초록 ▼

연구목적
벼 ALLANTOINASE (ALN)와 ALLANTOIN TRANSPORTER (ALT)는 질소의 이동물질인 allantoin에 관련된 유전자들이며, 벼 돌연변이벼들은 공통적으로 종자의 형성에 심각한 문제점들을 나타낸다. 이러한 표현형은 allantoin이 종자발달시 비정상적인 이동과 이용에 의한 결과라 추론하며 이런 가설을 증명하기 위해 벼종자 발달시에 질소재이동, 벼 조직발달시 질소재사용을 ¹⁵N tracing 실험을 통해 분석.

연구내용
Aim 1) aln와 alt 돌연변이벼

연구목적
벼 ALLANTOINASE (ALN)와 ALLANTOIN TRANSPORTER (ALT)는 질소의 이동물질인 allantoin에 관련된 유전자들이며, 벼 돌연변이벼들은 공통적으로 종자의 형성에 심각한 문제점들을 나타낸다. 이러한 표현형은 allantoin이 종자발달시 비정상적인 이동과 이용에 의한 결과라 추론하며 이런 가설을 증명하기 위해 벼종자 발달시에 질소재이동, 벼 조직발달시 질소재사용을 ¹⁵N tracing 실험을 통해 분석.

연구내용
Aim 1) aln와 alt 돌연변이벼의 종자발달시 질소 재이동 (nitrogen remobilization)
식물은 종자발달을 위하여 vegetative에서 reproductive stage로 전환된다. 종자발달에 필요한 질소원은 뿌리에서 흡수되지 않고 노화된 잎에서 재사용되는 질소원으로 이런 과정을 질소 재이동 (nitrogen remobilization)이라 한다. aln와 alt 돌연변이벼들은 종자발달에 심각한 문제점이 있으므로 질소 재이동에 문제가 있을 것이라 추측한다. 이를 증명하기 위하여 15N tracing 실험을 종자발달시기에 수행.

Aim 2) aln와 alt 돌연변이벼의 종자형성시 allantoin metabolite 분석
종자발달시 allantoin이 종자에 축척된다고 알려져 있다. 그 이유는 단순하게 종자발달을 위한 질소원의 공급이다. aln와 alt 돌연변이벼들은 종자발달에 심각한 문제점이 있으므로 allantoin의 축척이 비정상적 일 것이라 가설된다. 이를 증명하기 위하여 aln와 alt 돌연변이벼들의 종자발달시 allantoin metabolite 측정실험을 수행.

Aim 3) aln와 alt 돌연변이벼의 질소 재사용 (nitrogen recycling)
식물은 vegetative stage에 지속적으로 새로운 잎을 만들어 내고 그 새로운 발달된 잎에 필요한 질소원은 노화된 잎에서 다시 재사용 (nitrogen recycling)되고 있다. allantoin은 질소이동물질중의 하나로 질소 재사용에 이용될 것이라 추측되고, aln와 alt 돌연변이벼들은 이런 질소 재사용에 문제점이 있을 것이라 가설된다. 이를 증명하기 위하여 15N tracing 실험을 수행.

Aim 4) aln와 alt 돌연변이벼의 노화 (senescence)와 allantoin과 관계
만약 노화된 잎에서 allantoin이 질소이동물질로 질소 재사용에 이용되면 노화된 잎과 새로 발달된 잎 사이의 allantoin 양이 큰 차이를 나타낼 것이며 노화되는 잎에서 allantoin합성이 증가할 것이다. 결론적으로 aln와 alt 돌연변이벼들은 이런 allantoin modulation에 문제점이 확인이 되지 않아서 본 실험은 수행하지 않았음.

연구결과
∙aln와 alt1 mutants의 종자발달시 질소 재이동실험에서 종자발달시 필요한 질소재이동은 aln와 alt1 mutants에서 촉진되지 않고 뿌리에서 흡수를 촉진함을 확인.
∙aln와 alt1 mutants 종자형성시 allantoin metabolite 분포는 종자발달시 allantoin의 변화는 식물의 주 질소원인 아미노산의 양을 변화시키며, 특히 asparagine과 glutamine의 변화를 확인.
∙aln와 alt 돌연변이벼의 질소 재사용분석을 통하여 새로운 식물조직 발달시 필요한 질소 재사용은 aln와 alt1 mutants에서 촉진되지 않음을 확인.
∙결론적으로 질소의 재사용과 재이용에서 aln와 alt1 mutants은 아무런 변화가 없어,돌연변이의 종자 특이적 표현형의 원인은 다른 요소에 의해 결정될 것이라 결론.

