식물생체리듬연구센터

나) 제 2그룹 연구내용: 식물 생체시계와 환경 인자간의 상호작용 연구

일주기 리듬은 많은 생명체의 다양한 생물학적 과정에 관여하며 식물의 건강에도 매우 중요한 역할을 한다. 특히 식물은 생물적, 비생물적 스트레스의 환경을 예측하고 이들에 대한 대응을 시간대에 따라 조절하기 위해 다양한 전략으로 시간제어 반응(gating)을 활성화시킨다. 특히, 열, 건조, 냉해, 염분 등과 같은 스트레스에 대한 반응에 생체시계가 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다. 뿐만 아니라 생체시계는 병원균에 대한 식물의 면역 반응을 조절하고, 반대로 병원균의 침입은 식물의 생체시계를 재설정하는 등 병원균의 감염과 생체시계 활동은 서로 간에 상호적으로 조절한다. 이러한 crosstalk은 생장·발달과 방어를 위해 제한된 자원을 조정하고 재분배하는 식물의 적응에 생체시계가 밀접하게 관여한다는 것을 반영한다. 지구온난화 및 이상기후로 인해 작물의 생육환경이 악화되는 현실을 고려할 때 환경스트레스에 저항성 을 갖도록 작물의 적합도(fitness)를 최적화시킬 수 있는 기술 개발이 반드시 필요하다.

본 제2 연구그룹에서는 다음 핵심 연구내용을 수행한다.

- 식물 생체리듬과 환경스트레스 간에 상호작용하는 핵심 생체시계 인자를 선별한다.

- 생체리듬 핵심인자에 의한 대사조절 통합 네트워크 구축하고, 환경스트레스 내성 기작과의 연관성을 밝힌다.

- 생체시계 변이 식물에서 비생물적 (건조, 광 등), 생물적 (병원균, 해충), ROS 스트레스 및 식물 호르몬 (ABA, BR 등)에 대한 반응을 탐구하여 환경스트레스 저항성 신호전달 기작을 규명한다.

- 생체시계 및 생체리듬 관련 단백질의 구조 연구를 통해 단백질 간의 상호작용을 규명하고, 이와 관련된 식물 생리 및 대사 조절 메커니즘을 규명한다.

- 핵심 생체시계 인자를 활용하여 식물의 적합도 증진 및 기후변화 대응 식물 생산 기술을 개발한다.

       서미정 : 생체리듬에 의한 Surface Lipid 대사 조절 기작 규명

  생체리듬 (Circadian Rhythm)은 식물 대사를 광범위하게 조절하여 식물의 적합도 (Fitness) 향상 및 외부 환경 스트레스에 대한 내성 증진에 관여되는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구의 최종목표는 생체리듬 관련 핵심 인자에 의한 지질 대사 조절을 분석하고 비생물적/생물적 스트레스에 대한 저항성 기작을 연구함으로써 궁극적으로 적합도 증진 작물 개발에 활용하는 것이다. 세부 연구 목표로는 생체리듬 혹은 밤/낮 주기에 의한 surface lipid 대사 조절에서 생체리듬 관련 핵심인자의 역할을 규명하여 광신호 전달, 핵심 진동자 및 surface lipid 대사의 상관관계를 이해하고, 이러한 현상이 식물의 환경스트레스 (가뭄, 병 스트레스)에 대한 저항성 기작과 어떤 상호 연관성이 있는지를 밝히고자 한다. 아래는 광이 있을 때 합성되는 큐티클 왁스 함량이 광이 없을 때 비해 매우 많은 것으로 확인되었으며, 이는 diurnal cycle을 보이는 전사조절인자 DEWAX-SPL9 module에 의해 조절되나, 생체 리듬 혹은 Dark/Light 주기에서 DEWAX-SPL9 module의 상위조절 기작에 대해서 거의 알려지지 않았다.

       김상희 : 식물 면역과 생체시계의 crosstalk 규명

   식물은 시간에 따른 방어반응을 하고 병원균은 시간에 따른 병원성을 나타낸다. 식물은 특정 병원균이 침입할 시간을 예측하고 방어반응을 시작하며 병원균의 침입에 반응해 시간에 따른 면역 반응을 활성화시킨다. 애기장대는 P. syringae가 새벽에 접종되었을 때 최정점의 저항성 반응을 보이는 등 시간에 따른 저항성 반응의 변화를 보인다. 하지만 clock gene들이 시간적인 정보를 식물 면역과 통합시켜 조절하는가에 관해서는 아직 연구된 바가 없으며, 이는 생체시계/식물면역 연구에 새로운 페러다임을 제공할 수 있는 주제이다. 본 연구에서는 아래와 같은 연구를 수행하여 생체시계와 식물 면역간의 알려지지 않은 연결고리를 탐구하고, 여기서 획득한 지식을 병저항성 식물 제작에 응용하고자 한다.

      이상열 : 산화환원 조절에 의한 생체리듬 조절 규명과 환경 내성 작용 기작 규명

   식물체 내 단백질의 산화환원반응을 조절하는 레독스 시스템은 세포내 레독스 항상성 유지와 단백질의 반응조절을 위해 다양한 비/효소적 항산화 시스템을 사용하고 있으며, 대표적인 항산화 단백질들로는 티오레독신 시스템이 존재한다. 생명활동을 위해 필연적으로 생성되는 활성산소종 (ROS)에 의해 활성화된 타겟 단백질들의 조절은 일주기성 진동 변화 패턴을 나타내는 것으로 알려졌다. 이러한 결과는 식물체의 활성산소 및 레독스 항상성 조절이 생체시계에 의해 조절되며, 세포 내에서 생체시계와 레독스 조절이 상호적으로 일어날 가능성을 제시하고 있다. 이런 조절은 생체리듬 주기에 의한 lipid 대사 조절물질과 광신호 전달, 핵심 진동자 및 surface lipid 대사의 상관관계에 의하여 이루어지게 된다. 또한 환경변화에 따른 biotic factors인 PTI와 ETI 반응에 의해 매우 dynamic하게 변화하는 내병성 유전자들의 발현변화에도 예민하게 변화됨이 보고되고 있다. 따라서, 본 연구팀은 다양한 병원균 이펙터들과 clock component들과의 상호작용 및 생체리듬 주기에 의한 lipid 대사물질 변화에 따른 세포내 레독스 조절기전과 생체시계 인자들과의 상관관계를 규명하고자 한다.