초록 ▼

식물은 기공을 통하여 이산화탄소를 얻어 광합성을 하고 여기에서 합성된 에너지는 다른 생물체에 필요한 에너지의 근원이 된다. 열린 기공을 통하여 식물체 내부의 수분도 확산하여 대기속으로 나간다. 이산화탄소를 얻되 지나친 수분손실을막기 위해서 기공의 크기를 적절이 조절하는 것은 식물의 생존에 절대적이다. 이러한 조절은 기공을 감싸는 공변세포가 내적 또는 외적요인의 변화를 인지하여 공변세포의 부피를변화함으로써 이루어진다. 공변세포의 신호전달 체계에 관여하는 분자들을 동정하고 그들상호간의 관계를 밝히려는 연구가 국제적

식물은 기공을 통하여 이산화탄소를 얻어 광합성을 하고 여기에서 합성된 에너지는 다른 생물체에 필요한 에너지의 근원이 된다. 열린 기공을 통하여 식물체 내부의 수분도 확산하여 대기속으로 나간다. 이산화탄소를 얻되 지나친 수분손실을막기 위해서 기공의 크기를 적절이 조절하는 것은 식물의 생존에 절대적이다. 이러한 조절은 기공을 감싸는 공변세포가 내적 또는 외적요인의 변화를 인지하여 공변세포의 부피를변화함으로써 이루어진다. 공변세포의 신호전달 체계에 관여하는 분자들을 동정하고 그들상호간의 관계를 밝히려는 연구가 국제적으로 활발히 진행되고 있다. 동물세포의 여러 신호전달 과정에 세포내골격 형태에 변화가 일어나며, 식물의 기공 개폐운동이 액틴 저해제에의해 저해된다는 사실에 기저를 두고, 본 연구에서는 공변세포의 신호전달 체계에서 액틴의역할을 조사하였다. 구체적으로는 생리적인 자극이 있을 때 기공크기와 공변세포의 액틴필라멘트 배열상태 사이에 어떤 관련성이 있는지, 그리고 액틴의 구조변화를 일으키는 시약들이 공변세포 원형질체에 있는 이온통로에 영향을 미치는가를 조사하고자 하였다.이번 연구에서 두 가지의 중요한 사실을 알 수 있게 되었다. 먼저,immuno-fluorescence microscopy를 사용하여 공변세포내 액틴 필라멘트의 구조가 기공개폐를 일으키는 자극에 의해 실제로 변화함을 보았다 : 빛에 의해서 기공이 열렸을 때는, 공변세포내 긴 액틴 필라멘트들이 피층 부분에서 기공을 중심으로 방사상으로 배열되어 있었다.어둠이나 앱시스산에 의해서 기공이 닫혀졌을 때는, 기공이 열렸을 때와는 대조적으로 액틴이 짧고 무질서하게 흩어져 있거나 아예 filament 형태가 아닌 diffuse한 형광으로 기공에가까운 세포질에서 관찰되었다. 앱시스산으로 처리한 경우에는 빛에 의해서 기공이 열렸을 때 보였던 공변세포의 방사상의 액틴 필라멘트들이 몇 분 이내에 즉, 뚜렷한 기공의 닫힘이 관찰되기 이전에 일어났으며, 앱시스산으로 처리 후 60분이 지나자 대부분의 공변세포에서 완전히 사라졌다. 공변세포내 microtubule의 분포는 액틴 필라멘트의 경우와는 달리,기공개폐를 유도하는 자극들에 의해서 변화되지 않았다. 둘째, 세포단위의 전기적인 변화를 측정할 수 있는 patch clamping 기술을 사용한 결과 기공개폐에 중요한 공변세포의 K+이온통로의 활성이 액틴의 영향을 받는다는 것을 알았다 : 막 전위가 과분극화될 ? 관찰되는 K+ 이온의 흐름이 cytochalasin D를 처리하면 증가하고, phalloidin을 처리하면, 감소하였다. 이러한 현상은 단위 K+ 이온통로 수준에서도 관찰되었다. 액틴의 구조변화는 단위K+ 이온통로 자체의 전기 전도력에는 영향을 주지 않고, 막전위의 과분극화에 의해 열릴수 있는 K+ 이온통로의 수를 변화시켰음을 확인했다. 막전위의 변화에 따라 이온통로가열릴 수 있는 가능성 자체도 변화했다. 즉, 공변세포 안에 긴 액틴 필라멘트가 증가하면,단위 K+ 이온통로들은 막전위 변화에 반응할 수 없는 상태가 되고, 반대로 액틴의 길이가짧아지면, 쉽게 반응할 수 있는 상태가 된다.이상의 연구결과로써 공변세포에 기공을 열거나 닫게하는 생리적인 자극이 주어지면,그 신호전달 과정에서 액틴의 형태가 변화하고 이 변화는 K+ 이온통로의 활성에 영향을 미쳐 공변세포의 부피변화를 일으키고, 나아가 기공의 크기를 바꾸는 현상으로 연결되는 것을알 수 있었다. 이는 액틴이 식물세포의 신호전달 매개체로서 관련함을 보인 것일 뿐만 아니라 어떤 방식으로 기공의 크기조절에서 그 역할을 하는가에 대한 중요한 지식을 제공한것이다.