연구결과의 활용계획
∙벼를 이용한 질소재사용과 질소재이동의 실험적인 접근은 세계적으로 소수 연구그룹만이 가지고 있는 기술로 이번 국가간협력기반조성사업을 통하여 본 연구그룹도 독자적으로 실험을 할 수 있는 노하우를 전수.
∙벼의 질소에 민감하게 반응하는 유전자인 ALLANTOINASE와 ALLANTOIN TRANSPORTER1의 전사조절부위를 분리하였고 이들의 질소 민감성을 확인하였다.이런 질소에 민감한 특성을 이용하여 질소 생체분자센서로써의 가치를 인식하였고,ALLANTOINASE와 ALLANTOIN TRANSPORTER1의 전사조절부위를 이용한 벼 질소 생체분자센서를 제작 할 예정.

( 출처 : 한글요약문 4p )

Abstract ▼

Purpose
Rice ALLANTOINASE (ALN) and ALLANTOIN TRANSPORTER (ALT) are involved in allantoin metabolite and their mutants commonly showed defects in rice seed development. The seed defects are possibly caused by defects in nitrogen recycle and nitrogen remobiliza ion. To test the hypothesis, we desi

Purpose
Rice ALLANTOINASE (ALN) and ALLANTOIN TRANSPORTER (ALT) are involved in allantoin metabolite and their mutants commonly showed defects in rice seed development. The seed defects are possibly caused by defects in nitrogen recycle and nitrogen remobiliza ion. To test the hypothesis, we designed ¹⁵N tracing experiments for nitrogen recycle and remobilization during vegetative and reproductive growth stages, respectively.

Contents
Aim 1) ¹⁵N tracing experiment for nitrogen remobilization
- Rice cultures under normal nitrogen condition for 3 months.
- ¹⁵N labelling at vegetative stage before anthesis for 1 week.
- Harvest samples after 8 weeks under normal nitrogen condition.
- Analysis for total N and C measurement and ¹⁵N determination by IRMS.
- Data computing in order to determine resource allocations.
- Comparisons of mutants and wild type.

Aim 2) Metabolome and allantoin determination
Plants were grown under high and low nitrogen conditions and harvested at vegetative stage.¹⁵N labelling is performed early on the primary leaves. Chase was performed until several young leaves merged. Plant material was collected separating the different leaf ranks in order to estimate15N fluxes from leaf to leaf. In similar unlabelled samples metabolite refilling will be performed using GC-MS with a special focus on allantoin.

Aim 3) ¹⁵N tracing experiment for nitrogen recycle
- Rice cultures under normal nitrogen condition for 2 weeks.
- ¹⁵N labelling at vegetative stage for 2 week.
- Harvest samples after 2 weeks under normal nitrogen condition.
- Analysis for total N and C measurement and ¹⁵N determination by IRMS.

Aim 4) relationship between allantoin and senescence
aln and alt1 mutants had no defects in nitrogen recycle and remobilization. Thus,we did not expand the teat about the relationship between allantoin and senescence during vegetative growth stage.

Results
aln and alt1 mutants had no defects in nitrogen recycle and remobilization.
However, these mutants clearly showed different contents of amino acids, indicating that the mutants affect nitrogen metabolism. Thus, the seed defects of both mutants are caused by other unknown mechanisms such as nitrogen absorption in roots.

Expected Contribution
∙¹⁵N tracing experiment is an unique method to test the nitrogen recycle and remobilization. From this collaboration, our group got the know-how about the ¹⁵N tracing experiment. We can do the ¹⁵N tracing experiment independently.
∙We do not identify the primary reason why the aln and alt1 mutants show seed defect phenotype. However, during this project, we understand that the ALN and ALT1 are sensitively responded to various nitrogen conditions. We will use the nitrogen sensitive property of the ALN and ALT1 genes to make nitrogen in vivo sensor systems in rice.

( 출처 : SUMMARY 5p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발 과제의 개요 ... 6
• 2. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 3. 목표 달성도 및 자체평가 ... 13
• 4. 연구결과의 활용계획 ... 14
• 5. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 14
• 6. 참고문헌 ... 14
• 7. 연구성과 ... 15
• 8. 기타사항 ... 16
• 별첨. 대 표 연 구 성 과 ... 17
• 끝페이지 ... 17