식물생체리듬연구센터

식물 생체시계는 광과 온도 같은 외부 환경 신호를 매개로 식물의 생리, 생장, 그리고 발달 반응을 최적화시키는 세포내 핵심 분자 네트워크이다. 식물은 다양한 세포, 조직, 기관으로 이루어진 개체로써, 세포내 다양한 유전적, 생화학적 기전을 이용해 식물체의 다양한 생리 반응을 유도하고 조직 및 기관의 생장과 발달을 조절한다. 이와 같은 현재의 표현형 및 유전형질을 갖기 위해 식물은 오랜 시간 지구 환경 변화에 적응하기 위한 생체리듬을 고도로 진화시켜 왔으며, 이에 대한 시스템생물학적 해석은 식물의 생리·생장·발달 반응을 최적화 시킬 수 있는 핵심 기술이다. 또한 생체리듬 최적화를 이용한 식물의 형질 개량 연구는 식물 기반 먹거리의 생산성 증대와 기능성 물질 생산용 식물 개발로 귀결될 수 있는 선진기술 개발이 가능한 연구 분야이다.

       김외연 : 식물 육상화에 생체시계 조절기작 다양화와 유전변이의 진화적 기능 해석 연구 

      물속의 다양한 단세포 광합성 생물들 중 녹조류가 최초로 육상에 진출하였고, 지상의 급격한 서식환경변화에 적응하기 위해 다양한 형태의 식물로 진화하였다. 수중과 육지 환경은 식물의 생존에 필수 요소인 빛과 물의 가용성이 정반대 상황임을 통해 육지식물로의 진화과정에 극도의 스트레스에 노출되었을 것이다. 이는 생명체가 육상의 스트레스 환경에 적응하기 위해 수중보다 dynamic한 일주기성 환경변화를 미리 예측하고 대응을 준비하는 것이 효율적인 생존 전략 중 하나일 것이다. 식물의 생체시계는 이러한 환경변화 적응을 위한 분자 메커니즘으로 알려져 있으며, 진화과정에서 natural variation을 통한 genetic diversity를 증가시켰다. 최근 연구들에서 애기장대의 생체시계 조절 인자들은 외부 환경 스트레스를 조절하는 것으로 잘 규명되었다. 이러한 수상식물에서 육상식물로의 진화과정에 대한 생체시계의 분자적 기능 연구는 식물의 환경 변화 적응 기전을 이해할 수 있을 뿐만 아니라, 미래 환경변화에 대응하기 위한 식물의 진화 전략을 이해하는데 핵심적인 기초연구 자료를 제시할 수 있을 것이다.

       김정일 : 식물 생장과 발달 조절에서의 광 신호 및 생체리듬 연계성 규명 

       식물의 일주성 리듬은 주변 환경의 광이나 온도에 의해 형성되며, 생체시계에 의해 조절된다. 이때, 식물의 광 신호는 다양한 광수용체 및 광신호전달인자들에 의해 조절되고 있는데, 대표적으로 파이토크롬B (phyB), 파이토크롬 상호작용인자 (PIF), ZTL, ELF3 등이 있다. 이들은 생체시계 조절인자들인 GI, TOC1, CCA1 등을 통해 환경의 광 신호에 따른 일주성 리듬을 조절하고 있다. 특히 phyB 광수용체는 광 신호 뿐만 아니라 식물의 온도/열 센서 (thermo-sensor)로도 알려졌으며, 최근에는 ELF3도 온도/열 센서로 보고되었다. 또한 PIF4와 TOC1의 상호작용이 보고되기도 하였기에, phyB와 같은 광수용체 및 PIF4와 같은 광신호전달인자와 생체시계 조절인자들이 함께 환경 신호를 인지하여 일주성 리듬을 조절하고 있음을 제시한다. 관련하여, 본 연구진은 선행 연구로 phyB 광수용체와 6종의 생체시계 인자 (CCA1, LHY, GI, TOC1, LUX, ELF3)와의 단백질-단백질 상호작용을 확인한 바 있다.

