초록 ▼

ㅇ 연구의 목적 및 내용
생체시계에 의한 식물의 환경 적응 조절 기능을 규명하고, 이를 바탕으로 식물의 환경내성 및 생산성 증진 기술을 정립함으로써 기후변화에 대한 대응력이 향상된 신품종 주곡작물 개발 연구에 기여하고자 한다. GRL 사업 취지에 부응하여 식물분자생물학 연구 전문 KRL과 분자생태학 연구 전문 FRL (막스플랑크연구소) 간에 상호보완적 국제공동연구를 통해 식물과 곤충 간의 상관관계를 규명하여 해충 박멸과 이로운 곤충 활성 증진을 통해 농업 현안문제들에 대한 친환경적 해결책을 제시하고자 한다.
식물 생체시계

ㅇ 연구의 목적 및 내용
생체시계에 의한 식물의 환경 적응 조절 기능을 규명하고, 이를 바탕으로 식물의 환경내성 및 생산성 증진 기술을 정립함으로써 기후변화에 대한 대응력이 향상된 신품종 주곡작물 개발 연구에 기여하고자 한다. GRL 사업 취지에 부응하여 식물분자생물학 연구 전문 KRL과 분자생태학 연구 전문 FRL (막스플랑크연구소) 간에 상호보완적 국제공동연구를 통해 식물과 곤충 간의 상관관계를 규명하여 해충 박멸과 이로운 곤충 활성 증진을 통해 농업 현안문제들에 대한 친환경적 해결책을 제시하고자 한다.
식물 생체시계는 식물체의 활성을 주기적 환경변화 리듬과 동기화함으로써 식물의 모든 생장과 발달과정들을 조절한다. 또한, 식물은 다양한 생장호르몬과 대사 경로 조절을 통해 환경변화에 대한 식물의 적응을 최적화한다. 식물의 생체리듬은 초식곤충(해충)과 수정매개곤충들의 생체리듬과도 밀접한 관계가 있고, 식물은 이들 곤충과의 교신을 위한 2차대사물질들을 생체시계의 조절 하에서 분비한다는 사실이 최근 연구를 통해 밝혀졌다. 기존의 모델 식물을 이용한 분자생화학적 연구와 수학적 modeling 연구를 통해 생체시계 구성 유전자 및 이들의 기능이 자세히 밝혀져 있는 반면, 환경적응력 증진 및 생장 최적화 신품종 농작물 연구에 필수적인 환경스트레스 반응성과 식물-곤충 상호작용에 있어서의 생체시계 기능에 대해서는 거의 알려진 바가 없다.
본 연구에서는 식물분자생물학 생화학 연구 전문가인 KRL의 유전자 조작 기술을 이용하여 생체시계의 핵심 구성요소인 CCA1, LHY, TOC1, ZTL 유전자 조작 애기장대와 야생 담배를 제작하여 다양한 유전체 응용 기술 전문가인 FRL의 metabolomics 기법을 융합함으로써 독창적이고 우수한 연구결과를 도출하고자 한다. 두 연구실은 오랜 기간 연구기술과 시스템 및 연구원 교류를 통한 공동연구를 수행해왔기에 시너지 효과가 매우 클 것으로 예상된다. 최근에는 국제공동연구지원 프로그램인 Human Frontier Science Program (HFSP)으로부터 “Are roots in the dark? phytochrome-mediated shoot and root development”라는 혁신적인 연구주제로 연구비룰 수주하고 (300,000 USD/yr) 성공적으로 공동연구를 진행하였다. 위의 공동연구는 GRL 연구에서 수행할 생체시계 연구에 매우 견고한 연구 기반을 제공할 것으로 예상된다.
KRL과 FRL은 본 GRL 연구를 통해 서로의 기술 및 시스템을 연계하여 생물적 비 생물적 환경에 대한 식물 반응성의 신호전달네트워크를 정립하고자 한다.

ㅇ 연구결과
그동안의 본 GRL 연구를 통해 60여편 이상의 국제 학술논문들을 발표하고 있고, 식물기능 증진 연구에 적용 가능한 지적재산권 확보를 위한 5편의 국제 및 국내 특허를 등록 또는 출원하고 있기에 연구 목표를 초과 달성하고 있다. 연구기간 종료 이후에도 3-4편의 논문들이 review, revision 중에 있다. 특히, 최근에는 지구온난화와 연관된 국지적 고온 현상에 대한 식물의 적응 원리에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.

