다. 3반복으로 진행 하였으며 Forward primer/Reverse primer는 각각 3 pmol, 50X ROX dye는 0.
추출한 총 RNA 5 μg으로 cDNA EcoDry™ Premix (Oligo dT) (Clontech Laboratories, Inc., Takara Bio company, USA)를 사용하여 cDNA를 합성하였다.
com)에서 수행되었다. 혼성화 반응 수행 후 Nimblescan (NimbleGen, USA)프로그램으로 이미지 신호를 분석하였다. 데이터의 정규화 및 분석은 cubic spline normalization 와 Robust Multi-Chip Analysis (RMA)를 이용하였다(Irizarry et al.

대상 데이터

생장상의 온도는 23℃로 유지하였고 16시간 동안은 광을 조사하고 8시간 동안은 암 상태가 되도록 시간을 설정하여 광을 조사하였다. 글루코시놀레이트 분석에 이용된 Tsao Huang Pa (IT no. 221747) 와 BP79 (IT no. 221766) 아종은 국립농업과학원 유전자원센터에서 분 양 받은 종자를 이용하였으며 파종 및 생육은 지부와 같은 방법으로 수행하였다.
마이크로어레이 데이터를 분석하여 청색광 혼합 조건에서 발현이 현저히 증가하는 것으로 확인된 Bra026058, Bra029355, Bra034180 외에서도 글루코시놀레이트 합성 유전자의 배추 제놈 내 이종상동유전자를 마이이크로어레이 데이터베이스에서 추출하였다(GGBio). Bra024634 (At1g24100; UGT74B1), Bra022448 (At3g19710; BCAT4), Bra015379 (At1g74100; ST5a) 및 Bra021429 (AT1G65860; FMO_GS-OX1) 4개 유전자를 더 선발하여 다양한 혼합광 조건에서의 발현 변화를 함께 살펴 보았다.
배추 추지부(B.rapa ssp. pekinensis cv. Chiifu) hi종자를 18시간 동안 물에 침지시킨 후 원예용 상토에 파종하고 유묘의 생장은 형광등(오슬람 삼파장 전구, FPL36EX-D, ㈜ 오슬람코리아, 한국)과 LED 전구가 장착된 생장상을 이용하였다. 생장상의 온도는 23℃로 유지하였고 16시간 동안은 광을 조사하고 8시간 동안은 암 상태가 되도록 시간을 설정하여 광을 조사하였다.
Wash Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ (NimbleGen, USA)로 세척하여 남아있는 Cy3를 제거하고 건조시킨 후, GenePix scanner 4000B (Axon, USA)로 Cy3 신호를 스캔하였다. 분석에 사용된 마이크로어레이는 NimbleGen Inc (http://www.nimblegen.com/)에서 제작되었으며 혼성화 반응과 데이터 분석은 GGBIO (http://www.ggbio. com)에서 수행되었다. 혼성화 반응 수행 후 Nimblescan (NimbleGen, USA)프로그램으로 이미지 신호를 분석하였다.
