Research

우수형질의 작물 품종 육종 및 종자 생산에 있어서 중요한 기준 중의 하나는 병해충에 대한 저항성 혹은 내병성 형질이다. 특히 병원성 식물미생물에 대한 저항성의 발현은 다양한 유전자들의 상호 복합적인 작용에 의해 이루어지는 것으로 알려져 있다. 현재까지 모델 식물-병원균 시스템에서의 병 저항성 관련 유전자 및 메커니즘 연구가 주를 이루었으나  최근 급속히 발달한 차세대유전체분석기법 및 생물정보분석기법을 바탕으로 다양한 작물에서의 병저항성 관련 유전자 발현 정보가 대량 생산되고 있는 가운데 각 개별 유전자 대한 gain of function, loss of function study를 통한 기능 구명 연구가 본격적으로 시작되고 있다.

Disease resistance is a key trait in the development of improved crop varieties and high-quality seeds. Plant defense against pathogens involves complex interactions among multiple genes. While previous studies have primarily focused on model plant–pathogen systems, recent advances in next-generation sequencing and bioinformatics have enabled large-scale identification of disease resistance-related genes in diverse crops. Building on these advances, gain-of-function and loss-of-function studies are now being used to investigate the roles of individual genes, providing valuable insights into plant defense mechanisms and supporting the development of disease-resistant crops.

1. 식물-미생물간 상호작용의 빅데이터 유전체 분석 연구 

    (Genomic and Big Data Analysis of Plant–Microbe Interactions)

저항성 기주 식물은 식물미생물의 침입에 대응하여 다양한 유전자의 발현을 제어함으로써 해당 미생물에 대한 저항성을 확립한다. 이러한 저항성 획득은 다양한 분자생물적 경로를 통한 기주 유전자의 조절을 수반하기 때문에 특이적인 저항성 형성의 메커니즘을 이해하기 위해서는 이들 기주-미생물간 상호작용을 유전체적인 관점에서 분석할 필요가 있다.  최근 전사체 (Transcriptome)의 비교분석을 통한 유전자 발현의 변화를 연구할 수 있는 기법으로 Next Generation Sequencing (eg. Illumina RNA Sequencing) 기술이 다양한 첨단분야에서 각광을 받고 있다. 우리 연구실에서는 전사체 sequencing을 통해 식물-미생물간 상호작용의 유전자 레벨에서 비교분석하고 있다. 전사체 비교분석을 통해 유전체적 관점에서 병저항성 관련 유전자를 선발하고 세부적인 일련의 메커니즘 밝히기 위한 연구를 수행하고 있다.

Disease-resistant plants defend themselves against pathogens by regulating the expression of various genes. Understanding these defense mechanisms requires a comprehensive analysis of plant–pathogen interactions at the molecular level. Recent advances in next-generation sequencing (NGS), particularly RNA sequencing (RNA-seq), have enabled large-scale analysis of gene expression changes during pathogen infection. Our laboratory uses comparative transcriptomic analysis to investigate plant–pathogen interactions, identify genes involved in disease resistance, and elucidate the molecular mechanisms underlying plant immunity.

2. 식물병 저항성/감수성 결정 기주 유전자의 분리 및 특성 연구 

    (Identification and Characterization of Plant Genes Involved in Disease Resistance)

식물의 미생물에 대한 저항성 혹은 감수성은 서로간의 복잡한 상호작용의 결과물이다. 미생물은 병원성 인자를 발현하며, 식물은 이에 대한 다양한 저항성 메커니즘을 진화시켜왔다. 특히 식물은 미생물의 병원성 인자를 인식하는 Resistance (R) gene을 발현하는데 이들간의 상호작용은 식물로 하여금 저항성을 발현하는데 결정적인 역할을 한다. 따라서, 미생물의 병원성 인자를 동정하고 이들과 직간접적으로 상호작용하는 식물 기주 단백질을 동정하는 연구가 필수적이다. 우리 연구실에서는 식물바이러스기반 유전자전달벡터를 활용하여 식물체 내에서 특정 epitope을 함유하는 재조합단백질을 발현하고 epitope에 대한 Antibody를 이용한 Immunoprecipitation 기법 및 LC-MS/MS 기법을 활용하여 SMV의 병원성 인자와 상호작용하는 기주 인자를 분리 동정하는 기술을 이용하여 식물미생물의 병원성인자와 상호작용하는 기주 단백질을 분리 동정하고 식물로 하여금 저항성을 조절하는 일련의 메커니즘과 관련된 protein interaction network을 구축하는 연구를 수행하고 있다.

Plant resistance or susceptibility to pathogens is determined by complex interactions between plants and invading microorganisms. While pathogens produce virulence factors to promote infection, plants have evolved diverse defense mechanisms, including resistance (R) proteins that recognize pathogen effectors and activate immune responses. Identifying these pathogen-derived factors and their interacting host proteins is essential for understanding plant immunity.

