극한 환경에도 잘 생존할 수 있는 식물의 저항성 유전자 존재 발견

- 재해 저항성 식물개발을 통해 미래 식량 문제 해결에 도움 -

□ 극한 환경에서 생존하는 식물의 저항성 유전자의 존재가 국내 연구진에 의해 최초로 발견되었다.
 

○ 세계수준의 연구중심대학(WCU) 육성사업 제2유형 사업단인 경상대학교 윤대진 교수팀이 주도한 이번 연구 결과는 생명과학분야 최상위 과학저널인 'Nature Genetics'誌에 9월 중 게재될 예정이며, 이에 앞서 ‘Nature Genetics 온라인 속보’에 8월 8일자(한국시간)로 소개되었다.

□ WCU 육성사업의 “기후변화에 대응한 식물 환경생명공학 기술개발” 과제로 수행된 동 연구는 윤대진 교수가 교신저자로, 해외 참여학자인 한스보나드(Hans J. Bohnert, 일리노이 주립대학교) 교수와 레이브레산(Ray A. Bressan, 미국 퍼듀대학교) 교수가 공동저자로 게재되었으며,

 ○ 공동 제 1 저자인 오동하 박사와 홍혜원 박사과정생은 한스보나드 교수와 윤대진 교수로부터 각각 연구 지도를 받아왔다.

□ 지구상에 생존하는 식물은 환경 스트레스에 약한 글라코파이트(Glycophyte)종과 극한 지역에 생존이 가능한 할로파이트(Halophyte)종으로 구분되는데, 동 연구에서는 할로파이트종의 일종인 툴룬젤라파불라(Thellungiella parvula) 식물의 전 염기서열을 결정하여 유전체를 분석하였다. 그 결과 할로파이트종 식물은 글라코파이트종 식물과는 달리, 게놈상에 스트레스 저항성에 관련된 유전자들이 다량으로 증폭(duplication) 되어져 있을 뿐만이 아니라 특유의 환경스트레스 저항성 유전자를 가지고 있음이 확인되었다.

□ 연구진은 동 연구결과로 밝혀진 할로파이트종 특유의 유전정보를 응용하면 극한 환경에도 잘 견딜 수 있는 재해 저항성 식물의 개발이 가능하고, 기후변화에 대응한 맞춤형 식물의 생산이 가능해져 미래 식량 문제 해결에도 상당히 기여할 것으로 내다봤다.

붙임1 용어 설명

1. 기후변화에 대응한 식물생명공학기술

산업혁명이후 석탄, 석유 등 화석에너지의 과다한 사용은 대기 중의 이산화탄소 농도를 크게 상승하게 하였고, 무분별한 개발과 산업화는 결과적으로 지구 온난화, 사막화, 기상변동 등의 심각한 환경문제를 초래하게 되었다. 이러한 문제해결의 한 방법으로 열악한 환경재해에서도 잘 자랄 수 있는 식물체를 개발하는 것이 지구환경문제 및 식량난을 해결할 수 있는 중요한 수단으로 대두되고 있으며, 이를 기후변화에 대응한 식물생명공학 기술이라고 한다.

2. 글라코파이트(Glycophyte) 식물

환경 스트레스에 약한 식물종을 통틀어 일컬으며, 현재 인류가 이용하고 있는 대부분의 농작물 (벼, 밀, 보리, 채소등) 및 육지에 생존하는 식물이 여기에 속한다.

3. 할로파이트(Halophyte) 식물

극한 환경에 견디는 식물체를 통틀어 일컬으며, 심한 냉해지역 (북극,  남극 등), 심한 건조지역(사막), 심한 염해지역(소금호수 등)과 같은 극한 환경에 견디어 생존하는 식물체이다.

-12℃ 에서 24시간 처리후

               글라코파이트(Glycophyte) 식물                        할로파이트(Halophyte) 식물

3. 툴룬젤라파불라 (Thellungiella parvula)식물

할로파이트(Halophyte)종의 식물로서 소금호수에서 생존하는 식물체이며 다른 할로파이트 식물체들에 비해 게놈(Genome, 한 생물체가 지닌 모든 유전 정보의 집합체)의 크기가 작고 유전학적인 연구가 용이하다.