광질의 효과가 배추 유묘의 글루코시놀레이트 함량에도 실제로 영향을 주지는 알아보기 위해 형광등, 형광등과 적색광 혼합, 형광등과 청색광 혼합 조건에서 생육한 7일 유묘를 수확하여 UPLC 분석을 수행하였다. 분석에 사용한 스탠다드 글루코시놀레이는 프로고이트린(progoitrin:pro), 글루코라파닌(glucoraphanin: rapha), 글루코나핀(gluconapin: napin), 글루코브라시카나핀(glucobrassicanapin: canapin) 글루코브라시신(glucobrassicin: brass), 글루코나스투르틴(gluconasturtin: nastur) 총 6가지이고 이 중 글루코브라시신은 인돌글루토시놀레이트(indolic glucosinolate)이고, 다른 5종은 모두 알리패틱 글루코시놀레이트(aliphatic glucosinolate)에 속한다. 글루코시놀레이트 합성 기작에 관여하는 유전자 발현 실험에 이용되었던 지부 품종은 글루코시놀레이트 함량이 비교적 적은 품종으로, 본 실험의 결과에서 프로고이트린의 대사량이 청색 혼합광 조건에서 증가하였고 글루코나핀의 경우 적색 혼합광에서 증가한 듯 보 이나 큰 변화를 관찰할 수 없었다(Fig.
청색광에 의해 발현 변화하는 유전자의 전사체 분석을 위한 실험의 광 조사 조건은 형광등(FL: Fluorescent)과 청색 단독광(B: Blue) 그리고 형광등에 청색광(FLB: Fluorescent + Blue)을 혼합한 세가지 조건을 이용하였다. 16시간 일장의 형광등 조건에서 4일간 자란 유묘는 2일간의 암 배양 후 각광 조사 조건에 24시간 동안 둔 후 자엽을 비롯한 지상부를 수확하였다.
총 RNA로부터 cDNA를 합성하기 위해 RevertAid™iderrMA, ienti Strand cDNA Synthesis Kit (Fermentas, Lithuania)를 사용하였다.
각각의 식물체를 2개씩 채취하여 2반복 실험을 수행할 수 있도록 액체질소에 얼려 막자 사발을 이용해 마쇄하였고, RNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, Germany)를 사용하여 RNA를 추출하였다. 추출한 총 RNA 샘플은 NanoDrop ND-1000 spectrophotometer (Thermo Fisher Scientific Inc., USA)를 이용하여 260 nm와 280 nm에서 정량하였다. 총 RNA로부터 cDNA를 합성하기 위해 RevertAid™iderrMA, ienti Strand cDNA Synthesis Kit (Fermentas, Lithuania)를 사용하였다.
형광등(FL: Fluorescent)과 청색 단독광(B: Blue) 그리고 형광등에 청색광(FLB: Fluorescent + Blue)을 혼합한 세가지 조건에 24시간 노출된 ‘지부(B.rapa ssp. pekinensis cv. Chiifu)h유묘는 지상부를 채취하였다.

