Cytokinin 신호 조절을 통한 높은 생산성과 병저항성을 지니는 작물 개발

 
  Cytokinin은 식물 줄기세포의 분열을 촉진시켜 생장을 빠르게 하고 작물의 생산성을 증가시킨다. 최근 벼에서 cytokinin에 의해 직접적으로 쌀의 생산량이 증가되는 것이 확인되었다. 또한 cytokinin은 세포 내의 활성 산소 증가를 억제함으로서 가뭄과 같은 스트레스에 대한 저항성을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 그러나 식물에 의해 생산되는 cytokinin이 식물의 병 저항성에 어떠한 영향을 주는 지는 아직 알려진 바가 없다. 본 연구실에서는 cytokinin을 분비하지 않는 병원균과 cytokinin signaling 돌연변이체를 사용하여 병저항성에 미치는 cytokinin을 확인해 본 결과 놀랍게도 cytokinin이 병저항성을 증가시킨다는 것을 확인하였다.
 
 
그림 1. Cytokinin에 의한 병저항성 증가 기작. Cytokinin이 풍부한 줄기세포 부분에서는 cytokinin에 의해 ARR2와 같은 전사 조절 인자가 활성화 된다. ARR2는 병저항성을 조절하는 핵심 호르몬인 salicylic acid 전사 조절 인자인 TGA3와 결합하여 TGA3에 의한 병저항성 유전자 발현을 증가시킴으로서 병원균에 대한 저항성을 조절한다.
 
 
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새로운 Priming 유도 물질의 규명
 
  본 실험실에서는 기존에 알려지지 않은 천연 유래의 물질에서 식물의 병 저항성을 증가시키는 물질을 찾기 위하여 한국 자생식물추출물 1454종에 대하여 Arabidopsis thaliana에 처리하여 병 저항성을 증가시켜 Priming이라고 추측할 수 있는 물질들을 Screening을 통하여 찾아내었다. 이렇게 선별된 물질에 대한 further study를 통하여 환경에 영향을 미치는 화학적 물질이 아닌 천연 유래의 물질을 통해 병 저항성이 증대된 작물을 생산할 수 있게 될 것이며, 해당 물질에 대하여 상품화도 가능할 것이다.
 
 
그림 2. 병 저항성에 영향을 미치는 천연물을 찾기위한 Screening. a) 11일된 Arabidopsis thaliana의 뿌리에 천연물을 처리한 뒤 2일 후에 Erwinia carotovora와 Pseudomonas syringae를 처리하여 병 저항성을 증가시킨 물질 선별.  b) Erwinia carotovora 처리 후 천연물 처리를 통해 저항성이 증가한 식물체와 천연물을 처리하지 않아 죽은 식물체. c) Pseudomonas syringae 처리 후 천연물 처리를 통해 저항성이 증가한 식물체와 처리하지 않아 죽어가는 식물체.
 
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Stomatal immunity 조절을 통한 병저항성

 

Stomata 는 공기의 출입통로임과 동시에 병원균이 식물로 침입하는 통로이기도 하다. 따라서 stomata 의 개폐를 통한 stomatal immunity는 병저항성에 중요한 역할을 한다. salicylic acid (SA) 나 abscisic acid (ABA) 에 의한 stomatal immunity 조절에 관한 연구는 보고되었지만, 식물생장을 촉진시키는 호르몬인 cytokinin 에 의한 stomatal immunity 조절에 관한 연구는 보고된 바 없다. 본 실험실에서는 cytokinin 에 의한 stomatal immunity 조절기작을 확인하였다. 이를 통해 식물생장 촉진과 높은 병저항성을 동시에 가질 수 있는 기작에 대한 연구를 진행하고 있다.

 그림 3. Cytokinins 에 의한 stomatal immunity 조절 모델  

Arnaud et al., The Plant Cell, 29: 543-559, 2017