계절에 따라 다양한 꽃들이 피는데 왜 식물들의 개화시기는 각각 다를까? 작물의 개화시기는 수확량과 품질에 결정적인 영향을 미치는데 밤낮의 길이 변화(계절 변화)에 의한 개화시기 조절 메커니즘 규명을 통해 작물의 수확량을 증가시킬 수 있지 않을까?
농촌진흥청의 차세대바이오그린21사업의 하나인 경상대학교 ‘시스템합성농생명공학사업단’(단장 이상열 자연과학대학 생화학과 교수)으로부터 연구비를 지원받는 송영훈 박사(미국 University of Washington에서 연구중)는 이 같은 궁금증을 해소한 연구결과를 발표하여 전세계 과학계의 비상한 관심을 끌고 있다.
이번 연구성과는 생명과학 분야의 최상위 국제학술지인 ‘사이언스’(Science) 2012년 5월 25일자(미국 시간) 온라인판에 게재됐다고 밝혔다.
*시스템합성농생명공학사업단 : 농촌진흥청에서 향후 10년간(2011. 1.-2020. 12) 7000여억 원의 연구비를 투자하여 우리나라 농업을 세계 최고 수준의 최첨단 농업으로 육성하고자 하는 차세대바이오그린21사업단 중 하나. 경상대학교 이상열 교수가 사업단장에 선정되어 약 1000억 원의 사업비를 투자하여 연구를 진행하고 있다.
연구내용과 목표는 생명공학 발달과 함께 도출되는 방대한 양의 오믹스(유전체ㆍ전사체ㆍ단백체ㆍ흐름체 등) 정보를 통합적으로 분석하는 시스템생물학 분야와, 신 분석기술을 활용한 대사체 분석과 대사제어, 대사회로 조절 등을 수행하는 대사공학 분야, 그리고 생명체의 구성요소나 분자조절 기구들을 부품화ㆍ디바이스화ㆍ모듈화하여 새로운 인공생명체를 창조하는 합성생물학 분야를 융ㆍ복합하여 세계 초일류의 첨단 기초ㆍ원천 농생명 기술을 개발하는 것이다.
또한 개발한 신기술을 이용하여 수확량이 대폭 증진된 차세대 신품종 농생물체 개발, 신기능 유용 대사물질의 대량생산, 농생물체 기반의 대체에너지 생산, 고가 의약품, 나노센서, 진단키트 등을 개발함으로써 시스템합성 농생명 분야에서 세계 최고 수준의 사업단으로 육성하는 것을 목표로 한다.
송영훈 박사의 논문 제목은 ‘FKF1 단백질이 광주기적 개화에서 CONSTANS 단백질의 안정화를 위한 시간 정보를 전달한다’(FKF1 conveys timing information for CONSTANS stabilization in photoperiodic flowering)이다.
지구온난화에 따른 급속한 사막화 진행과 산업화에 따른 무분별한 개발로 인해 농작지가 감소하고 있다. 최근에는 급격한 환경변화와 이상기후로 인해 작물의 생산량이 급격히 감소하고 있고, 그 여파로 국제 곡물 가격이 폭등하고 있으며 국내외적으로 채소류 또한 가파른 가격 상승세를 보이고 있다. 이러한 현상은 식량난의 심화뿐만 아니라 인간의 경제활동을 위축시키는 심각한 문제를 야기하고 있다. 따라서 한정된 공간에서 작물의 생산량을 극대화하기 위해 ‘개화시기 조절 메커니즘’을 밝히는 것이 절실하다.
송영훈 박사는 식물에서 빛을 인지하는 광수용체들 중의 하나인 FKF1 단백질이 개화시기 조절에 핵심적인 역할을 수행하는 FT 유전자를 직접적으로 조절하고 있음을 밝혔다.
