초록 ▼

본 연구에서는 애기장대(Arabidopsis)의 연구 결과를 토대로 바이오에너지 연구를 위한 모델식물인 Brachypodium(숲개밀)로부터 분자유전학적·생화학적 연구를 수행하였고, 이를 통해 상전이와 개화시기 조절 관련 유용 유전자를 동정하고, 이들을 이용한 유전자 조작 연구에 필수적인 형질전환 시스템 구축하였다. 또한 형질 전환체 식물의 변이 유용성 검증 연구들을 바탕으로 차세대 바이오에너지 작물로 인정되고 있는 Miscanthus(억새)와 Switchgrass(지팽이풀)에 적용시켜, 유용 유전자의 기능성 검증, 형질전환 시스템

본 연구에서는 애기장대(Arabidopsis)의 연구 결과를 토대로 바이오에너지 연구를 위한 모델식물인 Brachypodium(숲개밀)로부터 분자유전학적·생화학적 연구를 수행하였고, 이를 통해 상전이와 개화시기 조절 관련 유용 유전자를 동정하고, 이들을 이용한 유전자 조작 연구에 필수적인 형질전환 시스템 구축하였다. 또한 형질 전환체 식물의 변이 유용성 검증 연구들을 바탕으로 차세대 바이오에너지 작물로 인정되고 있는 Miscanthus(억새)와 Switchgrass(지팽이풀)에 적용시켜, 유용 유전자의 기능성 검증, 형질전환 시스템 및 기법의 개발 연구들을 위한 토대를 마련하였다. 나아가 연구결과 산물 및 기법에 대한 정보를 통합하여 데이터 베이스화함으로써 향후 국내 바이오매스 증대 연구 활성에 기여하였다.
바이오에너지 연구의 핵심적인 요소의 하나인 바이오매스 증진 목적을 달성하기 위하여 모델작물로서 애기장대(Arabidopsis)의 생장속도, phase transition(상전이), 개화시기의 지연, 환경 스트레스 내성 등의 연구가 수행되었고, 애기장대에서 microRNA 156(miR156), microRNA172(miR172), TOE1 등의 유전자는 개화시기와 phase transition을 조절하는 것으로 밝혀짐에 따라 Brachypodium 유래의 이들 유전자를 확보하고 기능적 유사성을 밝혔다. 뿐만 아니라, Brachypodium 유용 유전자를 발굴함에 있어 식물 조직별, 발달 단계별, 다양한 환경 스트레스 조건에서도 안정적으로 발현하는 internal control gene(내재 표준 유전자)도 검증하여 확보 하였다.
바이오매스 증진을 위해 유용 유전자(GI, FT, miR156)의 발굴 및 도입을 위하여 형질전환은 필수적이다. 이에 본 연구팀은 벼 형질전환 전문가를 확보하였고, 미국 USDA의 John Vogel 박사팀으로부터 기술지원을 받아 Agrobacterium-mediated Brachypodium 형질전환 기법을 구축하였다. 이를 바탕으로 벼에서와 같이 activation tagging mutagenesis를 수행하여, 현재 특이적인 표현형을 보이는 다수의 돌연변이체를 확보하여, 생화학 및 분자생물학적 분석을 진행 중에 있다. 또한 효율적인 형질전환 시스템과 애기장대에서의 flowering time과 phase transition 조절 원리 연구를 바탕으로 개화와 관련된 GI, FT, miR156, TOE1 유전자를 Brachypoium내에서 동정하였고, 이들의 형질전환체를 제작하여 표현형을 관찰하였다. 실제 이들은 개회시기가 지연되고, 영양 생장이 증대되어있는 표현형을 보임에 따라, 이들 유전자를 이용하여 바이오 매스가 증진된 작물을 개발할 수 있는 발판을 마련하였다.
Zinc Finger Nuclease(ZFN)라는 DNA상에서 우리가 원하는 자리에 인위적으로 DSB (double strand break)를 일으킬 수 있는 기법을 이용하여 flowering time과 phase change 조절 유전자의knockout을 유도하는 연구도 수행하였다. Flowering time 조절 유전자GIGANTEA 유전자를 대상으로 진행하였으며, 이 연구를 위해 Brachypodium에서의 GI 유전자를 동정하고, 실제 애기장대 및 벼에서 알려진 바와 같이 Brachypodium에서도 개화조절과 관련된 기능을 수행함을 증명하였다. 또한 BdGI 유전자에 mutation을 일으키는 ZFN을 yeast 및 mammalian cell을 이용한 in-vivo test를 통해 찾을 수 있었다.
본 연구를 통해 애기장대에서의 기초 연구를 바탕으로 개화시기 및 생장 촉진·억제 조절 유전자를 발굴하였고, 바이오매스 증진 유전자에 대한 지적 재산권을 확보하였다. 또한 Brachypodium 및 억새의 형질전환시스템 및 돌연변이 pool을 확립하여 바이오 에너지 원료 작물 연구의 기초를 마련할 수 있었다. 장기적으로는 억새의 재배경작 시스템 구축을 통하여 농촌경제의 활성화에도 기여할 수 있으며 바이오 에너지의 이용 증대에 의한 화석 원료 사용의 감소를 유도하여 온실가스 배출 및 대기오염 가스의 저감 효과가 기대되어진다.

Abstract ▼

The research for enhancement of biomass is a key factor in bioenergy research filed. To accomplish the enlargement of biomass, we examined developmental stages, phase transition, flowering phenotypes of various Arabidopsis mutants. The target gene include miR172 genes and its target gene,TOE1 in Ara

The research for enhancement of biomass is a key factor in bioenergy research filed. To accomplish the enlargement of biomass, we examined developmental stages, phase transition, flowering phenotypes of various Arabidopsis mutants. The target gene include miR172 genes and its target gene,TOE1 in Arabidopsis. For flowering time-related genes (miR172, TOE1) from Brachypodium, functional analysis were being conducted and confirmed functional similarity. Stable reference genes were necessary to normalize the gene expression data. We further characterized a group of reference genes that are suitable for qRT-PCR data normalization in Brachypodium.
We also established an efficient transformation system was essential for gene manipulation with useful genes (GI, FT, miR156) in Brachypodium. Furthermore, we employed Zinc finger nuclease (ZFN) technology, which is an efficient knockout technique. In this research, we generated a ZFN-mediated GI mutants and screened for late flowering mutants for the biomass. Our final goals are the development of trangenic plants enhancing biomass.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• I. 연구결과 요약문 ... 4
• II. 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 8
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 8
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• III. 연구성과 ... 9