초록 ▼

본 연구의 최종목표는 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 뿌리세포의 운명 (root cell fate) 결정에 영향을 미치는 브라시노스테로이드(BRs)의 분자적 작용기작을 밝히고, 이를 조절하는 식물호르몬 (옥신, BR, GA)간의 기능적 상호 작용을 이해하는데 있다.
우리는 먼저 본 과제를 통해 뿌리정단분열세포의 활성은 브라시노스테로이드와 하위 신호전달에 의해 조절됨을 밝혀내었다. 브라시노스테로이드의 양성적 신호전달은 뿌리분열조직의 분열활동을 억제하거나 또는 그와 반대로 너무 빠르게 촉진하여 때 이른 세포분열국

본 연구의 최종목표는 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 뿌리세포의 운명 (root cell fate) 결정에 영향을 미치는 브라시노스테로이드(BRs)의 분자적 작용기작을 밝히고, 이를 조절하는 식물호르몬 (옥신, BR, GA)간의 기능적 상호 작용을 이해하는데 있다.
우리는 먼저 본 과제를 통해 뿌리정단분열세포의 활성은 브라시노스테로이드와 하위 신호전달에 의해 조절됨을 밝혀내었다. 브라시노스테로이드의 양성적 신호전달은 뿌리분열조직의 분열활동을 억제하거나 또는 그와 반대로 너무 빠르게 촉진하여 때 이른 세포분열국면의 탈출 (premature mitotic exit)과 함께 앞당겨진 분화를 일으켰다. 또한 뿌리정지중심부(QC)의 분열과 분화를 촉진하였으며, 특히나 식물의 중력인지에 중요한 증축세포의 분화를 억제하고 미분화 시원세포로 남도록 조절한다. 브리사노스테로이드는 증축세포의 분화를 촉진하는 옥신과는 반대의 길항적 작용을 보여주었는데, 우리는 이러한 브라시노스테로이드의 작용이 뿌리 내 옥신의 이동과 auxin maximum 형성을 저해함으로서 유발된다는 것을 증명하였다. 브라시노스테로이드에 의해 유도되는 BZR1의 핵 내 이동과 활성은 증축세포에서 해당된 구역의 PIN3 와 PIN7의 발현을 억제하였고, 이에 따라 증축세포로의 옥신 이동이 억제됨으로서 auxin maximum의 축소/발현 구역의 변화와 함께 시원세포로부터의 증축세포의 분화가 억제되었다.
BARK1(BAK1-Associating Receptor-like Kinase 1)은 BAK1과 몇 가지 BAK1 상동단백질에만 특이적으로 결합하는 세포막 단백질 키나제 단백질로서, BARK1 프로모터 형질전환체 (BARK1p::GFP)식물을 이용한 발현을 조사해보면 줄기정단세포와 뿌리정단세포 등 브라시노스테로이드에 의한 조절이 활발한 조직에서 특이적으로 발현된다. 또한 BARK1 과발현 형질전환체 BARK1ox (35S::BARK1-NYFP)의 브라시노스테로이드 관련 반응성을 조사해보면, 형질전환체는 뿌리의 발생에서 스테로이드 호르몬에 의한 조절을 매개함을 확인할 수 있었다. 특히나 과발현체에서 발견되는 곁뿌리의 극적인 발달은 BARK1 유전자의 곁뿌리에서의 발현과도 일맥상통 한다.
YsBIP2 (BIN2-Interacting Protein)는 브라시노스테로이드 신호전달의 음성적 조절자인 BIN2와 결합하는 전사인자인데, 과발현체 (35S::YsBIP2-NYFP)는 명상태에서는 극심한 왜성, 녹색 강화 잎, 불완전 수분 등 전형적인 브라시노스테로이드 신호전달 억제 표현형을 보여 주지만, 암상태에서는 천연형의 표현형과 차이가 없다. 또한 YsBIP2 과발현체의 뿌리는 브라시노스테로이드에 의한 뿌리 발달 억제 현상에 둔감하고 곁뿌리의 발달이 천연형에 비해 상당 부분 감소되었다. 한편, BZR1/BES1은 YSBIP2 유전자 프로모터에 강하게 결합하여 발현억제를 유도함을 CHIP assay를 통해 확인할 수 있었다.
칼슘은 여러 가지 신호전달과정의 이차전달자로서 식물의 생장반응을 조절하는데 널리 쓰인다. 우리는 본 과제를 통해 다양한 종류의 칼슘 저해제가 뿌리 내 옥신의 농도를 급격하게 낮추고 또한 auxin maximum의 형성 구역을 증축세포에서 정지중심부 쪽으로 이동시킴을 밝혀내었다. 이와 같은 비정상적 auxin maximum에 형성은 칼슘저해제에 의해 옥신유출단백질 PIN1 발현이 저해되어 유발되었는데, 이들은 궁극적으로는 정지중심부의 재분열과 함께 뿌리길이 생장의 억제를 유발하였다.
마지막으로는 우리는 연구를 통해 뽕나무로부터 뿌리를 유도하는 최적 조직배양 조건을 확립하였으며, 고정 세포주를 이용해 GABA와 Rutin을 효율적으로 생산, 분비하는 호르몬 조성 조건을 확립 하였다.
본 연구는 학술적으로는 BR과 다른 호르몬의 협동적 활성기작에 의해 조절되는 뿌리세포의 운명결정과 발생과정을 분자적인 측면에서 순차적으로 이해하는데 중요한 학문적 기반을 제공 할 것이다. 이와함께, 우리 연구팀에서는 3명의 석사 졸업자와 2명의 석/박사 통합과정 진출자를 배출하였고 4개의 논문 발표하고 현재 다른 하나의 논문도 준비 중이다. 이와 더불어 연구를 통해 식물세포의 운명을 결정하는 인자들과 그들의 작용기작을 알아냄으로써 식물 조직 배양 기술에 새로운 장을 열 것이다. 또한 본 연구는 작물의 뿌리 형태형성 조절에 응용되어 장기적으로 다양한 환경 조건에 강하게 적응하는 벼의 개발 등 작물의 품질 개량에 활용될 수 있다는 점에서도 중요하다.

목차 Contents

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