4. 유전체 분석

생물체의 전 염기서열을 결정하고, 그로부터 유전자를 유추해 내는 기술이다.  동 연구에서는 할로파이트(Halophyte) 식물체의 염기서열을 결정하였고, 기존에 염기서열이 결정되어져 있는 Glycophyte 식물의 일종인 애기장대(Arabidopsi)와 유전체를 비교분석해 본 결과, Halophyte는 Glycophyte 가지고 있지 않는 환경스트레스 저항성 유전자를 다량으로 갖고 있음을 알 수 있었다. 따라서 Halophyte 식물이 가지고 있는 유전정보를 식물생명공학적인 기법을 사용하여 Glycophyte에 보충하여 주면, 극한 환경에서도 자랄 수 있게 되어 인류가 당면한 기후변화에 대응한 기능성 식물을 개발할 수 있을 것이라 기대되어 진다.

5. 교신저자

프로젝트를 총괄하며 책임저자라고도 불린다. 저자가 여럿이거나 공동 집필 또는 합본일 경우 논문의 저자중 가장 마지막에 기재되며 논문의 수정책임자를 이르는 말이다.

6. 게놈(Genome)

 한 개체의 유전자의 총 염기서열이며, 한 생물종의 거의 완전한 유전 정보의 총합이다.

붙임2   그림 설명

<그림 1>

 툴룬젤라파블라(할로파이트)와 애기장대(글라코파이트)식물의 유전체 비교분석도

애기장대(A. thaliana)는 5개의 염색체 (AtChr1, AtChr2, AtChr3, AtChr4, AtChr5)를, 툴룬젤라파블라(T. parvula) 식물은 7개의 염색체 (TpChr1, TpChr2, TpChr3, TpChr4, TpChr5, TpChr6, TpChr17)를 각각 가지고 있으며 두종의 염색체상에 존재하는 유사유전자를 색깔로서  표시하였음

<그림 2>

툴룬젤라파블라(할로파이트)와 애기장대(글라코파이트)에서 증폭(duplication)되어져 있는 유전자들의 비교분석도

툴룬젤라파블라(T. parvula)에서 특이적으로 증폭된 유전자들은 붉은 색으로, 애기장대 (A. thaliana)에서 특이적으로 증폭된 유전자는 하늘색으로 표시되었음. 또한 각각 겹치는 부분은분홍색으로 표시하였음. 그림에서 보는 바와 같이 툴룬젤라파블라 (T. parvula) 식물은 증폭된 1,424개의 유전자중 669개, 애기장대는 1,429개의 유전자중 603개가 특이적으로 존재함. 유전체 분석결과 극지생존식물인 툴룬젤라파블라 (T. parvula)의 경우 종 특이적인 유전자의 대부분이 환경스트레스 적응에 관련된 유전자로 밝혀졌음. 이에 비하여 애기장대 식물은 내병성관련 유전자가 증폭되어져 있음을 알 수 있음. 이와 같은 사실로 생물종이 필요에 따라 진화학적으로 환경에 적응하기 위하여 유전체를 증폭 (duplication)한다는 사실을 알 수 있음.

 <그림 3>

 툴룬젤라파블라(할로파이트)에서 특이적으로 증폭 (duplication)  되어져 있는 유전자들의 예

식물의 게놈에는 복수의 유전자가 존재한다. 툴룬젤라파블라(T. parvula)에서 특이적으로 증폭된 유전자들은 붉은 색으로 표시하였음. MYB47, HKT1, CBL10등과 같은 유전자들은 식물의 환경스트레스 저항성에 중요한 역할을 하는 유전자로 알려져 있음.

붙임3   세계수준의 연구중심대학(WCU) 육성 사업 개요

1. 사업 개요

 ▢ 사업 목적
  ○ 신성장동력 분야의 세계적 연구 선도 및 국가 핵심인재 양성
  ○ 해외 우수학자(Star faculty)를 국내대학에 유치하여 교육․연구 풍토를 혁신하고, 나아가 대학의 국제적 경쟁력 제고

 ▢ 사업 기간 : ’08~’12년도(5년)

 ▢ 총 사업비: 8,250억원(’08년 1,650억, ’09년 1,600억, ’10년 1,591억, ‘11년 1,552억)

2. 주요 내용

 ▢ 사업 내용
  ◦ 해외 우수학자를 유치하여 융복합 중심 신 전공․학과 개설 지원
  ◦ 개별 해외학자와 국내 교수간의 국제 공동연구 진행

 ▢ 지원 유형 및 현황 : 전체 33개 대학 139개 과제 

유 형	내  용	대학	과제수
(유형1) 전공‧학과 개설	전일제 해외학자와 국내 교수가 함께 참여하여 신규 전공 또는 학과를 개설	19개	34개
(유형2) 개별학자 초빙	전일제 해외학자를 대학의 기존 학과에 유치하여 수업 및 공동연구	18개	44개
(유형3) 해외석학 초빙	세계 최고 수준의 석학을 비전일제 교수로 초빙하여 수업 및 공동연구	26개	61개
합계		33개	139