데이터처리

05 미만인 GO term을 추출하였고, 이를 생물학적 과정(biological processes), 분자 기능(molecular function), 그리고 세포 요소(cellular component) 세 가지로 분류하였다. FL 조건과 비교하여 FLB에서 발현이 증가 또는 감소하는 유전자에 대해서는 AgriGO (Zhou et al. 2003; http://bioinfo.cau.edu.cn/agriGO/index.php)를 이용하여 추가 분석을 수행하였다.
2002). 다중분석(Smyth 2004) 수행 후 P Value가 0.05 이하인 값을 취하고 다른 광 조건에서의 데이터와 비교하여 2배 이상 발현 증가 혹은 2배 이하 발현 감소한 유전자만을 선별하여 Acuity 3.1 (Axon Instruments)로 통계분석 수행하였다. Arabidopsis thaliana TAIR9 (http://www.

이론/모형

혼성화 반응 수행 후 Nimblescan (NimbleGen, USA)프로그램으로 이미지 신호를 분석하였다. 데이터의 정규화 및 분석은 cubic spline normalization 와 Robust Multi-Chip Analysis (RMA)를 이용하였다(Irizarry et al. 2003; Workman et al. 2002). 다중분석(Smyth 2004) 수행 후 P Value가 0.

성능/효과

2013). CYP79F1와 MAM1 유전자의 이종상동서열인 Bra026058와 Bra029355 역시 2일간의 암배양 후 광에 노출되면서 발현이 증가하였으며 각각 FLB와 FLR 조건에서 발현이 증가한 것으로 보아 각각의 유전자에 영향을 주는 광질이 서로 다를 수 있음을 보여 주었다. 알리패틱 글루코시놀레이트의 초기 단계에서 사슬연장(chain elongation)의 촉매 효소인 MAM1과 산화를 통해 핵심구조(core structure)를 형성하는 P450 효소 중 하나인 CYP79F1 유전자(Zang et al.
Positive numbers represent gene up-regulation (red color) and negative numbers represent gene down-regulation (green color). Expressed genes in 7 day old seedlings of B. rapa, after 24 hour treatment with light conditions of: fluorescent light (FL), fluorescent + blue light (FLB) and blue light alone (B) were compared to fluorescent light (FL). FL/FL, continuous fluorescent light versus fluorescent light; FLB/FL, continuous fluorescent + blue light versus fluorescent light; B/FL, continuous blue light versus fluorescent light
청색 단일광 조건에서 발현이 2배 이상 증가한 유전자 수는 배추 제놈 유전자 4,553개 중 1,513개이고 발현이 억제된 유전자의 수는 1,789개였으나 형광등에 청색광을 혼합하여 조사한 유묘 내에서 발현이 증가한 유전자의 수는 12개, 억제된 유전자는 10개로 줄었다(Table 1). GO 분석을 수행한 결과, 청색 단일광 조건에서는 1,295개와 1,598개의 유전자들이 각각 발현 증가 및 감소하였고 혼합광 조건에서는 각각 11개와 8개의 유전자가 각각 발현 증가 및 감소하였다(Table 2). 형광등과 청색광 혼합 조건에서 발현 변화를 보인 유전자들의 GO term을 분석한 후 FDR 값이 0.
글루코시놀레이트 합성 유전자를 배추 데이터베이스에서 더 선발하여 적, 녹, 청색광을 형광등에 각각 혼합한 조건에 반응하여 발현이 변하하는지 관찰하였는데 청색 광 혼합 조건뿐아니라 적색광 혼합 조건에서도 발현이 증가하는 유전자들이 있었다. 각각 애기장대 CYP79F1, ST5a, FMOGS-OX1와 이종상동 유전자인 Bra026058, Bra015379와 Bra021429는 청색광 조건에서 발현량이 증가하였으나 MAM1, AOP3, UGT74B1, BCAT4의 이종상동유전자인 Bra029355, Bra034180, Bra024634, Bra022448은 청색광 보다 적색 혼합광 조건에서 발현이 증가하였다. 혼합광 처리에 의한 글루코시놀레이트 합성의 효과는 배추 품종에 따라 차이를 보였으나 몇가지 글루코시놀레이트가 청색광을 혼합한 조건에서 합성이 증가하였다.
