바이오인

핵심내용

식물이 추위를 견디는 과정 규명
식물생육에 관계없이 작물을 재배할 수 있는 토대 마련

□ 윤대진 교수(건국대학교) 연구팀이 추위에 노출된 식물이 염색체  구조를 변화해 저온 스트레스에 견디는 과정을 규명했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)는 밝혔다.

□ 이 연구는 생명과학분야 권위 있는 학술지 PNAS (Proceedings of National Academy of Science USA) 5월 21일 자에 게재되었다.
    ※ 논문명 : Epigenetic switch from repressive to permissive chromatin in response to cold stress
    ※ 주저자 : 윤대진 교수(교신저자, 건국대), 박정훈 박사(제1저자, 건국대), 임채진 박사(공동제1저자, 건국대)

□ 전 세계의 급속한 기후변화가 경작지 면적의 감소와 식량부족 문제를 일으킴에 따라, 많은 연구자들이 식물의 외부저항 능력에 관여하는 유전자 확보 및 재해저항성 작물의 개발을 위해 노력중이다.

□ 연구팀은 식물이 추위에 노출되면 이를 인지하고 반응하는 단백질을 발견하고, 이를 호스15(HOS15)라고 명명했다.

 о 호스15(HOS15) 단백질이 추위를 인지하면 디엔에이(DNA)를 감싸고 있는 염색질의 구조변화를 유도해 냉해 저항성 유전자들의 발현이 증가하고, 이를 통해 식물이 추위에 견디게 된다는 사실을 증명하였다.

□ 윤대진 교수는 “이 연구는 염색질의 구조 조절이 식물 환경스트레스 저항에 핵심 역할을 한다는 것을 최초로 밝힌 것이며, 식물생육 북방한계선*과 관계없이 추운 지역에서 다양한 작물을 재배할 수 있게 되는 데 크게 공헌할 것으로 기대한다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
   * 북방한계선 : 식물이 생육할 수 있는 위도의 북방경계선

□ 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업(집단연구)의 지원을 받아 수행되었다.

상세내용

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

  - 논문명 : Epigenetic switch from repressive to permissive chromatin in response to cold stress
  - 저자 정보 : 윤대진 교수(교신저자, 건국대), 박정훈 박사(제1저자, 건국대), 임채진 박사(공동제1저자, 건국대)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 최근 지구의 급속한 기후변화는 사막화, 식량부족 등의 문제를 일으키고 있으며, 이는 인류생존을 위협하는 가장 중요한 현안문제로 대두되고 있다. 이에 환경적응성이 높은 재해 저항성식물체의 개발은 환경문제 해결 및 미래 인류가   맞이할 식량문제 해결에 크게 공헌할 것으로 보인다.

 2. 연구 내용
  ○ 연구팀은 식물로부터 냉해 저항성 단백질을 발견하고 이를 호스15(HOS15)라 명명하였다. 호스15(HOS15)는 식물이 추위 스트레스에 노출되면 이를 인지하며, 유전정보를 가지고 있는 DNA와 이를 싸고 있는 단백질 복합체인 염색질의  구조 변화를 유도해 냉해 저항성 유전자들의 발현을 증가시키는 기능을 가진다.

