식물스트레스제어메커니즘

 

 

 일본의 독립행정법인 이화학연구소 (리켄)는 식물의 병원균감염과 같은 생물 스트레스에 대한 면역기구인 “전신획득저항성 (systemic acquired resistence; SAR)”이 건조 및 염분에 의한 피해 등의 환경 스트레스 (비생물 스트레스)에 의해 저하되며, 반대로 전신획득저항성을 이미 획득한 경우 환경스트레스에 대한 반응이 저하한다는 상호적이고 복잡한 스트레스 내성 제어기구를 가지고 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다 (그림 참조). 리켄 기간연구소 나카시타 식물획득면역연구 유닛의 야스다 (安田美智子) 연구원과 나카시타 (仲下英雄) 유닛 리더를 비롯한 리켄 식물과학연구센터, 공립대학법인 후쿠이켄리츠대학, 국립대학법인 동경대학 등과의 공동연구에 따른 성과이다.

생육환경을 옮길 수 없이 고정된 장소에서 자라는 식물은 다양한 외부로부터의 스트레스에 항상 노출되어 있기 때문에 동물들과는 달리 독자적인 자기방어 제어기구를 보유한다. 병원체의 공격 등 생물 스트레스에 대해 동물과 달리 면역세포가 존재하지 않는 식물에서는 각각의 세포들이 병원균에 대한 저항성을 발휘하여 이들 시그널이 전신에 전파되어 2차 감염에 대응한다. 또한, 식물은 건조 및 저온, 그리고 염분에 의한 피해 등 환경의 변동에 따른 비생물적인 스트레스에 대응하여 보호 단백질 등을 생산함으로써 환경에 적응한다 (GTB2007100138). 식물은 이들 생물/비생물 스트레스들에 대응하기 위해서 식물 호르몬과 같은 저분자 화합물들을 신호 전달물질로 사용하여 몸 전체로 정보를 전파시킴으로써 다양한 스트레스에 대한 반응 시스템들을 가동하여 자신을 방어하는 것이다.

식물이 잎에 괴사병반을 형성하는 병원균에 감염되면 세포의 괴사에 따른 여러 가지 증상을 나타내며, 예로써 일종의 식물 스트레스 호르몬인 살리실산 (salicylic acid)이 합성되고 이것을 신호로 하여 전신획득 저항성인 “SAR”이 유도된다. 이 기작은 병원균의 2차 감염에 대한 저항성을 나타내는 식물의 독자적인 획득면역 기구로써 많이 연구되고 있으며, 실제로 농작물을 병해로부터 보호하기 위한 목적으로 농업에 활용되고 있다. 연구팀은 건조 및 저온, 그리고 염분에 의한 피해 등의 환경스트레스에 대한 응답에 있어서 중요한 역할을 하는 압시스산 (abscisic acid)이 살리실산의 합성유전자와 신호 응답 유전자의 기능을 저하시켜 SAR의 유도를 억제하고, 이로 인해 결과적으로 식물의 병원균 감염에 대한 저항성이 약해진다는 사실을 밝혀냈다. 한편, SAR이 이미 유도된 식물의 경우 환경 스트레스에 대한 응답 능력이 저하한다는 사실도 발견하여 이들 생물 및 비생물 스트레스에 대한 식물의 응답 반응 사이에는 상호 억제적인 시그널의 “cross talk”가 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 본 연구결과로부터 식물은 생물/비생물 스트레스를 모두 받는 경우에 대비하여 생체 내의 제한된 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 상호 억제적인 신호 제어기구를 보유하고 있다고 생각된다.

위와 같이 SAR의 제어기구가 밝혀짐에 따라 이미 농약으로 사용되고 있는 SAR 유도제의 보다 효과적인 이용 기술의 개발은 물론 새로운 SAR 유도제의 개발이 가능할 것으로 보여지며, 현재 벼농사에만 사용되고 있는 SAR 유도제를 다양한 생육 환경의 작물에 적용하는 기술의 개발로도 이어질 것으로 예상된다. 이들을 통하여 환경조화형 농업생산 체계의 확립에도 공헌할 것으로 예상된다.

 

위의 연구성과는 미국의 과학잡지인 “The Plant Cells”의 2008년 6월호에 게재되기 전에 온라인판 (6월 28일)을 통해 공개되었으며, 편집자가 소개하는 화제의 성과 중 하나로 선발되었다.

그림. 스트레스에 대한 식물 호르몬 신호전달의 네트워크. 병충해 및 건조 등의 스트레스에 대한 응답으로써 각각 살리실산 (SA), 자스몬산 (JA), 압시스산 (ABA)이 상호 억제적으로 작용함으로써 제어된다. 식물은 상황에 따라 필요한 신호를 강화함으로써 효율적으로 스트레스에 적응한다.