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극한환경에서 꽃피우는 과정 분자수준에서 최초 규명
생명과학 건국대학교 (2022-09-28)

건국대 KU융합과학기술원 윤대진 교수(의생명공학과) 연구팀이 식물이 극한환경에 놓이게 됐을 때 개화 시기를 조절하여 종을 유지하는 원리를 분자수준에서 규명했다. 

해당 연구를 내용을 담은 논문(‘S-acylated and Nuclear-Localized SOS3/CBL4 Stabilizes GIGANTEA to Regulate Arabidopsis Flowering Time under Saline Stress’)은 식물학 분야 저명 학술지인 ‘Plant Cell (IF=12.08)’에 22일 온라인 게재됐으며, 논문 주저자는 윤 교수(교신저자)와 박희진 박사(제1저자, 현 전남대)다.

식물은 극한환경에 노출되어 생존에 위협을 받으면 개화시기를 조절해 씨앗을 생산하고 종을 유지한다. 그러나 스트레스 방어를 위한 과도한 생체에너지의 사용은 미성숙한 개화를 유도하고 종자 형성까지 연결되지 않아, 심한 경우 멸종까지 이어질 수 있다. 

따라서 스트레스 조건에서 적절한 개화 시기 조절은 종의 유지 및 식물 생산성과 직결된다.

연구팀은 선행연구를 통해 식물의 스트레스 저항성과 개화를 연결하는 중요한 단백질인 GIGANTEA(GI)를 발견하고, 2013년 그 결과를 생명과학 분야의 저명저널인 ‘Nature Communications’에 보고한 바 있다. 이번 논문에서는 10년간의 후속 연구를 통해 GI와 결합하는 단백질 ‘SOS3’를 확보하고, 두 단백질 복합체가 어떻게 식물 스트레스 저항성과 원활한 개화시기를 조절하는 지에 대한 해답을 분자수준에서 규명했다.

식물이 고염(高塩)스트레스에 노출되게 되면 세포내 칼슘이온(Ca2+)농도가 올라가게 되고 미리스토일화 SOS3단백질은 인산화 단백질인 SOS2를 세포막으로 이동시킨다. 또 Na+을 세포 밖으로 배출시키게 된다. 이와 함께 평상시 SOS2의 활성을 억제하던 세포질에 존재하는 GI는 분해되어 진다. 한편 아실레이트화된 SOS3는 핵으로 이동하여 GI 및 FKF1과 결합하여 개화 신호전달에 핵심적인 역할을 하는 CO의 발현을 증가시켜 고염(高塩) 스트레스 하에서도 개화를 촉진하게 된다.

이번 연구는 식물이 외부환경에 노출되었을 때 상반된 관계에 있는 생체방어 신호와 개화신호가 동시에 활성화하여 생존을 유지하는가에 대한 의문을 분자수준에서 최초로 규명한 것으로, 식물 환경 스트레스 연구 분야를 세계적으로 선도하여 학문적 수준을 높이는데 크게 기여한 것으로 평가된다.

또한 응용면에서 개화 시기 조절이 식물생산성과 직결되므로 최근 기후변화로 인해 척박한 지역에서도 개화 시기를 조절해 작물을 재배할 수 있는 토대를 마련할 것으로 평가되며, 미래 인류가 당면할 식량문제와 환경문제 해결에 크게 공헌할 것으로 기대된다.

이번 연구는 한국연구재단의 글로벌연구실(GRL)사업의 지원으로 수행되었다.
 

식물이 고염 스트레스에 노출되게 되었을 때 SOS3에 이상이 생긴 돌연변이체 식물은 정상적인 개화를 할 수 없다

사진1. 식물이 고염 스트레스에 노출되게 되었을 때 SOS3에 이상이 생긴 돌연변이체 식물은 정상적인 개화를 할 수 없다. 또한 GI는 식물의 개화신호전달에 핵심적인 역할을 하는 단백질이므로 GI에 이상이 생긴 단백질은 정상적인 개화를 할 수가 없다.
 

정상적인 식물체는 고염 스트레스에 노출되게 되면 GI와 팔미토일화 된 SOS3가 복합체를 형성하여 칼슘(Ca2+)의존적으로 핵으로 이동하게 된다

사진2. 정상적인 식물체는 고염 스트레스에 노출되게 되면 GI와 팔미토일화 된 SOS3가 복합체를 형성하여 칼슘(Ca2+)의존적으로 핵으로 이동하게 된다. 이때 SOS3는 GI단백질의 안정화에 기여하며 궁극적으로 SOS-GI-FKF1복합체는 CO의 발현을 증가시켜 개화를 촉진하게 된다. 그러나 SOS3가 결실된 돌연변이체는 핵으로 이동할 수 없고 그 결과 GI가 불안정화되어 개화신호가 유도되지 않는다.
 

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