Our laboratory uses plant virus-based expression vectors to produce epitope-tagged recombinant proteins in plants, followed by immunoprecipitation and liquid chromatography–tandem mass spectrometry (LC–MS/MS) to identify interacting host proteins. Through these approaches, including studies of Soybean mosaic virus (SMV), we aim to identify host proteins that interact with viral pathogenicity factors and characterize protein interaction networks involved in regulating plant disease resistance and susceptibility.

3. 종자생명기술 개발: 식물바이러스기반 유전자 전달 벡터 개발

    (Development of Disease-Resistant Crops)

식물바이러스는 식물에 병을 일으키는 병원체이나, 매우 작은 크기의 게놈을 가지고 있기에 이를 유전공학적으로 조작해 식물체에서 유전자의 기능을 연구할 수 있는 TOOL로의 개발이 용이하다. 식물바이러스는 간단한 방법으로 식물에 접종하면 식물체를 전신감염시켜 증식하면서 바이러스 유전자를 대량으로 발현하게 되는데 이러한 특성을 이를 이용해 식물바이러스를 유전자 전달 벡터로 개발하면 감염된 식물체에서 원하는 유전자를 systemic하게 발현시킬 수 있어 목표유전자에 대한 systemic gain of function study가 가능하다. 또한 식물은 외래에서 도입되는 RNA에 대한 방어를 위해 gene silencing을 유도하는 메커니즘을 가지고 있다. 대부분의 식물바이러스는 RNA를 게놈으로 갖는데 따라서 식물의 gene silencing의 대상이 되기도 한다. 이러한 메커니즘을 이용해 일부 바이러스의 게놈에 식물 내재 유전자를 삽입해 식물체를 감염시키면 대상되는 식물 내재 유전자가 silencing이 되는 결과를 낳게 되는데 이를 Virus-induced gene silencing (VIGS)이라 한다. 따라서, 식물바이러스를 이용해 VIGS 벡터를 제작하면 식물 유전자에 대한 systemic loss of function study가 가능하다. 우리 연구실에서는 식물바이러스를 이용하여 작물의 우수형질 발굴을 위한 종자생명기술을 개발하고 활용하여 식물병 내병성 작물 개발 연구를 수행하고 있다.

Plant viruses are disease-causing pathogens, but their small genomes and ability to spread systemically within plants make them valuable tools for studying gene functions. By genetically modifying plant viruses into gene expression vectors, researchers can introduce and express target genes throughout infected plants, enabling gain-of-function studies.

Plants also possess a natural defense mechanism called RNA silencing, which recognizes and suppresses foreign RNA, including viral RNA. This mechanism can be exploited through virus-induced gene silencing (VIGS), in which plant virus vectors carrying sequences derived from host genes are used to suppress the expression of specific plant genes. VIGS therefore provides an effective tool for systemic loss-of-function studies.

Our laboratory develops and applies plant virus-based gene expression and silencing technologies to investigate the functions of genes associated with desirable crop traits, with a particular focus on identifying disease resistance-related genes and developing disease-resistant crop varieties.

4. 저항성 발현기작 연구를 통한 내병성 작물 개발

    (Development of Plant Virus-Based Gene Expression Technologies)

병원성 미생물에 의한 작물의 생산성 저하는 전세계적으로 5~20%에 달하며, 최근 기후변화와 국제교역 증가 등의 농업환경의 급변으로 병원성 미생물에 의한 농업의 피해가 돌발적으로 발생하고 있다. 지금까지 전통적인 교배 육종을 통해 다양한 저항성 품종의 작물이 개발되었으나 세부적인 저항성 유전자 동정 및 작용기전에 관한 연구는 미미한 실정이며, 최근 변종 혹은 외래 미생물의 잇단 출현에 기존 저항성 품종에서 피해가 증가하고 있다. 이에 따라 저항성 유도 매커니즘 및 관련 유전자군에 대한 기초 연구를 바탕으로한 정밀한 분자 육종을 통해 지속적인 재배가 가능한 저항성 품종 개발의 필요성이 대두되고 있다. 우리 연구실에서는 콩을 비롯한 주요작물을 대상으로 저항성 유도 기전에 관한 연구를 지속하고 축적된 연구결과를 분자 육종의 기초자료로 활용하는 한편, 최신의 종자생명기술을 접목하여 병원성 미생물에 대한 저항성 작물 개발을 최종 목표로 연구를 수행중이다.

Plant pathogens cause an estimated 5–20% loss in crop productivity worldwide, while climate change and increasing international trade have heightened the risk of emerging and unexpected disease outbreaks. Although conventional breeding has produced numerous disease-resistant crop varieties, the genes and molecular mechanisms underlying disease resistance remain incompletely understood. Furthermore, the emergence of new pathogen strains and invasive pathogens poses growing threats to existing resistant varieties.

These challenges highlight the need to develop crop varieties with durable disease resistance through advanced molecular breeding approaches. Our laboratory investigates the molecular mechanisms of disease resistance in major crops, including soybean, and applies these findings to molecular breeding and advanced seed biotechnology. Our ultimate goal is to develop crop varieties with improved resistance to plant pathogens, contributing to sustainable agricultural production.