초록 ▼

□ 연구개요
애기장대 ESP4 유전자의 돌연변이체는 인산결핍 조건에서 야생형 애기장대 식물체에 비해 인산흡수 효율이 증가되고 뿌리의 발달이 억제되지 않고 정상적으로 이루어지는 표현형을 보였다. 본 연구에서는 인산결핍 스트레스 환경에서 뿌리발달 및 인산흡수 조절에 관여하는 애기장대 ESP4 유전자의 기능을 규명하고자 하였다. 또한, 유전자편집 기술을 이용하여 애기장대 ESP4 유전자의 Orthologue인 벼의 OsESP4-1 유전자 기능을 억제함으로써 인산결핍 조건에서도 뿌리의 생육이 양호하고 인산흡수율이 높은 인산결핍 스트레

□ 연구개요
애기장대 ESP4 유전자의 돌연변이체는 인산결핍 조건에서 야생형 애기장대 식물체에 비해 인산흡수 효율이 증가되고 뿌리의 발달이 억제되지 않고 정상적으로 이루어지는 표현형을 보였다. 본 연구에서는 인산결핍 스트레스 환경에서 뿌리발달 및 인산흡수 조절에 관여하는 애기장대 ESP4 유전자의 기능을 규명하고자 하였다. 또한, 유전자편집 기술을 이용하여 애기장대 ESP4 유전자의 Orthologue인 벼의 OsESP4-1 유전자 기능을 억제함으로써 인산결핍 조건에서도 뿌리의 생육이 양호하고 인산흡수율이 높은 인산결핍 스트레스에 대한 내성을 가지는 유전자편집 벼를 개발하고자 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
○ 인산결핍 조건에서 ESP4 유전자에 의한 뿌리발달 조절과정의 상호작용 규명
-Auxin에 반응하는 pDR5::GFP 형질전환체를 이용한 실험을 통하여 esp4 돌연변이체에서는 야생형 애기장대에 비해 auxin의 함량이 현저히 낮으며, 인산결핍 조건에서 뿌리에서의 auxin의 redistribution이 느리게 진행되는 것을 관찰할 수 있었다.
-인산결핍 조건하에서 뿌리에서의 Auxin의 재분포 과정에 PIN 단백질이 관여하는지, 이러한 과정에 ESP4 유전자가 중요한 역할을 하는지를 조사하기 위하여 ProPIN1(2,3):PIN1(2,3) cDNA::GFP 형질전환체와 esp4 돌연변이체를 교배하여 정상조건과 인산 결핍조건에서 PIN1,2,3 단백질의 발현 양상과 subcellular localization을 비교 분석하였다. 이를 통하여 ESP4 유전자가 인산결핍 스트레스에 반응하여 PIN 단백질의 기능 조절을 통한 뿌리발달 조절 메커니즘에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다.
○ 벼 OsESP4 유전자 분리 및 OsESP4 유전자 표적 유전자교정 벼 형질전환체 개발
-애기장대 ESP4 유전자에 대한 벼 orthologue 유전자들을(OsESP4-1 및 OsESP4-2) 규명하였고, 이들 유전자들이 벼에서 인산결핍 스트레스 반응과정에 관여하는지를 확인하기 위하여 벼를 질소, 인산, 칼륨이 각각 결핍된 조건에서 키운 후 qRT-PCR을 수행하였다. 그 결과, 이들 유전자들의 발현이 인산 및 칼륨 결핍 스트레스 조건에서 증가함을 확인하였다.
-벼 ESP4 유전자 기능 억제를 위한 CRISPR/Cas9 벡터를 제조하기 위하여 CRISPR-P 프로그램을 이용하여 2개의 gRNA를 design하여 식물 형질전환용 벡터를 제작하였다. 이를 이용하여 형질전환 벼를 획득하고, targeted genome deep sequencing analysis를 통하여 OsESP4-1 유전자 내에 다양한 돌연변이가 발생한 형질전환체를 선발하였다.
-OsESP4-1 유전자의 유전자편집 여부를 확인한 T0 및 T1 형질전환체를 이용하여 정상적인 조건과 인산결핍 조건 하에서 배양한 후 지상부와 주근의 길이를 측정하였다. OsESP4-1 유전자가 편집된 형질전환 벼는 인산 결핍 조건에서 인산흡수율이 증진되고 지상부와 뿌리의 생육이 더 양호한 것을 확인하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
식물은 인산결핍 스트레스 대응 과정에서 다양한 유전자들의 발현을 조절하고, 인산 항상성 유지 및 뿌리의 발달을 조절한다. 본 연구에서는 인산결핍 스트레스에 대응한 인산 항상성 유지 및 뿌리발달 조절과정에서 ESP4 유전자의 역할을 규명함으로써 식물체의 인산결핍 스트레스에 대응한 새로운 생물학적 조절과정에 대한 이해를 제고하게 되었다.
작물의 생산성 향상 및 농업생태계 보존의 측면에서 인산이 가지는 비중이 크기 때문에 인산 이용 효율이 높은 형질전환 작물을 만들기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 본 연구를 통해서 제조한 OsESP4 유전자교정 형질전환 벼가 인산결핍 조건에서 인산 흡수율이 증가되며 뿌리발달 저해가 일어나지 않음을 규명하였다. 이를 통하여 인산의 이용 효율성이 증진된 우수한 형질의 생명공학 벼 개발을 위한 새로운 전략을 제시하였다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 1) 연구개요 ... 3
• 2) 연차별 연구목표 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 3
• 1) 인산결핍 스트레스에 반응한 식물의 뿌리 발달조절 과정에서 ESP4 유전자 역할 규명 ... 3
• 2) 벼 OsESP4 유전자 분리 및 OsESP4 유전자 표적 유전자교정 벼 형질전환체 개발 ... 5
• 3. 연구개발 결과의 중요성 ... 8
• 4. 참고문헌 ... 8
• 5. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 9