Studies on growth and development of Arabidopsis in response to light and temperature signals.

Abstract

식물은 지표면에 뿌리를 내려 주변 환경의 영양소를 흡수하여 에너지를 만들어 생활한다. 이동성이 없는 특성으로 인해 식물은 발달 및 성장에 있어 빛, 온도, 수분과 그 속에 녹아있는 영양소 및 무기 염류 등 매우 다양한 환경요소들의 영향을 받는다. 환경 변화에 대응하는 식물의 반응 메커니즘에 대한 분자생물학적 연구는 과거부터 현재까지 매우 활발하게 진행되어오고 있다. 식물의 빛 반응에 관한 기존 연구는 식물의 상층부에서 일어나는 광형태형성에 관한 연구가 주로 이루어져 왔다. 또한, 온도 변화에 대응하는 식물의 메커니즘 연구는 줄기 생장 등의 묘목 단계에서 일어나는 열형태형성 과정에 집중되어 연구가 진행되어 왔다. 환경 변화에 대응하는 반응 메커니즘은 어떤 조직에서 일어나는 지, 어느 시기에 일어나는 지에 따라 다르게 나타난다. 그러나, 특정 조직에서나 특정 시기에서 일어나는 환경 변화 대응 메커니즘 연구는 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 빛 반응과 뿌리 조직 간의 상호작용 및 독립영양체계로의 전환 단계에서의 온도 반응에 관한 연구를 진행하였다.<br/> 제 1장에서는 식물의 뿌리가 빛에 직접적으로 노출되어 있지 않음에도 광 반응성을 보이며 뿌리에도 광 수용체가 존재한다는 기존 보고들을 토대로, 어떻게 뿌리가 빛을 인식하는 지 알아보고, 어떤 광 반응을 일으키는 지 연구하였다. 물리화학적 실험을 통해 적외선 파장의 빛이 식물 줄기를 통해 뿌리로 전달된다는 사실을 밝혀 내었으며, 식물 뿌리에 존재하는 광 수용체인 phytochrome B (phyB) 가 줄기를 통해 내려온 빛에 의해 활성화되어 ELONGATED HYPOCOTYL (HY5) 단백질을 안정화 시킨다. 안정화된 HY5 단백질은 뿌리의 중력굴성 조절에 필수적이다. 본 연구를 통해 식물의 뿌리가 지상부의 환경을 모니터링 하고 환경 변화에 반응하는 능동적 역할을 수행한다는 사실을 밝혀내었다.<br/> 제 2장에서는 식물의 뿌리가 빛에 직접적으로 노출된 환경에서 어떠한 반응을 보이는 지 연구하였다. 식물 뿌리가 빛에 노출된 환경에서 광 수용체인 phyB 단백질은 스트레스 호르몬인 앱시스산 (ABA)의 합성을 촉진시켜 ABA 신호체계를 활성화 시킨다. 활성화 된 ABA 신호는 뿌리로 전달되어 뿌리에서 ABA INSENSITIVE5 (ABI5) 유전자의 발현을 촉진함과 동시에 단백질을 안정화 시킨다. 안정화된 ABI5 단백질에 의해 만들어진 PEROXIDASE 1 (PER1) 효소가 활성산소의 과 축적을 억제하여 뿌리의 광산화 피해를 막아주어 빛에 노출된 조건에서도 뿌리가 원활하게 생장할 수 있도록 한다. 본 연구를 통해 광 수용체가 ABA 신호체계를 통해 식물 상층부와 뿌리의 균형적 발달 및 성장에 기여한다는 사실을 밝혀내었다.<br/> 제 3장에서는 약 고온 환경에서의 식물의 발달 과정에 대한 연구를 수행하였다. 식물은 독립영양생장을 위하여 엽록소를 합성한다. 빛에 노출되기 전 식물체는 엽록소 전구체인 protochlorophyllide (pchlide) 를 축적하고 pchilde는 빛과 반응하여 PROTOCHLOROPHYLLIDE OXYDOREDUCTASE (POR) 효소에 의해 chlorophyllide (chlide)로 전환된다. POR 효소와 결합되지 않은 pchilde는 빛과 반응하여 활성산소를 만들어 식물 세포에 피해를 입힌다. 때문에 POR 단백질의 활성을 유지시켜 pchlide의 양을 적절하게 조절하는 것이 필수적이다. 이 과정에서 RNA 결합 단백질로 알려진 FCA 단백질이 POR 유전자의 전사 촉진 및 단백질 안정화를 통해 pchlide 가 고온 환경에서도 원활하게 chlide로 전환될 수 있게 한다. 본 연구를 통해 FCA 단백질을 통한 독립영양체계 구축 메커니즘이 자연 환경에서 식물이 열에 의해 뜨거워진 지표면을 지나면서 발아하는 과정을 가능하게 한다는 사실을 밝혀내었다.<br/>