KOSEN 한인과학기술자네트워크

1. 광주기 의존적 개화시기 조절 메커니즘 연구

1920년 낮과 밤의 길이 변화에 따라 식물의 생육 그리고 개화와 같은 생식적인 발달과정이 달라질 수 있음을 보이는 광주기성(photoperiodism)이 보고된 이후 약 100년 동안 식물, 곤충 및 동물에서 광주기(또는 계절) 변화에 따른 발달, 행동, 생식 반응들을 분자 수준에서 이해하는 연구들이 많이 진행되어 왔습니다. 애기장대의 광주기적 개화 조절 메커니즘(photoperiodic flowering regulation mechanism)은 분자 수준에서 매우 잘 규명되어 있기에 모든 생명체를 통틀어 광주기성을 이해하는 대표적인 모델로서 인정받고 있습니다. 지난 20년 동안 유전체 해독 및 분자생물학 발전과 함께 생체내에서 광수용체들의 기능에 의한 생체시계 설정 및 작용 그리고 생체시계에 의한 유전자들의 발현 조절 기작 등을 규명할 수 있었습니다. 특히 계절 특이적인 식물의 발달 조절이 광수용체를 매개로 하는 신호전달 체계(signaling cascade)에 의해 이루어지고 있고, 이러한 일련의 과정들이 식물의 분자 메모리를 구성하고 있음을 이해할 수 있었습니다. 광수용체들의 기능, 생체시계의 구성 및 조절, 광신호전달자들의 개별 및 복합적 네트워킹 기작들이 분자 수준에서 비교적 자세하게 밝혀지게 됨으로서, 왜 장일식물이 봄 또는 여름에 꽃이 피는지 그리고 단일식물이 가을에 꽃이 피는지에 대한 설명이 가능하게 되었습니다. 이러한 발견들은 다른 많은 생명체 연구와 같이 이른바 실험실 조건[광(light) 및 온도 등의 환경요소들이 제어되고 단순화된]에서 진행되어 왔었습니다. 실험실 조건은 안정적인 환경제어를 통해 생명체 배양이 용이할 뿐만 아니라 분자생물학에서의 재현성을 담보로 하는 장점이 있습니다. 하지만, 최근 우리 연구실에서는 실험실 조건에서 자란 애기장대에 비해 실제 자연조건의 애기장대가 보다 빠른 개화를 나타내고 있고, 지금까지 발견하지 못했던 특정 광수용체를 매개로 하는 새로운 개화시기 조절 메커니즘이 자연환경에서 존재함을 보고하였습니다. 현재는 실제 환경과 유사한 실험실 조건을 구축하여 자연에서 일어나는 생명현상을 보다 자세하게 이해하는 연구를 수행하고 있습니다.

2. 양지 및 음지식물의 진화적 적응성 연구

대한민국을 대표하는 약용식물인 인삼은 진세노사이드(ginsenoside)라는 사포닌(saponin) 성분이 약리활성이 높은 것으로 잘 알려져 있습니다. 인삼은 음지식물로서 일반적인 태양광에 비해 원적색광(far-red light, 700 ~ 750 nm 파장 범위)의 비율이 높은 환경에 적응하여 진화되어 왔습니다. 진세노사이드는 주로 잎에서 합성된 후 뿌리에 저장되는데, 잎은 광신호를 인지하는 기관이기에 음지 특이적인 원적색광은 진세노사이드 합성과 연관되어 있을 가능성이 높습니다. 유전체 분석을 통해 밝혀진 근연종으로는 두릅나무가 있는데, 이는 양지식물로서 인삼의 진세노사이드와 차별화되는 사포닌 성분을 포함하고 있습니다. 우리 연구실은 인삼의 음지환경 적응성이 진화적으로 인삼 특이적인 진세노사이드 생성과 밀접한 관련되어 있을 것이라는 가설을 기반으로, 진세노사이드 생합성 경로에서 핵심 유전자들의 발현이 광신호전달에 의해 조절되고 있는지를 규명하는 연구를 진행하고 있습니다. 많은 식물체들이 사포닌의 전구체를 합성하는 대사경로를 공통적으포 포함하고 있기에, 애기장대, 인삼, 두릅나무, 도라지 등의 식물들을 대상으로 광수용체 및 광신호전달자들의 기능 및 특성을 비교 분석하고 있습니다.

3. 광신호 매개 식물-미생물 상호작용 연구

장내 미생물 군집이 인간의 건강에 매우 중요하듯이, 식물과 미생물들 사이의 공생관계 형성 또한 식물의 발달 및 생존을 위해 필수적입니다. 장내 미생물과 유사하게 잎 등의 식물 내부에서 공생하는 내생균(endophyte)과 뿌리 주위에서 군집을 형성하고 있는 근권미생물(rhizobacteria) 등이 식물과 상호작용하고 있습니다. 최근에는 식물에서 발견되는 많은 유용 질병 치료 물질들이 식물 유전체 기반이 아닌 공생 또는 상호작용하는 미생물로부터 유래되었음을 암시하는 결과들이 보고되고 있습니다. 지금까지는 식물-미생물의 상리공생이 광합성 산물과 식물호르몬을 매개로 이루어지고 있음이 잘 알려져 있는데, 우리 실험실에서는 광신호 또는 광신호전달이 공생관계 형성을 유도한다는 가설을 수립하고 이를 규명하는 연구를 진행하고 있습니다. 식물 지상부에서 흡수된 빛이 땅속 지하부에 전달될 수 있다는 식물 통로 이론(plant pipe theory)이 제안되었고, 최근에는 식물의 줄기가 빛을 직접 뿌리로 전달 가능함이 밝혀졌습니다. 빛을 흡수하여 광신호전달을 매개하는 광수용체는 잎 뿐만 아니라 뿌리에서도 발현되고 있다는 사실에 기반하여, 광수용체가 식물 조직에서의 내생성(endophytism) 유도에 관여하는지 그리고 뿌리에서 빛을 흡수하고 광신호를 형성할 수 있는지를 탐색하고 있습니다. 이를 통해 식물-미생물 공생 및 근권미생물 군집 조절 방법을 개발하고 나아가 식물의 환경변화 적응력 향상에 활용하고자 합니다.