식물의환경반응 압시스산

일본의 독립행정법인 이화학연구소 (리켄) 및 독립행정법인 과학기술진흥기구 (JST)와 국립대학법인 도쿄대학은 열악한 환경에 대한 응답 반응에 관여하는 식물 호르몬인 압시스산 (abscisic acid; ABA)의 신호전달 경로를 규명했다고 2009년 9월 22일자 보도를 통해서 발표했다. 이것은 리켄 식물과학 연구센터 기능개발 연구팀과 기간연구소 나카노 생체막 연구실을 비롯한 게이오 대학, 요코하마 시립대학 및 동경대학의 공동연구에 의한 연구성과이다.

식물은 뿌리가 내려진 장소에서 이동할 수 없기 때문에, 토양, 물, 일조 등의 생육 환경이 악화할 경우 그것에 적응할 수 밖에 없다. 이를 위해서 식물은 독자적인 적응 능력을 갖추고 있으며, 환경 내성은 주로 식물 호르몬 중의 하나인 ABA에 의해 제어된다. ABA는 건조 등의 스트레스에 의해 생합성이 증가하고, 식물의 다양한 스트레스 반응을 유도한다. 예를 들면, ABA는 잎의 숨구멍을 폐쇄시키는 기능이 있어 건조시에 수분 증발에 따른 감수성를 제어하며, 다양한 유전자 발현을 유도하고 내성 수준을 향상시킨다. 따라서, ABA의 작용기구를 밝히는 것은 식물의 환경 응답에 대한 기본 메커니즘의 이해와 더불어 내성 작물의 개발을 위한 기반으로 연결될 수 있을 것으로 기대된다. ABA가 식물 세포에 작용하기 위하여는 ABA 신호를 세포 내부로 전달하는 신호전달 경로가 필요한데, 이 신호전달 경로 상의 신호의 on / OFF 전환 구조가 중요하다. 그러나, ABA의 신호가 어떻게 세포 내로 전해져 필요한 응답 반응을 생성하는 지에 대해서는 알려진 바가 없다.

위 공동연구팀은 앞선 연구를 통해서 단백질 탈인산화 효소인 PP2C (Protein Phosphatase 2C)와 인산화 효소인 SnRK2(SNF1-related protein kinase 2)이 ABA의 신호 전달에 관여한다는 사실을 밝힌 바 있다. 단백질의 인산화는 생체 신호의 주요 전송 수단으로써 많은 생명현상의 제어에 관여하고 있는데, 연구팀은 Bi-molecular fluorescent complementation (BiFC) 등의 다양한 실험 기술을 이용하여 PP2C와 SnRK2이 식물의 세포 내에서 상호작용한다는 사실을 입증했는데, 먼저 시험관 내에서 PP2C와 SnRK2를 반응시킴으로써 PP2C가 SnRK2를 탈인산화하여 활성을 억제한다는 사실을 발견하였다. 또한, SnRK2의 인산화 부위를 자신들이 개발한 인산화 프로테오믹스 기술을 이용하여 세밀하게 분석했는데, SnRK2의 활성화에 따라서 특정 아미노산 잔기가 인산화를 받고 그 인산화된 잔기가 PP2C에 의해 특이적으로 탈인산화된다는 사실을 발견했다. 즉, PP2C에 의해 SnRK2의 비활성화가 ABA 신호전달을 OFF로 바꾸는 기전의 실체라는 것이 판명되었다. 또한, 연구팀은 최근 PP2C의 활성이 ABA 수용체 (RCAR/PYR)에 의해 억제된다는 보고와 이번에 밝혀진 사실을 연결할 경우, 식물의 세포 내에서는 [ABA 수용체]→[PP2C]→[SnRK2]라는 복합체를 형성하여 ABA의 신호전달 경로에 있어서 중추적인 역할을 한다는 가설을 세우고, 이를 증명하기 위해 위의 인자들을 재구성하여 ABA 신호전달의 on/OFF를 시험관 내에서 재현하는 데 성공하였다. 이로써, ABA가 수용체에 작용하면 PP2C가 억제되고 SnRK2이 활성화한다는 신호전달의 실체가 밝혀지게 되었다 (그림 참조).

ABA는 5대 식물 호르몬 중의 하나로써 식물의 다양한 생리 현상에 작용하며, 식물의 건조, 염분, 추위와 같은 환경 스트레스에 대한 내성을 제어할 뿐만 아니라, 병충해에 대한 내성 등에도 관여한다고 알려져 있다. 또한, 종자의 성숙 및 발아, 성장, 노화 등 식물의 생육 단계에 모두 영향을 미치는 매우 중요한 호르몬이다. 따라서, 위의 연구성과는 환경 스트레스 내성 이외에도 다양한 응용 분야, 예를 들면, 밀 및 옥수수 등의 발아를 억제하여 작물의 품질을 향상시키는 것도 가능할 것이다. 반대로, ABA의 작용을 억제함으로써 작물의 생육을 촉진하고 종자의 발아를 유도하여 생육 시간을 조정하는 등, 이번 연구성과는 매우 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

위 연구성과는 JST 전략적 창조연구 추진사업 개인형 연구 영역의 "구조 기능과 측정 분석"의 세부과제인 "오믹스 (omics) 분석을 위한 초미소 일렉트로스프레이법의 개발”의 일환으로 진행된 것으로 미국 과학 아카데미 기요 “Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA”의 온라인판을 통해 2009년 9 월 넷째 주에 게재될 예정이다.

리켄을 비롯한 일본의 공동 연구팀은 앞선 연구에서 식물에서 건조 및 저온, 그리고 염분에 의한 피해 등의 환경 스트레스에 대한 응답에 있어서 중요한 역할을 하는 ABA가 살리실산의 합성 유전자와 신호 응답 유전자의 기능을 저하시켜 전신성 획득 저항성 (systemic acquired resistence; SAR)의 유도를 억제하여 식물의 병원균 감염에 대한 저항성이 약해진다는 사실과 더불어 반대로 전신획득저항성을 이미 획득한 경우 환경 스트레스에 대한 반응이 저하한다는 상호적이고 복잡한 스트레스 내성 제어기구를 가지고 있다는 사실을 밝혀낸 바 있다