분석에 사용한 스탠다드 글루코시놀레이는 프로고이트린(progoitrin:pro), 글루코라파닌(glucoraphanin: rapha), 글루코나핀(gluconapin: napin), 글루코브라시카나핀(glucobrassicanapin: canapin) 글루코브라시신(glucobrassicin: brass), 글루코나스투르틴(gluconasturtin: nastur) 총 6가지이고 이 중 글루코브라시신은 인돌글루토시놀레이트(indolic glucosinolate)이고, 다른 5종은 모두 알리패틱 글루코시놀레이트(aliphatic glucosinolate)에 속한다. 글루코시놀레이트 합성 기작에 관여하는 유전자 발현 실험에 이용되었던 지부 품종은 글루코시놀레이트 함량이 비교적 적은 품종으로, 본 실험의 결과에서 프로고이트린의 대사량이 청색 혼합광 조건에서 증가하였고 글루코나핀의 경우 적색 혼합광에서 증가한 듯 보 이나 큰 변화를 관찰할 수 없었다(Fig. 6A). 또한 글루코시놀레이트 함량이 적은 품종으로 알려진 Tsao Huang Pa 역시 글루코나핀은 적색 혼합광에서 약간 증가하였지만 다른 종류의 글루코시놀레이트는 광질과 무관하게 생산되었다(Fig.
6배는 증가 하는 유전자 3개를 찾을 수 있었다. 글루코시놀레이트 합성 유전자를 배추 데이터베이스에서 더 선발하여 적, 녹, 청색광을 형광등에 각각 혼합한 조건에 반응하여 발현이 변하하는지 관찰하였는데 청색 광 혼합 조건뿐아니라 적색광 혼합 조건에서도 발현이 증가하는 유전자들이 있었다. 각각 애기장대 CYP79F1, ST5a, FMOGS-OX1와 이종상동 유전자인 Bra026058, Bra015379와 Bra021429는 청색광 조건에서 발현량이 증가하였으나 MAM1, AOP3, UGT74B1, BCAT4의 이종상동유전자인 Bra029355, Bra034180, Bra024634, Bra022448은 청색광 보다 적색 혼합광 조건에서 발현이 증가하였다.
데이터베이스에서 따로 선발하였던 Bra022448과 Bra024634는 각각 7일과 14일 유묘에서 6.5배, 1.2배 FLR 조건에 반응하여 발현량 이 증가하였으며(Fig. 4, Fig. 5D and 5E), Bra015379와 Bra021429는 각각 7일 유묘에서 1.3배과 14일 유묘에서 1.4배 FLB 조건에 반응하여 발현량이 더 많았다(Fig. 4, Figs. 5F and 5G).
5A). 또한 Bra029355와 Bra034180 두 유전자는 7일 유묘에서 FLB 조건에서의 발현량 보다 FLR 조건에서 발현량이 더 많았다(Fig. 4, Figs. 5B and 5C). 특히 Bra029355는 FL 조건보다 6배, FLB 조건과 비교하여 4배의 발현 증가를 보였다.
또한 광범위한 암 억제 효과를 가지며 식물의 방어 기작에도 관여(Brew et al. 2009; Pedras et al. 2006) 하는 것으로 알려진 글루코브라시신은 0.019 μM/DW였던 형광등 조건에서 보다 적색 혼합광과 청색 혼합광 조건에서 함량이 각각 0.03과 0.055 μM/gDW로 2배와 3배 증가하였다(Fig. 6).
05이하인 GO term을 추출한 결과 십자화과에 다량 함유되어 있다고 알려진(Kim 2004) 글루코시놀레이트 합성 기작에 관여하는 유전자가 19개 유전자 중 3개 있음을 확인하였다(Table 3). 마이크로어레이 데이터베이스의 염기서열 번호(SEC ID)로 Bra026058, Bra029355, Bra034180 유전자는 각각 글루코시놀레이트 합성에 관여하는 유전자 AT1G16410 (CYP79F1), AT5G23010 (MAM1), AT4G03050 (AOP3) 유전자로 확인되었다(Table 4). 이들 유전자는 청색 단일광에서는 발현이 감소되었으나(각각 -3.