식물(plant), 특히 작물(crop plant)의 개화시기(flowering time)는 수확량과 품질을 결정하는 매우 중요한 요소이다. 많은 식물들은 씨앗 또는 열매 생산을 최대화하기 위해 적합한 계절(season)을 선택해서 개화한다. 식물은 밤낮의 길이(photoperiod or day-length) 변화 측정을 통해 현재의 계절을 인지하고, 다가오는 계절을 예측하며, 이 계절 정보를 이용해 개화시기 조절에 핵심인 FT (FLOWERING LOCUS T) 유전자(gene)의 발현(expression)을 조절함으로써 좋아하는(favorite) 계절에 개화가 일어나게 된다. 모델 식물(model plant)인 애기장대(Arabidopsis)의 잎(leaf)에서 FT 유전자의 발현은 낮의 길이가 밤보다 더 긴 봄이나 여름 같은 장일(long-day) 조건에서 늦은 오후(late afternoon)에 전사인자(transcription factor)인 CO (CONSTANS) 단백질(protein)에 의해 유도된다. 이때 빛의 파장 중 파란빛(blue light) 수용체(receptor)인 FKF1 (FLAVIN-BINDING, KELCH REPEAT, F-BOX 1) 단백질이 CO 유전자의 전사조절을 통해 FT 유전자의 발현에 관여하는 것으로 알려져 있었다.
그러나 송영훈 박사는 이번 논문에서 FKF1 단백질이 CO 유전자의 전사 조절뿐만 아니라 CO 단백질을 물리적인 결합을 통해 늦은 오후에 안정화시키고 동시에 FT 유전자의 발현을 저해하고 있는 CDF1 (CYCLING DOF FACTOR1) 단백질을 분해함으로써 FT 유전자의 전사를 직접적으로 조절하고 있음을 밝혔다.
송영훈 박사는 이 논문에서 실험으로 얻은 데이터를 이용해 수학적인 개화조절 메커니즘 모델을 만들었고 이를 통해 FKF1 단백질이 CO 단백질을 안정화시킴으로써 FT 유전자의 전사조절에 직접적으로 관여하고 있음을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
송영훈 박사는 그동안 식물의 개화조절 메커니즘 규명과, 이를 통해 작물의 생산량 증가를 위한 형질전환 식물체 개발에 관한 연구를 지속적으로 수행해 옴으로써, 식량난 완화 및 바이오 연료 추출에 사용되는 바이오메스의 생산량 증대 등의 연구에 많은 노력을 기울이고 있다. 실제 이러한 연구결과, 송영훈 박사는 개화조절 관련 단백질들의 기능에 관한 연구들로 2012년에만 ‘Science’를 포함해 ‘Plant Journal’, ‘PNAS’, ‘Molecular Plant’와 같은 유명한 SCI 저널들에 주저자로 3편, 공동저자로 1편의 논문을 발표한 바 있다.
송영훈 박사는 “이번 연구 성과의 중요성은 국제적인 곡물가격 상승과 식량난 해소를 위해 생물학적ㆍ수학적인 접근을 통해 작물의 수확량을 극대화할 수 있는 방법과 형질전환 식물체 개발에 대한 중요한 메커니즘을 규명한 것”이라고 밝혔다.
시스템합성농생명공학사업단 이상열 단장은 송영훈 박사에 대해 “엄청나게 성실하고 본인의 미래 꿈을 실현하고자 열정적으로 연구하는 정열적인 과학자”라고 말했다.
연구 내용 요약
FKF1 conveys timing information for CONSTANS stabilization in photoperiodic flowering
○ 연구 배경 지구온난화에 따른 급속한 사막화 진행, 그리고 산업화에 따른 무분별한 개발로 인해 농작지가 감소하고 있다. 최근에는 급격한 환경변화와 이상기후로 인해 작물의 생산량이 급격히 감소하고 있고 그 여파로 국제 곡물 가격 폭등하고 있으며, 국내외적으로 채소류 또한 가파른 가격 상승세를 보이고 있다. 이러한 현상은 식량난의 심화뿐만 아니라 인간의 경제활동을 위축시키는 심각한 문제를 야기하고 있다. 따라서 한정된 공간에서 작물의 생산량을 극대화하기 위한 개화시기 조절 메커니즘을 밝히는 것이 절실하다.