 3. 연구 성과
  ○ 이 연구를 통해 염색질의 구조 조절이 식물환경스트레스 저항성에 핵심적인 역할을 한다는 것을 최초로 밝힘으로서 식물의 스트레스 적응 기작 연구의 새로운 접근 방식을 제시하였다. 따라서 앞으로 식물환경스트레스 연구 분야를 세계적으로 선도하여 학문적 수준을 높이는데 크게 기여할 것으로 기대된다.
  ○ 또한 응용 면에서는 이 원리를 이용하게 된다면 식물생육 북방한계선과 관계 없이 추운지방에서 다양한 작물의 재배가 가능하게 되어 미래 인류가 당면할 식량 문제를 해결하는 데 크게 공헌할 것으로 기대된다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구의 필요성
  ○ 사막화, 오존층파괴, 열대우림소실, 산업화에 의한 온실가스 대량배출 등으로 인한 기후변화는 심각한 환경재해를 초래할 뿐만이 아니라 전 세계 경작지 면적을 급격히 감소시켜 식량 생산에 큰 영향을 미침으로써 미래 인류의 생존을 위협하는 큰 문제로 대두되고 있다. 
  ○ 식물의 식량생산 잠재력을 100%로 볼 때 실제로 생산에 사용되는 능력은 총량의 21%에 불과하며 대부분은 가뭄, 냉해, 염해 등의 환경 스트레스에 의하여 소실되게 된다. 따라서 환경 스트레스에 저항성을 부여하는 유용 유전자 확보 및 이를 이용한 재해저항성 작물체 개발은 미래 인류의 식량문제를 해결을 위해 필요하다.
  ○ 식물은 외부의 환경변화를 인식하고 신호전달을 통하여 생체방어 인자를 활성화함으로써 외부의 환경에 대응한다. 따라서 전 세계적으로 많은 연구자 및 기업이 식물이 어떻게 외부환경을 인식하고 어떠한 생체방어 시스템을 작동하여 스트레스를 견디는가에 대한 연구에 몰두하고 있지만 분자 수준에서의 연구는 현재까지 미미한 실정이다.

 2. 연구내용
  ○ 연구진은 추위 신호를 인식하는 호스15(HOS15) 단백질을 식물로부터 발견 하였고, 다양한 실험을 통해 이 단백질이 특정단백질(히스톤 탈아세틸화 효소)을 분해함으로서, 추위 저항성에 관여한다는 것을 밝혔다.
  ○ 추위가 없는 평소에는 DNA―히스톤 복합체인 염색질이 고도로 뭉친 형태로 존재한다. 이러한 형태에서는 추위저항성에 관여하는 콜 유전자 (COR gene) 주변에 유전자 발현을 돕는 인자들이 접근할 수 없기 때문에 발현이 억제된다.
  ○ 추위가 오게 되면 호스15(HOS15) 단백질이 이를 감지하여 히스톤 탈아세틸화 효소를 분해한다. 그러면 히스톤이 아세틸화되면서 염색질이 풀린 구조로 재구성되고, 콜 유전자(COR gene)가 노출된다. 그 결과 유전자 발현에 관여하는 인자들이 콜 유전자(COR gene)에 결합하여 유전자 발현이 증가되면서 식물이 추위에 견딜 수 있게 된다.

 3. 기대효과
  □ 저온 및 냉해에 강한 식물체 개발에 응용
  ○ 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 농업의 큰 문제점 중 하나는 위도상 특징으로 나타나는 생육온도의 차이로 인해 대부분 주요 작물들은 그 재배가능 지역이 한정될 수밖에 없어 작물 생산량에 막대한 영향을 초래하고 있다. 따라서 많은 연구자들이 작물의 생산량 증가를 위해 재배가능 지역을 제한하고 있는 냉해에 대한 연구에 노력을 기울이고 있다. 이에, 연구진들이 발견한 유전자를 이용하게 된다면 지역적 북방한계선 제한 없이 다양한 작물 재배가 가능하게 될 뿐만 아니라 기존 재배가능 지역에서도 일시적 냉해에 의한 피해를 줄임으로써 안정적으로 생산량을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.
  ○ 현재 국내 식량 자급률은 약 28%에 불과한 상태이며 대부분의 식량 자원은 수입에 의존하고 있는 상태지만 주요 곡물의 가격이 급격히 증가하고 있어 이러한 자원의 확보가 중요한 국가적 이슈로 대두되고 있다. 특히 콩이나 옥수수와 같은 주요 작물들은 주로 열대성 작물로 그 북방한계선이 매우 제한되어 있는 상황이다. 이에 대응하기 위해 저온 스트레스 관련 유용 유전자를 확보함으로써 주요 작물의 생산가능 지역을 확대하고 복합스트레스에 저항성을 가지는 식물체를 개발하여 획기적인 생산량 증대로 연결시켜 국가의 미래 식량안보에 대처할 수 있는 능력을 갖출 수 있을 것으로 기대된다.

