초록 ▼

연구의 목적 및 내용

‘패턴인식수용체’ (PRR)은 미생물들의 집단에서 공통으로 보존되어 있는 ‘미생물 관련 분자패턴’ (MAMP)를 인식하기 때문에 하나의 특정 PRR을 가지는 식물은 MAMP를 가지는 많고 다양한 미생물들에 대하여 ‘선천적 면역반응’을 유도한다.
따라서 본인은
1) 한국에서는 그 연구가 부족하고 유럽과 미국에 의해서 주도하고 있는 PRRs에 의한 식물의 선천적면역반응을 연구하고
2) PRR 복합체를 구성하는 공통단백질이 기여하는 신호전달을 밝혀서 기존의 PRR 중심의 신호전달연구 방식

연구의 목적 및 내용

‘패턴인식수용체’ (PRR)은 미생물들의 집단에서 공통으로 보존되어 있는 ‘미생물 관련 분자패턴’ (MAMP)를 인식하기 때문에 하나의 특정 PRR을 가지는 식물은 MAMP를 가지는 많고 다양한 미생물들에 대하여 ‘선천적 면역반응’을 유도한다.
따라서 본인은
1) 한국에서는 그 연구가 부족하고 유럽과 미국에 의해서 주도하고 있는 PRRs에 의한 식물의 선천적면역반응을 연구하고
2) PRR 복합체를 구성하는 공통단백질이 기여하는 신호전달을 밝혀서 기존의 PRR 중심의 신호전달연구 방식의 한계를 극복하고
3) 쌍떡잎 모델식물인 Arabidopsis에서의 PRRs이 아니라 외떡잎 식물인 벼에서 이용 가능한 새로운PRRs을 발견하여 주요 외떡잎 작물에 적용할 수 있는 기반을 조성하고자 한다.
4) 최종적으로 식물의 ‘선천적 면역반응’을 유도하는 새로운 PRRs의 역할을 이해함으로써 궁극적으로 면역력이 증가된 친환경 식물 개발에 이바지 하고자 한다.

연구결과

■ 벼의 패턴인식 수용체의 XA21과 상호작용 하는 XB21을 공통 구성 단백질들의 후보로 보고 추가 실험을 수행하였음.
■ 예상과 마찬가지로 XB21은 leucine-rich repeat를 가지고 있는 다른 receptor와 상호작용 하는 모습을 보여주었음.
■ 이 leucine-rich repeat 단백질은 기존에 알려진 여러 패턴인식 수용체와 상호작용을 하는 공통 구성단백질인 BAK1과 extracellular domain이 흡사한 구조로 되어 있었음.
■ 이에 XB21과 LRR protein에 대한 연구를 추가적으로 수행하였음.
■ XB21의 경우 NCBI과 MSU database의 homology 분석을 통하여 식물에서는 별로 연구된 예가 많지 않은 동물의 auxilin가 비교적 높은 유사성을 보인다는 것과 단백질의 C-terminal쪽에 DnaJ domain을 가지고 있다는 것을 알게 됨.
■ Auxilin은 동물에서는 coat protein과 상호작용하여 vesicle을 uncoating하는 것으로 알려져 있음.
■ 따라서 auxilin-like protein인 XB21을 과발현 하는 형질전환체 벼와 XB21유전자를 silencing하는 형질전화체 벼를 제작하여 병원균 Xanthomonas oryzae pv. oryzae 접종 실험을 수행하였음.
■ XB21이 과발현 되었을 때 cell death를 보이며 증가된 병저항성을 보여주었음.
■ XB21이 silencing 되었을 때 Xa21의 유전자 발현이 저하되는 결과를 얻었음.
■ XB21이 과발현 되었을 때 나타나는 여러 phenotype의 원인을 규명하기 위하여 RNAseq을 수행하였음.
■ 병 저항성과 관련된 많은 유전자와 전사인자, cell death와 관련된 유전자, vesicle transport에 관련된 유전자들의 발현이 증가되는 것으로 밝혀짐.
■ 추가적으로 Autophagy에 관련된 유전자들이 다수 발현 증가함을 알게 되었으며 이 중에서는 autophagy marker 유전자인 ATG8을 포함하고 있음.
■ 최종적으로 XB21의 auxilin like protein으로 기능을 수행하는데 그 유전자가 과발현 되었을 때는 세포의 ER stress를 수반하여 cell death가 야기되는 autophagy관련 신호 전달이 일어나는 것으로 추측됨.
■ 이와 관련하여 추가 과제를 계획 중에 있음.