○ 연구내용 : 밤낮의 길이 변화에 따른 개화시기 조절 메커니즘을 규명 본 연구는 식물의 광수용체(photoreceptor)인 FKF1 (FLAVIN-BINDING, KELCH REPEAT, F-BOX 1) 단백질이 낮의 길이가 밤보다 긴(장일, long-day) 조건에서 개화시기(flowering time) 조절의 핵심 인자인 FT (FLOWERING LOCUS T) 유전자(gene)의 발현(expression)을 직접적으로 조절한다는 연구내용이다. 모델 식물(model plant)인 애기장대(Arabidopsis)의 잎(leaf)에서 FT 유전자의 발현은 낮의 길이가 밤보다 더 긴 봄이나 여름 같은 장일조건(long-day)에서 늦은 오후(late afternoon)에 전사인자(transcription factor)인 CO (CONSTANS) 단백질에 의해 유도되는데 이때 빛의 파장 중 파란빛(blue light) 수용체인 FKF1 단백질이 CO 유전자의 전사조절을 통해 FT 유전자의 발현에 관여하는 것으로 알려져 있었다. 그러나 송영훈 박사는 이번 논문에서 FKF1 단백질이 CO 유전자의 전사조절뿐만 아니라 CO 단백질을 물리적인 결합을 통해 늦은 오후에 안정화시키고 동시에 FT 유전자의 발현을 저해하고 있는 CDF1 (CYCLING DOF FACTOR1) 단백질을 분해함으로써 FT 유전자의 전사를 직접적으로 조절한다는 것을 규명하였다. 또한 실험으로 얻은 데이터를 이용해 수학적인 개화조절 메커니즘 모델(model)을 만들었고 이를 통해 FKF1 단백질이 CO 단백질을 안정화시킴으로써 FT 유전자의 전사조절에 직접적으로 관여하고 있음을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 재현하였다.
○ 연구가치 및 기대효과 : 작물의 생산량 증대 및 식물의 관리방법 개발에 기여 CO와 FT 유전자들은 주식으로 이용되는 벼ㆍ밀, 그리고 보리뿐만 아니라 감자ㆍ배추ㆍ토마토를 포함하는 다양한 식물들에 존재하고 있으므로 이 유전자들의 발현조절 메커니즘 연구가 작물의 생산량 증대 연구에 매우 유용하게 사용될 것으로 판단된다. 또한 많은 나무과 식물(woody plant)들에도 CO와 FT가 존재하기 때문에 과일의 수확량과 품질 그리고 이들을 관리하기 위한 방법 개발에도 응용 가능성이 상당히 많을 것으로 기대되고 있다. 또한 지구온난화로 인해 식물들의 개화시기가 변하고 있는데 광주기(photoperiod)뿐만 아니라 온도(temperature)도 FT 유전자의 발현조절을 통해 개화시기에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 이번 연구가 광주기와 온도의 상호작용에 의한 개화조절 메커니즘을 이해하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 식물의 개화시기 예측 시스템 구축에 중요한 정보를 제공할 것으로 예상된다.
개화시기 조절과 관련된 광수용체인 FKF1 단백질의 기능
봄이나 여름같이 낮보다 밤이 긴 계절의 늦은 오후에 식물의 잎에서 FKF1 단백질이 빛의 파장 중 파란빛(blue light)을 흡수하여 활성화되고 CO 단백질과 결합하여 안정화시키고 동시에 FT 유전자(gene)의 전사 저해 단백질인 CDF1을 분해시킨다. 그 결과 CO 단백질이 FT 유전자의 전사를 촉진시키고 이런 과정에 의해 생성된 FT 단백질이 개화를 유도한다는 내용의 모식도. |