[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진이 식물의 두께 생장을 조절하는 줄기세포의 신호전달 네트워크를 밝혔다.

23일 한국연구재단에 따르면 포항공과대 생명과학과 황일두 교수, 한소은·조현우 박사 연구팀은 형성층의 세포 분열과 분화를 조절하는 신호 인자의 작용 과정을 규명, 국제학술지 네이처 플랜트(Nature Plants) 9일자로 논문을 발표했다.

형성층은 식물의 기둥과 뿌리에 있는 줄기세포로서, 형성층 세포가 분열·분화하면서 식물이 두껍게 발달한다. 식물의 부피가 클수록 연료 자원인 목재의 질량이 증가하고 무와 당근과 같은 식용작물의 생산성이 높아지기 때문에 연구 가치가 상당히 높다.

ARR15 에 의한 식물 관다발 조직의 수 및 뿌리 두께 비교 : BIL1-MP 신호 전달계의 조절을 받는 ARR15의 양에 따라 관다발의 수와 뿌리의 두께가 현저히 달라진다. ARR15가 억제되면 관다발 조직(빨간색 라인)의 수가 증가하고 뿌리의 두께가 늘어난다.

연구팀은 형성층의 활성에 관여하는 인자들의 역할과 상호 조절의 새로운 신호 전달 체계를 규명했다. 특히 다양한 신호들을 연결하는 형성층 조절 스위치로서 ‘BIL1 효소’의 기능을 밝히는 데 성공했다.

이번 연구에서 밝힌 형성층 조절 네트워크는 생산성이 높은 작물뿐만 아니라, 비바람에도 끄떡없는 강인한 작물 개발에도 기여할 수 있다”

황 교수는 “식물 전체 크기를 키우려는 연구와 달리, 이 연구는 식물의 두께 생장만 조절해 식물 에너지 소비를 특정 조직의 발달에 효율적으로 사용할 수 있는 가능성을 보여 줬다”고 연구의의를 밝혔다.

◆ 논문 저자들이 직접 전하는 연구 이야기

포항공과대 생명과학과 황일두(왼쪽) 교수, 한소은(가운데)·조현우(오른쪽) 박사 연구팀 2018.07.23 [사진=한국연구재단]

- 연구를 시작한 계기나 배경은?

▲ 식물의 발달과정 중에서 두께 생장에 대한 연구는 그리 활발하지 않았지만, 사회, 경제적으로 매우 중요하다. 우리 연구팀은 2014년 네이처 셀 바이올로지(Nature cell biology)에서 GSK3 중 하나인 BIN2가 옥신 전사인자(ARF7)을 조절할 수 있다고 발표했는데, 이를 바탕으로 GSK3과 옥신 전사인자 간의 상호작용에 대한 가설을 세우고 연구를 추진했다.

- 연구 전개 과정에 대한 소개.

▲ 애기장대 엽육 조직의 원형질체 발현 시스템을 이용해, BIL1이 MP의 인산화를 유도하고 전사기능을 증대시킨다는 것을 확인했다. 이어서 DGIST와의 공동연구를 통해 LC-MS/MS 분석을 했고, BIL1에 의해 인산화되는 MP의 아미노산 잔기를 밝혔다. 마지막으로 인산화를 모방한 MP를 애기장대에 발현시켜서 BIL1에 의한 MP의 인산화가 두께 생장에 미치는 영향을 실제로 식물체에서 검증했다.

- 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복했는지?

▲ 애기장대는 풀의 일종이라서 나무에 비하여 두께 생장이 두드러지게 일어나지 않는다. 일반적인 생육 조건에서는 두께 생장을 뚜렷하게 비교하기 힘들었다. 이를 해결하기 위해 빛을 쬐는 조건을 단일조건에서 장일조건으로 옮겨 생육환경의 변화를 줬다. 실제로 겨울이 가고 봄이 오면서 낮의 길이가 길어질 때 목질계 식물의 두께 생장이 활발해지는 것과 비슷한 원리이다.

- 이번 성과, 무엇이 다른가?

▲ 바이오매스를 증가시키기 위한 기존 연구들은 식물의 전체적인 성장을 증가시키는 데 집중한 것과 달리, 이 연구에서는 식물의 두께만 특이적으로 증가시킨다. 다른 조직에 사용되는 불필요한 에너지를 최소화하므로 매우 효율적이라고 할 수 있다. 또한 단편적으로 알려진 두께 생장 조절 신호인자의 역할과 조절네트워크를 밝혀내고 더욱 깊이 있게 이해하는 데 기여했다.

- 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

▲ 목질계 작물에 적용하면 나무 기둥의 두께 생장을 통해 바이오매스를 증가시킬 뿐만 아니라, 나무를 지탱하는 힘이 증가되어 외부 환경에 쉽게 부러지지 않는 튼튼한 작물을 개발할 수 있다. 또한 무와 당근과 같은 식용 작물의 수확량을 높여 고효율 작물을 생산할 수 있다.

- 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

▲ 이번 연구에서 밝혀낸 신호인자들은 여러 환경 요인과도 민접한 관련이 있다고 알려져 있다. 이는 가뭄이나 급격한 온도변화와 같은 환경 스트레스에 대한 저항성이 크면서 바이오매스 생산량이 높은 식물 개발의 실마리를 제시한다. 후속연구에서는 환경변화에 대한 저항성과 두께 생장조절의 관계, 여기에서 신호인자의 역할 규명에 대해 알아보고자 한다.

 [뉴스핌 Newspim] 김영섭 기자 (kimys@newspim.com)