고등식물의 성장/발생 조절 유전자의 대량 분리 및
그 기능 분석을 통한 유용 형질전환 식물체 개발
I. 연구의 필요성
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식물의 성장, 발생, 분화의 분자적 조절기구의 이해는 유용 식물체의 생산성을 결정하는 중요한 요소가 된다. 식물의 성장은 세포분열과 세포생장에 의해 결정되며, 그 후 각각의 조절인자의 활성을 통해 식물의 각 조직과 기관으로 발생, 분화된다.
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식물의 성장, 발생, 분화 과정은 다양한 조직과 기관에서 발생/분화 과정 특이적으로 발현하는 조절유전자의 활성에 의해 조절된다. 이러한 발생/분화 과정 특이적 성장조절 유전자의 활성은 많은 경우 식물세포에서 합성되는 독특한 호르몬에 의해 조절되며, 따라서 호르몬에 의해 그 활성이 조절되거나 유도되는 유용 조절 유전자의 분리, 확인 및 그 기능 분석은 복잡한 식물의 성장/발생의 분자적 조절기구를 이해하는데 필수적이라 하겠다.
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특히, 식물의 성장과 발생은 세포내의 호르몬의 농도 변화에 의해서 뿐만 아니라 호르몬에 대한 민감도의 변화, 호르몬의 신호전달 반응, 그리고 서로 다른 호르몬의 상호 network나 cross-talk에 의해서 정교하면서 매우 복잡하게 조절된다.
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또한 식물의 성장/발생 프로그램은 외부환경에서 오는 다양한 biotic/abiotic 스트레스에 의해서도 변화되는데, 스트레스에 대한 식물의 성장변화, 생리적 반응 및 그 방어 기작에도 호르몬의 작용이 결정적으로 작용하는 것으로 알려지고 있다.
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따라서 본 연구의 필요성과 중요성은
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국내에 자생하는 식물체의 각 기관에서 발생 단계별로 발현되는 성장조절 유전자와 다양한 호르몬에 의해 그 활성이 특이적으로 유도되거나 조절되는 유용유전자를 대량 분리하고 그 유용유전자들의 data-base를 구축하며
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분리된 조절유전자들의 생리적 활성과 기능을 발생/분화 및 조직별로 규명하고
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유용유전자의 활성변화를 이용하여 고부가가치 형질전환 식물체를 개발, 생산, 산업화하고자 하는데 있다.
II. 연구개발의 목표 및 내용
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본 연구에서 specific하게 추구하는 연구개발 목표를 위한 국내 자생식물로서 고추를 그 연구대상으로 선정한다. 고추는 국내 1년 경제성이 약 3조원에 이르는 우리나라의 가장 중요한 자생식물 중 하나인 동시에 본 연구실에서 계속적으로 연구한 식물이기도 하다.
<그림 1> 식물의 성장, 발생에 큰 영향을 미치는 다양한 비생물 (abiotic) 환경 스트레스
III. 대표연구결과
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본 연구실의 지난 2003-2005년 연구결과로부터 고추 유묘의 뿌리털 발달 과정에서 특이적으로 발현되는 여러 유전자들을 확보할 수 있었으며, 분리된 여러 유전자 중 CaPLA1은 phospholipase A1을 암호화하는 것으로 분석되었다. CaPLA1 효소의 세포내 기능을 보다 자세히 분석하기 위해 CaPLA1 유전자를 과다발현하는 형질전환 애기장대 식물체를 제작한 후 그 표현형을 분석한 결과, 정상적인 식물체에 비해 뿌리 발달이 빠르게 일어남을 알 수 있었다. 또한, CaPLA1 과다발현 형질전환체는 뿌리 뿐 아니라 엽병과 잎에서도 빠른 성장을 보이며, 꽃대가 올라오는 시기 또한 빨라지는 표현형을 관찰할 수 있었다 <그림 2>.
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본 연구실에서는 CaPLA1 유전자의 과다발현 식물체가 가진 속성 생장과 바이오매스 증가 특성은 지질 분해 효소의 활성 변화가 특정 지질 대사물질을 과랑 생산하게 되고, 이러한 지질 대사 물질을 신호로 하여 에너지 대사 과정과 세포 분열 과정이 촉진됨으로써 일어나게 되었다는 사실을 밝힐 수 있었다. 이러한 결과는 CaPLA1이 식물의 발달과정에 매우 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 바이오에너지 생산용 신품종을 빠른 시간 내에 개발할 수 있는 우수한 유전자원임을 증명한 것이라할 수 있다.