마이크로어레이 분석을 통해 형광등과 청색 혼합광 조건에서 발현이 4.4배 증가한 것으로 확인되었던 Bra026058는 7일 유묘에서는 FL 조건과 비교하여 발현량이 38배나 증가함을 보였는데 이는 FLR에서 4.8 및 FLG에서 7.8배 발현이 증가한 것과 비교하여 현저히 큰 차이를 보였다. 그러나 14일된 유묘에서는 광조건 간에 유전자 발현 차이를 보이지 않았다(Fig.
(2010)은 보리 잎 추출물의 ABTS (diammonium salts) radical-scavenging 활성이 청색광 조사 조건에서 가장 높았음을 확인하여 항산화제의 합성에 청색광이 유리한 조건임을 증명하였다. 본 실험에서 청색광 단독 조건은 글루코시놀레이트 합성 유전자의 발현을 억제하였으나 식물의 재배에 널리 이용되고 있는 형광등에 청색광을 혼합한 조건은 합성 기작에 관여하는 유전자의 발현을 유도할 수 있음을 확인하였다.
CYP79F1와 MAM1 유전자의 이종상동서열인 Bra026058와 Bra029355 역시 2일간의 암배양 후 광에 노출되면서 발현이 증가하였으며 각각 FLB와 FLR 조건에서 발현이 증가한 것으로 보아 각각의 유전자에 영향을 주는 광질이 서로 다를 수 있음을 보여 주었다. 알리패틱 글루코시놀레이트의 초기 단계에서 사슬연장(chain elongation)의 촉매 효소인 MAM1과 산화를 통해 핵심구조(core structure)를 형성하는 P450 효소 중 하나인 CYP79F1 유전자(Zang et al. 2009)의 상동 유전자가 각각 다른 광 조건에 의해 발현이 유도되었다는 본 연구의 결과는 청색광과 적색광을 적절히 보광하여 배추 유묘 내 글루코시놀레이트 합성을 촉진시킬 수 있음을 보여주었다. 녹색광을 혼합한 조건인 FLG에서는 다른 광 조건과 비교하여 특이적인 변화를 보이지 않았다.
주광인 형광등에 청색광을 혼합한 조건과 청색 단독광 조건을 배추 유묘에 조사한 후 마이크로어레이 분석을 수행한 결과 배추 속 작물의 기능성 물질로 주목을 받고 있는 글루코시놀레이트 합성에 관여하는 일부 유전자들 중 청색 혼합광 조건에서 3.6-4.6배는 증가 하는 유전자 3개를 찾을 수 있었다.
청색 단일광 조건에서 발현이 2배 이상 증가한 유전자 수는 배추 제놈 유전자 4,553개 중 1,513개이고 발현이 억제된 유전자의 수는 1,789개였으나 형광등에 청색광을 혼합하여 조사한 유묘 내에서 발현이 증가한 유전자의 수는 12개, 억제된 유전자는 10개로 줄었다(Table 1).
2013) 2일간 암배양한 후 형광등 조건(FL: Fluorescent lamp)과 형광등에 청색광을 혼합한 조건(FLB: Fluorescent lamp +Blue), 그리고 청색 단일광(B: Blue) 조건에 24시간 동안 노출시켜 총 7일된 유묘의 마이크로어레이 분석을 수행하였다. 형광등 조건을 기준으로 형광등과 청색광을 혼합하여 처리한(청색 혼합광)조건과 청색 단일광 조건에서의 유전자 발현 분석 데이터를 계층군집화하여 분석한 결과, 청색 단일광을 조사한 경우 형광등 조건과 비교해 유전자 발현의 변화가 매우 크게 나타났으나 청색 혼합광 조건에서는 발현 변화한 유전자의 수가 크게 줄었다(Fig. 2). 청색 단일광 조건에서 발현이 2배 이상 증가한 유전자 수는 배추 제놈 유전자 4,553개 중 1,513개이고 발현이 억제된 유전자의 수는 1,789개였으나 형광등에 청색광을 혼합하여 조사한 유묘 내에서 발현이 증가한 유전자의 수는 12개, 억제된 유전자는 10개로 줄었다(Table 1).
GO 분석을 수행한 결과, 청색 단일광 조건에서는 1,295개와 1,598개의 유전자들이 각각 발현 증가 및 감소하였고 혼합광 조건에서는 각각 11개와 8개의 유전자가 각각 발현 증가 및 감소하였다(Table 2). 형광등과 청색광 혼합 조건에서 발현 변화를 보인 유전자들의 GO term을 분석한 후 FDR 값이 0.05이하인 GO term을 추출한 결과 십자화과에 다량 함유되어 있다고 알려진(Kim 2004) 글루코시놀레이트 합성 기작에 관여하는 유전자가 19개 유전자 중 3개 있음을 확인하였다(Table 3). 마이크로어레이 데이터베이스의 염기서열 번호(SEC ID)로 Bra026058, Bra029355, Bra034180 유전자는 각각 글루코시놀레이트 합성에 관여하는 유전자 AT1G16410 (CYP79F1), AT5G23010 (MAM1), AT4G03050 (AOP3) 유전자로 확인되었다(Table 4).