      윤환수 : 유전체분석을 통한 광합성 진핵생물의 생체시계 기작의 기원과 진화 연구

     원시색소체식물 (Archaeplastida)은 진핵의 대표적 광합성 독립영양생물로써 녹색식물 (Viridiplantae, 녹조류 및 육상식물), 회색식물 (Glaucophyta), 및 홍조식물 (Rhodophyta)을 포함하며, 두 겹의 막을 갖는 엽록체를 갖고 있어 빛에 반응하는 생체시계를 오랜 진화과정을 통해 발달시켰다. 대부분 수중 환경에 서식하는 원시색소체식물은 시아노박테리아로부터 엽록체로 진화하여 여러 생체시계 유전자를 공유하고 있으며, 진핵생물 (노란색), 홍조류를 포함한 원시색소체식물 (빨간색, 초록색), 녹색식물(갈색) 특이적 생체시계를 포함하고 있다. 한편, 녹색식물의 한 계통인 스트렙토식물아문 (Streptophyta)은 단세포성, 다세포성 조류 및 차축조식물, 선태류, 양치류를 거쳐 종자식물로 진화하였는데 각 단계마다 특이적 생체시계 유전자가 발견되었다. 육상 환경은 빛이 강하고 이산화탄소를 얻기 쉬우나, 수분을 체내에 보유해야 하므로 육상환경 특이적인 생체시계 관련 유전자를 통해 고온건조하고 UV량이 높은 육상 환경에 적응하였을 것이다.  광합성 생물은 빛에너지를 이용하여 대기 중 이산화탄소를 획득하고 고정해야 한다. 특히 물속에서는 이산화탄소가 공기 중보다 만 배 느리게 확산하므로 광합성을 위한 충분한 이산화탄소 확보가 더욱더 어렵다. 불충분한 이산화탄소의 공급은 루비스코에 의해 광호흡 대사로 전환되어 광합성이 크게 저해된다. 따라서 수중에 서식하는 홍조류 및 수생조류는 광합성에 필요한 충분한 이산화탄소의 획득을 위한 다양한 이산화탄소농축 (CCM) 기작을 발달시켰다고 보고되고 있으나 

이에 대한 연구는 미비한 실정이다. 

본 연구에서는 1) 홍조식물을 대상으로 빛과 연계된 생체시계와 환경변화에 대응을 위한 세포대사경로의 상호조절 관계를 이해하고, 2) 육상식물로 진화과정에 있는 대표종을 선택하여 수생에서 육상환경으로 변화과정에 관련한 생체시계를 분석하며, 세포와 다세포 광합성생물 간의 생체시계 관련 유전자의 진화과정을 파악하여 광합성 진핵생물의 생체시계 기작의 기원과 진화에 대한 기틀을 마련하고자 다음의 연구를 진행하고자 한다.

       임안숙 : 미세조류의 생체리듬 연관 생리생태학적 반응 및 육상식물로의 진화 연구

   미세조류는 담수와 해수, 열대에서 극지방에 이르는 다양한 수생환경에 서식하며 광합성을 하여 유기물을 생산하는 주로 단세포 형태의 원생생물로, 수환경에서의 매우 중요한 역할을 수행하고 있으며, 이 중 스트렙토식물아문 (streptophyte)은 현재 육상식물의 조상으로 여겨져 식물 진화에 중요한 열쇠로 여겨지고 있어 활발한 연구가 진행되고 있다. 또한 와편모류 (dinoflagellates)는 2차 또는 3차 내부공생을 통해 삼중막 또는 사중막 형태의 엽록체를 가지고 생체발광과 같은 특이한 생체리듬을 가지고 있는 것으로 알려져 있으나 이들의 생체리듬 조절기작에 대한 연구는 거의 이루어진 바 없다. 본 연구에서는 미세조류의 생체시계 관련 유전자에 대한 연구를 바탕으로 수생 미세조류에서 육상식물로의 생체시계 진화과정을 이해하고자 한다. 또한 2차 또는 3차 내부공생을 통해 획득한 엽록체를 가지는 미세조류 그룹 (SAR clade)에서의 광조절에 대한 생리생태학적 반응 기작에 대해 연구하고 이에 관여하는 생체리듬 핵심 유전자를 규명하고자 한다.