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비생물 (abiotic) 환경 스트레스 내성 관련 유전자의 중요성 및 형질전환체 개발 연구
식물은 자신의 일대기 동안 끊임없이 외부 환경 스트레스를 받고 산다. 고온, 저온, 가뭄, 고염, 오존, 중금속, 산소부족 등 다양한 비생물 (abiotic) 환경 스트레스는 식물의 성장과 발달에 심오한 영향을 주며, 그 중 가뭄과 고염으로 인한 건조 스트레스는 전 세계 50% 이상의 경작지의 농업 생산량을 심각하게 감소시키고 있다 (Boyer, 1982). 특히 지구 온난화와 생활수준 향상으로 인한 물 소비량의 급증 때문에 경작지의 사막화 현상이 가속화되고 있는 실정이다. 최근의 분자생물학 및 유전체학 연구를 통해 환경 스트레스에 관련된 다양한 유전자 군들이 발견되고 분리되었다 (Cushman and Bohnert, 2000; Oono et al., 2003; Bohnert et al., 2006; Vij and Tyagi., 2007). 또한 식물이 건조 스트레스를 받았을 때 나타나는 유전 및 세포학적 반응들도 많이 알려지고 있다 (Bray, 1997; Zhu, 2002 Shinozaki and Yamaguchi-Shinozaki, 2007; Vij and Tyagi, 2007). 그러나 아직도 이러한 유전자들이 세포 내에서 어떠한 컨트롤-모드와 기능 네트워크를 통하여 식물의 스트레스 내성을 제어하는지는 잘 알려지지 않은 상태이다.
따라서 유전자 변형을 통해 환경 스트레스에 저항성을 나타내는 고효율, 신기능 형질전환체를 개발하기 위해서는 스트레스 내성 관련 유전자의 기능 분석이 필수적이라 하겠다. 본 연구에서는 환경 스트레스, 그 중 특히 건조 스트레스 내성과 단백질 턴-오버 과정을 제어하는 U-box/RING E3 Ubiquitin (Ub) ligase의 기능 상 네트워크를 분석하고, 생체 내 U-box/RING E3 Ub ligase 기능과 특성을 심도 있게 규명하며, 나아가 이 유전자들의 발현이 변형된 건조 스트레스 내성 신기능 형질전환 식물체를 개발하는데 그 연구의 목적과 의미가 있다 하겠다. <그림1 >은 고등식물의 성장과 발생에 영향을 주는 다양한 비생물 (abiotic) 환경 스트레스를 보여주고 있다.
<그림 1> 식물의 성장, 발생에 큰 영향을 미치는 다양한 비생물 (abiotic) 환경 스트레스
- 비생물 (abiotic) 환경 스트레스 내성 관련 유전자에 관한 본 연구실 연구 현황
본 연구실에서는 지난 수년간 과학재단 특정기초 연구 (2004년 9월 - 2007년 8월)와 학술진흥재단 순수기초 연구 (2005년 9월 - 2008년 8월)를 통해 식물의 스트레스 반응에 관여하는 U-box E3 Ub ligase에 대한 분자유전학 및 프로티오믹스 연구를 집중적으로 수행하였다. 그 결과 고추의 U-box E3 Ub ligase인 CaPUB1 단백질이 식물의 성장과 발생을 촉진하는 기능을 가지고 있을 뿐 아니라 고염과 건조 스트레스 등 비생물 스트레스 반응에 관여함을 밝힌 바 있다 (Cho et al., 2006). 또한 애기장대의 CaPUB1 homologue인 AtPUB22와 AtPUB23이 역시 건조 스트레스 내성 반응에 관여함을 밝혔고, AtPUB22/23 유전자가 knock-out된 2중 돌연변이는 건조 스트레스에 강한 내성을, 반대로 AtPUB22/23 유전자를 과다발현시키는 형질전환체는 건조 스트레스에 민감한 표현형을 나타냄으로써 AtPUB22/23이 건조 스트레스 반응의 음성 인자 (negative factor)임을 밝혔고, 그 결과를 Plant Cell에 발표한 바 있다 (Cho et al., 2008). 이는 U-box E3 Ub ligase와 건조 스트레스 내성 반응의 기능적 네트워크를 분자유전학적 방법으로 밝힌 최초의 결과라는데 그 의의가 있다고 하겠다. 이 결과가 발표된 Plant Cell 논문은 지난 2008년 8월 10일자로 연합뉴스, 조선일보, 동아일보, 중앙일보 및 서울신문에 보도되기도 하였다 <그림 2>.
<그림 2> 애기장대에 12일간 물을 주지 않다가 3일간 물을 주었을 때 PUB22와 PUB23 유전자 기능이 모두 억제된 애기장대(왼쪽 3개)는 싱싱한 반면 야생 애기장대(맨 우측)는 거의 말라죽은 상태를 보여준다.
<그림 3> CaXTH3 유전자가 과다발현된 형질전환 토마토의 건조 스트레스 저항성
또한 고추 및 애기장대의 RING membrane anchor E3 Ub ligase (RMA1) 유전자를 과다발현하는 형질전환체들이 건조 스트레스에 강한 저항성을 나타냄을 밝힘으로써 RING E3 Ub ligase들이 건조 스트레스 내성 반응에 양성인자 (positive factor)로 작용함을 Plant Cell에 발표하였다 (Lee et al., 2009). 또한 본 연구실에서는 그 외에도 지난 3년 간 (2006년 이후) 외국 SCI 저명학술지에 23편의 논문과 SCIE 논문 3편 등 총 26편의 논문을 발표하였고, 8건의 국외/국내 특허 출원/등록 업적이 있다. 이러한 연구를 위하여 벼, 담배, 토마토와 애기장대 식물체의 형질전환 기법, particle bombardment 기술, electroporation 및 PEG 방법을 이용한 protoplast transfection assay, DD-PCR 기법, yeast two-hybrid와 yeast one-hybrid 기법, subtractive hybridization 방법, Confocal 및 형광 현미경 사용법, E3 Ub ligase의 in vitro/in vivo 활성 측정법, in vitro/in vivo immuno-precipitation 기술, 애기장대 이중 돌연변이 제작 방법 등을 완전히 구축하였다 <그림 3>.
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