ㅇ 연구내용의 활용 계획 및 기대효과 (응용분야 및 활용범위 포함)
본 GRL 연구 결과 생물적 비 생물적 환경스트레스에 반응하는 다양한 생체시계 조절 유전자 및 기능성 대사물질을 검증하였다. 밝혀낸 유전자들 및 대사물질 합성경로 조작을 통해 빛과 온도 등, 환경 변화에 대한 식물의 적응력을 최적화하는 기술을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 기술을 토대로 향후 고생산성, 고환경적응성 농작물 개발에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 식물과 해충 및 수정 촉진 곤충간의 상호작용 매개하는 생체시계 조작을 통하여 환경 친화적 해충 방제기술 정립 및 수정 촉진을 통한 식물 생산량 증대를 가져올 수 있을 것으로 예상된다.


(출처 : 연구결과 요약문 5p)

Abstract ▼

ㅇ Purpose
The circadian clock is a biological time keeper that regulates diurnal rhythms with a period of approximately 24 hours in most living organisms. In plants, correct matching of the clock with the environment confers fitness advantages on plant survival and propagation. This GRL research

ㅇ Purpose
The circadian clock is a biological time keeper that regulates diurnal rhythms with a period of approximately 24 hours in most living organisms. In plants, correct matching of the clock with the environment confers fitness advantages on plant survival and propagation. This GRL research is aimed to understand how the plant circadian clock functions to cope with changes in light and temperature and attack from herbivores and to attract pollinators, which are critical for environmental adaptation and crop productivity. This research topic is a timely issue in the field because of recent growing concerns about global warming.

ㅇ contents
We will carry out the following state-of-the-art studies with particular emphasis on ecological interactions through multidisciplinary collaboration that methodically integrates molecular biological, biochemical, genomic, and metabolomic tools, which are well established in the KRL and FRL.
(1) With Arabidopsis cca1 mutants and CCA1-overexpressing plants, we will investigate how the CCA1 transcription factor induces freezing tolerance and how cold temperatures regulate CCA1 activity in modulating the clock function.
(2) With the plants created in (1) and other clock gene mutants, we will look into the physiological significance of the CCA1-mediated freezing tolerance.
(3) With clock mutants available in the KRL and ABRC (Arabidopsis Biological Resource Center),we will examine the role of clock genes in stress responses, such as heat and drought, which are also modulated by the clock.
(4) By employing high throughput methods for protein-protein interactions, we will screen upstream factors that regulate the activities of CCA1 and other clock components in abiotic stress responses.
(5) We will create jet-lagged N. attenuata plants by silencing clock genes, such as CCA1, LHY, TOC1, and ZTL genes, via RNAi or PEPi (peptide interference) and examine growth appearance and circadian rhythms throughout the plant life in green house and its natural habitats located in the Great Basin Desert, Utah.
(6) With the plants created in (5), we will examine plant responses to temperature changes and drought in green house and its natural habitats. We will also conduct kinetic analysis of plant metabolomes and transcriptomes to examine phase-specific and inducible metabolic responses and infer outputs of shortened or elongated circadian rhythms in N. attenuata’s ecological interactions.
(7) With the plants having altered clock function created in the KRL and FRL and those containing mutations in various photoreceptor genes, we will explore how the clock integrates light and temperature signals into the gene regulatory networks that mediate plant responses to biotic and abiotic stress conditions.

ㅇ Developement results
We published more than 60 scientific papers that identify the function of clock components in mediating plant adaptation responses to environmental changes. Although KRL and FRL have different research approaches, we have successfully carried out researches complementary to each other for the purpose of clarifying the principle of clock function.

ㅇ Expected Contribution
We will be able to publish top-notch scientific papers by identifying clock components and establishing molecular modeling of the clock function in mediating plant adaptation responses to changes in light and temperature. We will also contribute to the development of clock-based means of improving crop quality and quantity under changing environments in future crop biotechnological studies.


(source: SUMMARY 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 목차 ... 7
• 연구내용 및 결과 ... 8
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 13
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 15
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 68
• 5. 대표적 연구실적 ... 71
• 6. 연구결과의 활용계획 ... 72
• 7. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 73
• 8. 참고문헌 ... 74
• 9. 연구성과 ... 77
• 10. 연구기자재 현황 및 활용 ... 104
• 11. Final report for GRL ... 105
• 별첨1. 대표 연구실적 요약문 ... 211
• 별첨2. 참여 인력 현황 ... 216
• 첨부 ... 217
• 첨부1. 목표의 달성도 증빙 ... 218
• 첨부2. 대표 연구실적 증빙 ... 263
• 끝페이지 ... 273