바이오산업동향

이상 기온 대응 식물의 새로운 생존 방어 원리 규명

19세기 초반 전후로 시작된 산업혁명 이후 세계적으로 공업화가 급속히 진행됨에 따라 석탄, 석유 등의 화석연료가 과다 사용되고, 그 결과 지구온도가 점진적으로 상승하는 지구온난화가 진행되고 있으며, 최근 온도 상승 속도가 더욱 빨라짐에 따라 환경 및 식량원예농업 분야의 범지구적 이슈가 되고 있다.

지구온난화는 동식물 식생은 물론 인류의 생활 패턴에도 광범위한 영향을 끼치고 있고, 특히, 지구온난화로 인해 수시로 발생하는 이상 고온 현상은 대부분의 식량원예작물들의 생육과 생산성을 크게 위협함으로써 환경 보호와 미래 식량자원 확보대책이 시급한 상황이다.

서울대학교 박충모 교수 연구진은 최근 이상 기온에 대응하여 식물은 자체적으로 적극적인 방어 전략을 구축하고 능동적으로 적응함으로써 고온에서도 최적의 생장을 유지하고, 나아가 고온에 의한 세포 피해나 식물 자체가 고사하는 상황을 효율적으로 극복하는 분자적 원리를  증명하였다.

고온 스트레스에 의해 발생하는 대표적인 피해중의 하나는 식물 게놈 DNA가 손상되는 것으로서 이 DNA 손상이 신속하게 수리되지 않으면 세포가 사멸되고 결국에는 식물이 생장을 멈추고 서서히 죽게 됨. 그러나 식물은 고온에 노출되면 DNA 보호 기능을 가지는 RECQ2라는  DNA helicase 효소 활성을 촉진하고, 이 RECQ2 효소가 손상된 DNA 부위에 결합하여 파괴된 부위를 수리함으로써 식물 생존을 확보하고 생산성을 유지한다는 사실을 증명하였다.

본 연구를 통해 고온 반응 RECQ2 helicase라는 새로운 DNA 보호 효소를 발견하고, 이 효소가 고효율의 DNA 수리 능력을 가지고 있음을 증명하였으며, 또한 이 효소가 과량 발현되는 식물의 경우 고온에 노출되더라도 게놈 DNA의 손상이 진행되지 않고 생장이 최적으로 유지됨으로써 고온 적응력이 크게 강화되어 있다는 사실을 확인하였다.
 
고온 내성 농작물 개발 기술로 활용 잠재력

이상 고온에 의해 발생하는 식물의 구조적 생리적 피해 현상들은 어느 정도 보고가 되어 있으나, 게놈 DNA가 파괴되고 이 DNA 파괴가 식물을 고사시킨다는 사실과 이에 대응하여 식물이 효율적인 방어 기작을 보유함으로써 생존을 유지한다는 본 연구 결과는 식물학계 최초의 연구 보고이다.

본 연구를 통해 RECQ2 유전자의 고온 대응 식물 보호 기능이 증명되고, 이 유전자의 상위 조절자인 HOS1 단백질 유전자 또한 농작물의 고온 내성 증진 기술 연구에 바로 활용이 가능할 것으로 예상한다.

지구온난화로 인한 지구온도 상승 결과 채소작물의 조기개화 및 노화 촉진, 잎과 줄기의 불균형 성장, 식량작물의 결실 감소 등이 광범위하게 보고되고 있고, 특히, 최근들어 이상 고온이 자주 발생함으로써 농작물이 말라 죽거나 생산량이 크게 감소하는 피해가 자주 발생하기도 한다.

따라서 RECQ2 유전자나 그 상위 조절자인 HOS1 유전자를 농작물에 형질전환 함으로써 고온 내성을 증진하기 위한 유전자조작 연구가 선별된 주곡작물을 대상으로 진행되고 있다.

본 연구는 한국연구재단에서 지원하는 중견연구 지원 사업, 농촌진흥청에서 지원하는 차세대바이오그린 연구 지원 사업을 통해 수행되었다.

연  구  결  과

HOS1 activates DNA repair systems to enhance plant thermotolerance
Shin-Hee Han, Young-Joon Park, and Chung-Mo Park

지구온난화는 최근 세계적인 환경 및 농업 분야 이슈가 되고 있고, 특히, 이러한 범지구적 기후변화로 인해 수시로 발생하는 이상 고온 현상은 환경식생과 식량원예 작물들의 생산성과 상품성을 크게 위협하기 때문에 국내외 대학과 연구소들을 중심으로 활발하게 연구되고 있는 주제이다. 

본 연구의 기반을 제공한 HOS1 단백질은 크로마틴 결합 단백질로서 결합 부위의 유전자 발현을 촉진하는 기능을 한다. 본 연구팀은 HOS1 유전자가 돌연변이된 식물이 고온에 취약하다는 사실을 관찰하고 본 연구를 시작하였다. 연구 결과 식물이 고온에 노출되면 HOS1 단백질 활성이 급격히 증가하고, 그 결과 RECQ2 유전자 발현이 크게 촉진된다. RECQ2는 일종의 helicase로서 고온에 의해 손상된 게놈 DNA에 결합하여 손상된 부위를 수리한다. 따라서 RECQ2 유전자가 없는 돌연변이 식물은 고온에 매우 취약한 반면, 과량 발현된 형질전환체 식물은 고온에 대한 내성이 크게 증진되어 있음을 관찰하였다.

본 연구는 고온스트레스가 게놈 DNA 손상을 일으킨다는 사실을 실험을 통해 증명하였으며, RECQ2 효소가 이 DNA 손상을 수리하는 기능을 가진다는 발견은 식물 분야 최초이다. 특히, DNA  손상 정도를 탐색 계측하기 위해 Comet assay라는 새로운 기법을 도입하여 연구 효율을 극대화할 수 있었다. 따라서 본 연구 결과는 향후 식물 고온적응성 연구에 크게 기여할 것으로 기대하고 있고, 나아가 해당 유전자들을 이용한 유전자조작을 통해 농작물과 원예작물의 고온 내성 또는 지구온난화 대응력 증진을 위한 응용연구에 이용될 것으로 예상된다.

*위 연구성과는 네이처 플랜트 (Nature Plants) 11월호에 게재 (2020.11.16.(월, 16:00, London Time)에 online 게재).