후속연구

2013), 황산동화에 관여하는 유전자와 함께 글루코시놀레이트 합성 유전자들이 광에 의해 조절을 받는다는 보고가 있다. 광질과 함께 일일단위의 광 조사 주기와 각 대사 단계별 영향 및 대사산물의량에 관한 상관관계에 대한 연구 역시 필요하며 이러한 연구는 인공광을 이용하여 유묘를 생육하는 시설에서 광원을 효율적으로 이용하면서 기능적으로 우수한 작물을 생산하는 조건을 조성하는데 유용한 기초 자료가 될 것으로 사료된다.
이러한 결과는 실제 재배에 청색광과 적색광을 적절히 혼용해 보광하거나 생육 시기별로 광질을 재배함으로써 배추 유묘 내 글루코시놀레이트를 비롯한 유용한 영양 성분을 효율적으로 축적시킬 수 있는데 응용할 수 있을 것이다. 또한 식물의 생육시기나 대사물의 합성기작에 따라 보광의 효과를 높일 수 있는 광질이 다를 수 있음을 시사하였으며 글루코시놀레이트의 합성 단계 및 생육시기에 맞춰 물질의 생산 효율을 더 높일 수 있는 광질 조합을 구체적으로 구현할 수 있는 실험이 필요할 것으로 사료된다.
온실이나 식물 공장에서 주, 조보 광원으로 이용이 늘고 있는 LED 광원은 다양한 파장의 광을 선택적으로 이용할 수 있다. 이러한 LED의 특성을 이용하여 식물의 생육단계와 목적하는 대사물의 생산 시기에 맞춰 관련 유전자들의 발현을 향상시킬 수 있는 광질과 조사 시기 및 조사량에 대한 실험은 광원을 효율적으로 이용하고 작물의 기능성을 향상시키는 시설 조건을 마련하는데 기초 자료를 제공할 수 있다. 또한 김치의 원료로만 이용되었던 배추 유묘의 글루코시놀레이트의 함량을 조절하여 기능성 식품소재로서 이용 범위를 넓힐 수 있는 가능성을 제시하였다.
본 연구에서는 형광등에 청색광과 적색광을 보광함으로써 글루코시놀레이트 합성에 관여하는 유전자들의 발현이 다양하게 변화하는 것을 관찰하였다. 이러한 결과는 실제 재배에 청색광과 적색광을 적절히 혼용해 보광하거나 생육 시기별로 광질을 재배함으로써 배추 유묘 내 글루코시놀레이트를 비롯한 유용한 영양 성분을 효율적으로 축적시킬 수 있는데 응용할 수 있을 것이다. 또한 식물의 생육시기나 대사물의 합성기작에 따라 보광의 효과를 높일 수 있는 광질이 다를 수 있음을 시사하였으며 글루코시놀레이트의 합성 단계 및 생육시기에 맞춰 물질의 생산 효율을 더 높일 수 있는 광질 조합을 구체적으로 구현할 수 있는 실험이 필요할 것으로 사료된다.
혼합광 처리에 의한 글루코시놀레이트 합성의 효과는 배추 품종에 따라 차이를 보였으나 몇가지 글루코시놀레이트가 청색광을 혼합한 조건에서 합성이 증가하였다. 이러한 결과는 유묘의 생육 시설에서 기능적으로 우수한 작물을 생산하는 인공광 조건을 조성하는데 유용한 기초 자료가 될 것으로 사료된다.
본 실험에서는 엽록소(chlorophyll)의 두 가지 흡수 파장인 청색광과 적색광을 혼합한 조건에서 반응하는 글루코시놀레이트 합성 유전자의 발현 변화를 관찰하였다. 이러한 연구는 특정 파장영역의 선택이 가능한 LED를 적절히 이용할 수 있는 조건을 규명함으로써 작물의 수량증대와 품질향상에 광원을 효과적으로 이용할 수 있는 기초자료가 될 수 있으며, 다양한 배추속 작물의 재배에도 적용 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광과 식물재배의 관계는?	광은 식물에게 있어 일차적인 에너지원으로 대부분의 식물 발달 단계를 조절하고 광합성 효율을 유지하는 역할을 한다(Hangarter 1997). 태양광은 식물재배에 있어서 최 적의 조건이지만 일일 중 또는 일년 중 끊임없이 변하고 다양한 파장을 가지고 있기 때문에 식물의 광합성 작용에 사용되는 파장은 많지 않다(Lund et al. 2007).
	식물에게 광이 하는 역할은?	광은 식물에게 있어 일차적인 에너지원으로 대부분의 식물 발달 단계를 조절하고 광합성 효율을 유지하는 역할을 한다(Hangarter 1997). 태양광은 식물재배에 있어서 최 적의 조건이지만 일일 중 또는 일년 중 끊임없이 변하고 다양한 파장을 가지고 있기 때문에 식물의 광합성 작용에 사용되는 파장은 많지 않다(Lund et al.
	특정 파장의 광에 대한 선행 연구는?	1964)는 것이 밝혀진 이후 식물의 생육에 특정 파장의 광이 어떤 영향을 미치는 지에 대한 연구가 계속되어 왔다. 광 파장과 작물의 생육과의 관계에 대한 오랜 연구 결과 적색광은 식물체의 광합성에 영향을 미치고 청색광은 형 태학적으로 식물체의 건전한 생장에 필수 요소임이 밝혀 졌다(Okamoto et al. 1996). 또한 애기장대에 청색광을 조사하였을 때 하배축의 신장을 억제하고 자엽 확장을 유발하며, 적색광은 하배축 신장과 자엽 확장을 촉진한다는 보고가 있었다(Whitelam and Halliday 2007).

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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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