  □ 식물환경스트레스 신호전달 연구의 신기원
  ○ 이 연구를 통해 염색질의 구조 조절이 식물환경스트레스 저항성에 핵심적인 역할을 한다는 것을 최초로 밝히게 되었다. 또 이를 통해 앞으로 저온 및 발달과정에 관한 연구에서 새로운 접근 방식을 제시함으로써 이 분야 연구의 학문적 수준을 높이는 데 크게 기여할 것으로 본다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

세계적으로 위도상 특징으로 나타나는 생육온도의 차이로 인해 대부분 주요 작물들은 그 재배가능 지역이 한정될 수밖에 없어 작물 생산량에 많은 영향을 미친다. 따라서 많은 연구자들이 작물의 생산량 증가를 위해 재배가능 지역을 제한하고 있는 냉해에 대한 연구에 노력을 기울이고 있다. 선행연구를 통하여 HOS15 단백질은 식물의 저온 신호전달에서 중요한 역할을 수행하는 것으로 판단하였으며, 정확한 분자 생물학적 매커니즘을 밝히고자 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

과제의 책임자인 건국대학교 윤대진 교수는 2004년부터 미국 Purdue대학교에 현지 연구실을 설치하고 스페인 농업자원 연구소와 교류연구를 하는 등 해외 우수 연구진과 국제공동연구를 수행하고 있다. 이중 Purdue 대학교는 식물연구에는 필수적인 세계최대의 온실 (green house)시설을 자랑하고 있는데, 윤대진 교수는 Purdue 대학교의 green house시설을 이용하여 환경 스트레스 저항성에 이상을 보이는 돌연변이체를 대량 확보하고 돌연변이체로부터 해당 유전자의 확보 및 기능해석에 관한 연구를 수행하고 있다. 호스15(HOS15)단백질은 이렇게 확보된 유전자 중 하나이다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

호스15(HOS15) 단백질이 식물환경스트레스 저항성에 핵심적인 역할을 한다는 것을 최초로 밝힘으로서 식물의 스트레스 적응 기작 연구의 새로운 접근 방식을 제시하였다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

연구팀이 발견한 분자기전을 이용하게 된다면 지역적 제한 없이 다양한 작물 재배가 가능하며 일시적 냉해로 인한 피해를 줄임으로써 안정적으로 생산량을 증가시킬 수 있을 것으로 기대한다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

연구를 수행함에 있어 HOS15가 어떻게 추위를 인지하여 기능을 전환하는지에 대한 연구가 부족함을 느꼈고 이를 위해 후속연구를 수행 할 예정 이다. 또한 연구진이 발견한 분자기전을 이용하여 열악한 환경에 잘 견디는 작물체를 개발하고 이를 통하여 인류의 미래 생존에 필요한 식량문제를 해결하고 싶다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

연구결과를 PNAS에 투고하기 까지 많은 저널에 투고하려 노력하였으나 번번히 Depth Review를 통과하지 못하고 투고 거부를 당했다. 연구 결과에는 자신이 있었기 때문에 이러한 결과는 더욱 크게 실망으로 다가왔다. 그러던 중 jose M. pardo 교수님과 Ray A. bressan교수님의 도움으로 논문의 결과도 중요하지만 이러한 결과가 가지는 의미를 다른 이들에게 얼마나 잘 알리는지도 중요함을 깨닫게 되었고 이들의 도움으로 cover letter를 수정한 결과 최종적으로  논문이 나올 수 있었다. 

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