연구결과의 활용계획

기존의 PRRs에 대한 연구는 쌍떡잎 식물인 Arabidopsis에 집중되어 있음. 따라서 우리나라의 주요외떡잎 식물에서 새롭게 이용 가능한 PRRs을 찾아내고 이를 연구한다면 PRRs이 다수의 병원체에 면역 반응을 유도하기 때문에 그 잠재력과 응용 가능성이 매우 큼.
1) 한국의 중요 식량 작물에서 새로운 PRRs을 찾아내고 연구하여 그 유전자 자원들을 선점.
2) 더 많은 단자엽 식물들의 유전체 염기 서열이 밝혀진 후에는 유전체 비교 분석을 통하여 세계 유수의 연구 그룹보다 한발 먼저 유용한 유전자 자원을 확보.
3) 면역 반응을 특이적으로 증가시키는 유전자들은 국제 특허 등을 통해 그 지적 재산권을 확보하고, 병원체에 대해서 실질적으로 면역력이 증가된 벼와 주요 외떡잎 식물을 만듦.
4) 한국에서만 보아도 기후 변화로 인해 많은 식물병이 북상하며 새로운 피해를 내고 있음. 따라서 PRR 복합체의 분리와 면역 반응 연구는 직접적으로 식량 증산에 기여하며 ‘식량주권 확보’를 가능하게 함.
5) 간접적으로는 농약 사용을 줄여 지구적인 생태계 / 환경 문제를 해결하고 ‘친환경’으로 대표되는최근의 고부가가치 생명농업에 기여.

(출처 : 한글요약문 5p)

Abstract ▼

Purpose& contents

1) Focus on PRR-mediated innate immune systems which are being led by EU and USA
2) Study PRR complex-mediated signal pathways to overcome previous limiting studies about PRR itself.
3) Isolate new available PRRs from monocotyledon rice instead of using dicotyledon Ara

Purpose& contents

1) Focus on PRR-mediated innate immune systems which are being led by EU and USA
2) Study PRR complex-mediated signal pathways to overcome previous limiting studies about PRR itself.
3) Isolate new available PRRs from monocotyledon rice instead of using dicotyledon Arabidopsis, which will be able to apply to other important monocotyledon crops.
4) Finally, these efforts will lead us to new insight into sustainable and environment-friendly ways for improving plant innate immunity.

Result
The rice (Oryza sativa L.) immune receptor, XA21, confers resistance to the Gram-negative bacterium, Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo). To elucidate the mechanism of XA21-mediated immunity, we previously performed a yeast two-hybrid screening with a rice cDNA library using XA21 as a bait. From this analysis, we identified an auxilin-like protein (ALP) containing a C-terminal J-domain. We named this protein XA21 binding protein 21 (XB21).
Here, we report the in vivo interaction of XA21 with XB21 via co-immunoprecipitation. Overexpression of XB21 in rice variety Kitaake confers a lesion mimic phenotype and enhanced resistance to Xoo Philippine race 6 (Xoo PR6). Silencing of XB21 in the transgenic Kitaake carrying XA21 under the control of its native promoter (XA21) reduces XA21 transcript accumulation and enhances susceptibility to Xoo. A transcriptomic analysis of XA21 transgenic plants overexpressing XB21 revealed up-regulated expression of genes predicted to be involved in ‘vesicular-mediated transport’, ‘cell death’, ‘response to biotic stimulus’ and etc.
These results suggest that XB21 may act as a plant auxilin protein and contribute to cell death. The cell death triggered by XB21 overexpression confers enhanced resistance to Xoo. An unknown mechanism that XB21 is involved in, likely vesicle-mediated transport, is essential for the accumulation of XA21 transcripts and XA21-mediated immunity.

Expected Contribution

ALP XB21 was originally isolated as one of the XA21 binding proteins. We have confirmed the in vivo interaction between XB21 and XA21 using immunoprecipitation assays. RNAseq analysis of XB21-overexpressing rice plants displayed up-regulation of genes related vesicle-mediated transport and cell death, suggesting that XB21 may function as an auxilin. Genetic approaches revealed that cell death regulated by XB21 contribute enhanced resistance to Xoo and plays a role in the XA21-mediated immunity, probably via regulating XA21 expression.

(출처 : SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 3연구계획 요약문 ... 4연구결과 요약문 ... 5 한글요약문 ... 5 SUMMARY ... 6연구내용 및 결과 ... 7 1. 연구개발과제의 개요 ... 7 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 11 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 26 5. 연구결과의 활용계획 ... 26 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 27 7. 참고문헌 ... 29 8. 연구성과 ... 32 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 37 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 37 11. 기타사항 ... 39끝페이지 ... 39