식량난 해결할까...'식물 기공(氣孔) 발달'의 조절 원리
식량난 해결할까...'식물 기공(氣孔) 발달'의 조절 원리
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.07 16:55
  • 조회수 807
  • 댓글 0
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요약

 

인류의 식량난 해결에 기여할 식물 기공 발달의 조절 원리가 규명됐습니다. 연구팀은 공변세포의 각 발달 단계마다 제어 RNA를 분리할 수 있는 분자유전학적 시스템을 고안했습니다. 해당 연구는 세포 수준에서 세포 특이성과 분화 조절 과정에 대한 이해의 폭을 넓혀 작물 생산성 증진에 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

식물의 광합성에 필수 역할을 담당하는 기공(氣孔)의 발달 원리 중 거의 알려지지 않은 세포 조절 메커니즘을 국내 연구진이 밝혀냈습니다. 이번 연구 성과는 향후 인류의 식량난 해결을 위한 농작물 생산성 증가에 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 

 

DGIST 뉴바이올로지전공 곽준명 교수와 IBS 식물노화수명연구단 김윤주 박사 연구팀이 식물의 기공을 형성하는 공변세포 발달 조절에 있어서 제어 RNA(miRNA) 제어의 역할과 원리를 규명했다고 합니다. RNA(miRNA)는 생명체의 유전자 발현 조절 등 세포기능의 핵심 제어 역할을 하는 작은 크기의 RNA를 말하는데요. 해당 연구는 <PNAS>에 게재됐습니다. 

기공 발달 모식도(a)와 기공 발달 특이적으로 발현하는 제어 RNA(miRNA)의 형광 현미경 이미지(b). 출처: DGIST
기공 발달 모식도(a)와 기공 발달 특이적으로 발현하는 제어 RNA(miRNA)의 형광 현미경 이미지(b). 출처: DGIST

공변세포, 기공 발달에 큰 영향

 

식물은 잎 표면에 뚫린 미세한 구멍인 기공을 통해 광합성에 필요한 이산화탄소를 흡수하고 부산물인 수분과 산소를 배출하며 성장합니다. 또한 환경의 변화에 따라 기공의 수와 분포를 매우 정교하게 조절해 효율적인 광합성과 이에 따른 최적의 성장을 이룹니다. 

 

기공을 형성하는 특수한 세포인 공변세포는 식물의 잎과 줄기 등 표피에 존재하며 한 쌍이 마주 붙어 기공을 이루는데 공변세포의 팽압 조절을 통해 기공의 개폐 작용이 이뤄집니다. 참고로 팽압조절이란 세포가 물을 흡수하여 세포의 부피가 커지면 세포벽을 밀어내는 작용으로, 연한 풀잎이나 꽃잎이 꼿꼿하게 서는 것도 팽압 조절 때문이라고 합니다. 

 

공변세포는 자가 재생하는 특화된 줄기세포에서 증식, 분화하는 과정을 거쳐 성숙한 공변세포로 발달합니다. 따라서 공변세포의 발달은 식물의 생장에 필수적인 기공 발달에 큰 영향을 미치게 됩니다. 공변세포의 발달은 학계에서 많은 연구가 진행되어 왔으며 발달 단계에서 특이적으로 작용하는 주요 전사 인자들과 발달을 조절하는 세포 신호 전달체계는 잘 확립되어져 있습니다. 하지만 세포의 분화 과정과 발달에서 중요한 역할을 하는 제어 RNA를 통한 기공 발달의 후성유전적 조절 메커니즘에 대해서는 알려진 바가 거의 없는 실정이었습니다.

 

공변세포, 제어 RNA 영향 받는다

 

연구팀은 공변세포의 각 발달 단계마다 제어 RNA를 분리할 수 있는 분자유전학적 시스템을 고안했고 공변세포 계보의 제어 RNA들이 발달 단계에 따라 역동적으로 발현함을 밝혔습니다. 더불어 공변세포 제어 RNA의 표적 유전자들을 예측해 공변세포 발달 및 기능의 유전자 네트워크도 확립했습니다. 

제어 RNA 과발현 형질전환 식물에서의 기공 발달 표현형의 현광 현미경 이미지. 출처: DGIST
제어 RNA 과발현 형질전환 식물에서의 기공 발달 표현형의 현광 현미경 이미지. 출처: DGIST

특히 공변세포 제어 RNA를 억제 또는 과발현시키면 기공의 발달과 분포에 결함이 있음을 밝혀냈습니다. 이를 통해 발굴된 제어 RNA들의 표적 유전자와 기능을 지속적으로 연구해 새로운 기공 발달 조절 메커니즘을 밝힐 수 있는 단서도 찾아냈습니다.

miR399-PHO2 module이 기공 발달을 조절하는 분석 이미지. 출처: DGIST
miR399-PHO2 module이 기공 발달을 조절하는 분석 이미지. 출처: DGIST
곽준명 교수. 출처: DGIST
곽준명 교수. 출처: DGIST

 

DGIST 곽준명 교수는 "이번 연구는 공변세포 제어 RNA를 대량 발굴함과 동시에, 제어 RNA가 지금까지 알려지지 않은 메커니즘으로 공변세포의 분화와 발달에 기여한다는 것을 최초로 규명한 것"이라며 "본 연구결과가 농작물 생산 증가에 새로운 접근 방법을 제공할 것으로 기대된다"고 밝혔습니다.

 

 

 

 


##참고자료##

 

Jiali Zhu et al., "Regulation of Stomatal Development by Stomatal Lineage miRNAs",PNAS(2020)


 

 


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