Abstract ▼

Through stomatal apertures plants obtain CO2 necessary forphotosynthesis that establishes the energy source to be utilized by plants themselvesand other organisms. Since water from the plant system escapes through the samepores, adjusting stomatal size is essential for plants to survive.

Through stomatal apertures plants obtain CO2 necessary forphotosynthesis that establishes the energy source to be utilized by plants themselvesand other organisms. Since water from the plant system escapes through the samepores, adjusting stomatal size is essential for plants to survive. Guard cells that formthe stomatal aperture control the size of stomata by altering the cell volume accordingto changes in internal and external factors. Molecules of guard cell signaling and theirinterrelationship have been hot subjects in the international society of plantphysiologists. Based on the facts that actin plays important roles in various signalingtransduction pathways in animal cells, and that actin antagonists disturb stomatalmovements in plants, we studied the role of actin in guard cell signaling by examiningthe relationship between stomatal changes and actin organization upon stimulation, andby testing effects of actin antagonists on ion channel activities of guard cell protoplasts.We made two major discoveries. First, we found that actin filaments of guardcells, visualized by immunofluorescence microscopy, change their distribution in responseto physiological stimuli : When stomata were open under whit-light illumination, actinfilaments were localized in the cortex of guard cells, arranged in a pattern that radiatesfrom the stomatal pore. However, for guard cells of stomata closed by darkness or byabscisic acid, the actin organization was characterized by short fragmentsrandomly-oriented and diffusely-labeled along the pore site. Upon abscisic acidtreatment, the radial pattern of actin arrays in the illuminated guard cells began todisintegrate within a few minutes and was completely disintegrated by 60 min. Unlikeactin, microtubules of guard cells retained an unaltered organization under all conditionstested. Second, we found that actin antagonists alter K+ channel activities which arepivotal in stomatal movements : Cytochalasin D which induces actin depolymerizationpotentiated inward K+ current in guard cell protoplasts. Phalloidin, a stabilizer offilamentous actin, inhibited the current. Inward K+ channel activities in outside-outmembrane patches showed responses to these agents that support results at the wholecell current level. These results suggest that cytochalasin D facilitates and phalloidininhibits K+ influx in intact guard cells, thus resulting in enhancement and inhibition ofstomatal opening, respectively.These results show that actin in guard cells changes its organization uponphysiological stimuli, and the change can induce alteration in K+ channel activities, thatleads to volume changes in the cells, and thus adjusting the stomatal aperture. Theseresults established actin as a signal mediator and also how actin may serve in plant cellsignaling pathways.

목차 Contents

• I. 본문...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구 방법...7
• 3. 연구결과...9
• 4. 고찰...10
• 5. 결론...11
• 6. 인용문헌...11
• 7. 그림...13
• II. 연구수행관련 논문발표목록서...18
• III. 자체평가서...20
• IV. 연구참여 인력목록서...21
• V. 연구비 집행내역서...24
• VI. 주요기자재 구입목록...25