Research

토마토 털 발달 및 털에서 만들어지는 이차대사물질 조절 유전자 연구

식물 털(trichome)은 식물 표피세포의 변형된 형태로서 식물의 종류에 따라 그 형태가 매우 다양하다. 모델식물로 사용되는 아라비돕시스는 한 개의 세포로 이루어진 한 종류의 털을 가지고 있어 털 발달 연구가 잘 되어있다. 아라비돕시스 털 발달은 R2R3 MYB 계열인 GLABROUS1 (GL1), bHLH 계열인 GLABRA3 (GL3), WD-repeat 단백질 계열인 TRANSPARENT TESTA GLABRA1 (TTG1)가 단백질 복합체를 이루어 GLABRA2 (GL2)의 RNA 전사를 활성화시켜 시작된다.

식물호르몬 중에는 자스몬산(jasmonic acid)이 털의 발달에 관여하는 것으로 알려져 있으며, 털 발달 시작 후 털의 크기와 형태를 갖추기 위해 endoreduplication과 세포골격(cytoskeleton) 유전자가 중요한 것으로 알려져 있다. 한 개의 세포로 이루어진 아라비돕시스 털과 달리, 토마토를 포함한 가지과 식물은 여러 종류의 털을 가지고 있고 이들 각각은 여러 개의 세포로 이루어져 있다. 토마토 및 야생종 토마토 털의 경우, Luckwill에 의해 최초로 분류가 되었으며 형태학적으로 크게 glandular 털과 nonglandular 털로 나뉘어진다. base cell과 stalk cell의 숫자 그리고 tip cell의 head 유무에 의해 glandular 털(head cell이 있음: type I, IV, VI, VII)과 nonglandular 털(head cell이 없음: type II, III, V)로 나뉘어진다.

이차대사물질을 거의 만들지 않는 아라비돕시스 털에 비해, 토마토 및 야생종 토마토 털은 다양한 종류의 이차대사물질을 합성, 저장 및 분비하는 능력을 가지고 있으며, 이들 이차대사물질은 병해충에 대한 저항성 물질로 잘 알려져 있다. 최근 분석기기, 유전체학 및 분자기술의 발달로 토마토와 토마토 야생종에서 만들어지는 주요 이차대사산물의 생합성 경로 작성과 관련 유전자의 동정이 활발히 진행되고 있다. 하지만 이들 물질이 만들어 지는 털의 발달에 관한 연구는 상대적으로 많이 되지 않았다. 최근 토마토에서 아라비돕시스 털 발달 유사 유전자의 털 발달 유무를 연구한 결과 유사 유전자의 종류에 따라 털 발달에 관여하기도 하지 않기도 하였다. 이는 단순한 유사 유전자의 비교를 통한 후보 유전자의 연구는 한계가 있음을 보여주는 것으로, 토마토 털 발달 돌연변이체를 통한 유전자 규명이 필수적이라 사료된다.

본 연구실은 토마토 털 발달 돌연변이체를 선발하여 map-based cloning, whole genome sequencing, RNAseq등을 이용하여 털 발달 유전자를 동정하고 유전학, 생화학, 분자생물학 기법을 통해 털 발달 기작을 연구하고 있다. 나아가 같은 가지과 식물인 고추와 감자의 털 발달 유전자 비교 분석을 통해 가지과 식물 털의 진화 연구를 하고자 한다.

토마토의 non-glandular 털은 physical barrier 역할을 하여 곤충의 토마토 접근 및 feeding을 방해하고, glandular 털은 병충해 저항성 물질인 다양한 종류의 이차대사물질을 합성하고 저장하여 식물화학공장으로 알려져 있다. 예를 들어 type I과 IV는 acyl glucoses와 acyl sucroses, type VI는 terpenoids와 flavonoids를 많이 합성한다. 특히 토마토 털 중 type VI의 head 크기가 가장 크고 가장 많이 분포하여 type VI에서 합성되는 이차대사물질에 대한 연구가 활발하다.

본 연구실은 glandular털에서 만들어지는 이차대사물질의 합성 및 조절 기작을 밝혀 의학, 농업적으로 활용가치가 높은 이차대사물질을 대량으로 생산할 수 있는 시스템을 개발하고, 해충저항성 작물 개발에 이용하고자 한다. 이를 위해 최신 분석기기인 GC-MS 와 LC-MS를 이용하여 비선택적 대사물질분석(non-targeted metabolite analysis)을 통해 기존의 알려진 대사물질뿐만 아니라 새로운 대사물질을 토마토 털 종류별로 찾고, next-generation sequencing을 통해 이차대사물질 합성 및 조절 유전자를 탐색하고 있다. 또한 돌연변이체 집단으로부터 이차대사물질 관련 돌연변이체를 선발하고 map-based cloning 또는 whole genome sequencing 기법을 이용하여 돌연변이 유전자를 동정하고 있다. 그리고 정상체와 돌연변이체간의 전사체 비교 분석을 통해 돌연변이 유전자에 의해 조절되는 유전자를 연구하여 이차대사물질 합성 경로를 밝히고자 한다.

기존 연구의 경우 고가의 의약물질 또는 특정 유용물질을 식물체에서 대량 합성하려는 시도가 많았으나 식물체가 잘 자라지 못하거나 합성량이 적고 정제에 드는 비용이 많아 실용화에 어려움이 있었다. 식물 털을 물질합성에 이용할 경우 식물생장에 큰 영향을 미치지 않고 다른 조직으로부터 분리가 매우 용이하여 목표물질의 정제에 드는 비용 또한 상당히 절감할 수 있다. 특히 type IV는 대사물질을 외부로 분비하는 털로서 목표물질 분리가 매우 용이하다. 따라서 type IV를 포함한 각 식물 털의 발달과 각 식물 털에서 특이하게 발현되는 유전자의 promoter를 연구하여 식물 털에서 목표 이차대사물질을 대량 합성하는 시스템을 개발하고자 한다.

자스몬산에 의해 조절되는 식물 발달 및 곤충 방어 기작 연구

자스몬산(jasmonic acid, JA)은 곤충과 병원균에 대한 면역반응을 조절하고 UV와 오존(ozone)과 같은 환경 스트레스로부터 식물을 보호하는데 중요한 역할을 하는 식물 호르몬이다. 또한 자스몬산은 화분, 배아, 식물 털 발달을 포함한 다양한 식물 발달과정에 관여한다. 일반적으로 자스몬산은 식물 방어 및 생식기관의 발달을 촉진하고 광합성 및 세포분열과 같은 식물생장을 억제하는 것으로 알려져 있다. 자스몬산은 이러한 식물 생장과 식물 방어에 관여함으로써 다양한 환경변화에 대해 식물의 적응도(plant fitness)를 최적화한다. 자스몬산은 octadecanoid 경로를 통해 합성되며 합성에 관여하는 효소와 합성기관이 잘 알려져 있다: 엽록체에서 α-linolenic acid로부터 여러 효소반응을 거쳐 cis-(+)-12-oxophytodienoic acid (OPDA)가 만들어지고, OPDA는 페록시좀(peroxisome)으로 이동하여 OPDA reductase와 β-oxidation에 의해 자스몬산이 만들어진다. 자스몬산은 세포질로 이동하여 JA-amino acid synthase에 의해 활성형태인 JA-isoleucine으로 바뀐다.