이상열 교수팀, 식물체 광 신호전달과 스트레스 저항성 상호조절 기전 규명
-밤ㆍ낮에 따른 식물체의 스트레스 조절 대응 차이 규명
-주요 작물의 생산성 증가 관련 심도 있고 실질적인 연구 기대
-생명과학 분야 세계적 학술지인 『미국국립과학원회보』에 발표

국립 경상대학교(GNUㆍ총장 이상경) 자연과학대학 생화학과 이상열 교수팀이 독자적인 기술로 빛 신호전달 인자에 의한 식물체의 소포체스트레스반응 조절 기전을 규명하였다. 이는 식물의 빛에 의한 식물의 환경스트레스반응의 조절 기전을 밝힌 첫 번째 사례이다.

본 연구는 동물이 빛이 있는 낮 동안에는 활발히 움직여서 생산 활동을 하고 어두운 밤에는 잠을 자는 등 휴식을 통해 재충전하듯이, 식물도 밤과 낮에 따라 빛반응과 환경스트레스반응 정도를 다르게 조절함으로써, 한정된 생체에너지를 절약하고 생명활동의 경제성을 높이는 등의 고도의 생체조절 전략을 구사함을 규명한 것이다.

이러한 과학적 정보는 현 인류가 직면한 가장 심각한 어려움 중 하나인 식량자원의 확보 차원에서 작물의 생산량을 증진시키거나, 식물을 통한 유용한 물질 생산 기술을 개발하는 등 다양한 기술 개발에 응용할 수 있는 기초 기반 정보로서, 날로 치열해지는 생명과학 기술 개발에 매우 중요한 원천기술을 확보하는 계기가 되었다.

연구팀은 국제협력 연구를 통해, 환경스트레스 신호물질 중 하나인 세포 밖 ATP(extracellular ATP)와 결합하여 세포 내부로 신호를 전달하는 수용체단백질을 찾아내고 그 조절특성을 밝혀 『사이언스』(Science) (2014년 1월)지에 발표하였을 뿐만 아니라, 세포 스트레스로 생성되는 활성산소종(Reactive Oxygen Species 또는 ROS)에 의해 그 기능이 조절되어지는 단백질의 특성과 이에 의한 스트레스저항성 기작을 규명한 연구결과로 『셀』(Cell) (2004년 6월) 지에 논문을 발표한 바 있다.

또한 세포 내 산화환원을 조절하는 단백질이 외부 환경변화에 따라 식물 호르몬의 생합성을 조절하는 기작과 세포생존에 중요한 다른 단백질들의 보호기능 등 영화에서나 등장하는 슈퍼맨과 같은 다양한 기능을 수행함을 규명하여 『네이처 커뮤니케이션』(Nature Communication) (2017년 1월)에 발표하기도 하였다.

본 연구를 실질적으로 맡아 수행한 강창호 박사 또한 국제협력 연구를 통해, 그동안 콩과 식물에만 존재하는 것으로 알려진 공기 중의 불활성 질소고정 기구가 비콩과식물에도 부분적으로 존재한다는 사실을 밝히고 질소고정 능력이 부여된 비콩과식물의 개발 가능성을 제시하여 『사이언스』(Science) (2013년 9월)지에 발표하였고, 단백질 합성 후 당쇄변형 (N-Glycosylation)이 식물의 고염스트레스 반응에 미치는 영향을 연구하여 그 연구결과를 『미국국립과학원회보』(PNAS) (2008년 4월)에 발표한 바 있으며, 식물이 병원균 침입을 받을 때나 온도스트레스를 받을 때 그 발현이 유도되는 어떤 단백질이 세포신호전달 인자인 칼모듈린과 결합하여 세포사멸을 유도한다는 사실을 세계 최초로 밝혀 『Cell Death Differ』(2006년 1월)에 발표하였다.

특히 이렇게 축적된 기술력을 바탕으로, 본 연구논문에서는 태양을 중심으로 생활패턴을 조절하며 살아가는 식물이 밤과 낮에 따라 환경스트레스 저항성 신호전달 체계를 어떻게 조절하며 생명을 유지하는지에 대한 세포기전을 규명하여 그 연구결과를 『미국국립과학원회보』(PNAS)에 2017년 2월 6일 발표하게 된 것이다.

이번 연구는 경상대학교 이상열 교수 연구진의 강창호 박사와 인도 출신의 두 유학생을 중심으로 수행되었으며, 농촌진흥청(청장 정황근) 차세대바이오그린21사업인 시스템합성농생명공학사업단(단장 이상열)의 연구비지원으로 수행되었다.

연구결과는 다학제적과학 분야(General and Multidisciplinary science 분야, 2016년 해당 분야 세계 랭킹 3위, mrnIF 95,00)의 세계적인 학술지인 『미국국립과학원회보』(PNAS) 2월 6일자 온라인판에 게재되었다.

※논문명: HY5, a Positive Regulator of Light Signaling Negatively Controls the Unfolded Protein Response in Arabidopsis (국문명: 빛 신호전달 활성인자인 HY5에 의한 소포체스트레스반응 조절기전 연구)

식물을 포함한 모든 세포는 외부로부터 병원균 침입이나 환경스트레스 등을 받게 되면 이에 대한 방어기작을 작동시킨다. 예를 들면, 그러한 스트레스들을 일종의 신호로 인지하여 다양한 과정을 통해 방어에 필요한 생체방어단백질들을 생산하게 된다. 즉, 핵에서 신호를 받아 생체방어단백질 유전자들의 전사체를 합성하여 세포질로 내보내게 되면, 리보솜에서 그 암호에 따라 펩타이드 형태로 이러한 단백질들을 합성하지만 아직 제 기능을 수행할 수 없는 상태이다. 그러므로 그러한 초기 형태의 단백질들은 이후 소포체로 이송되어 일련의 과정을 통해 후가공 및 접힘 변환이 되고 각자의 정해진 장소로 수송되어 그 기능을 발휘할 수 있게 되는 것이다.

그러나 외부로부터 환경스트레스를 받게 되면 소포체의 기능이 약화되고 소포체 내에 잘못된 단백질들이 축적되는데, 이로 인해 소포체스트레스가 유발되는 것이다. 뿐만 아니라 최근 발달된 생명공학 기술을 바탕으로 식물세포에서 유용한 단백질들을 생산하고자 하는 시도가 이뤄지고 있는데, 이 과정에서도 소포체스트레스가 유발되어 그 생산성을 심각하게 저하시키는 것으로 알려져 있다.

사람의 경우, 이러한 소포체스트레스는 다양한 질병들 즉, 당뇨병, 알츠하이머, 파킨슨병 등과 연관이 있는 것으로 알려져 있고, 식물에서도 심각한 질병을 초래하여 식물의 생육을 저해하고 작물의 수확량을 감소시키는 원인이 되는 것으로 알려져 있다.

이에 연구진은 빛의 존재 유무나 강도에 따라 식물체의 소포체스트레스 저항능력이 조절된다는 사실을 최초로 규명하였다. 특히 이 과정에서 중추적 빛 신호전달 활성인자인 HY5가 소포체스트레스반응에 내성을 부여하는 것으로 알려진 bZIP28을 강하게 억제하고 있다는 사실을 밝혀 향후 생명과학 기술을 바탕으로 한 식물스트레스반응 조절에 의한 저항능력 향상과 수확량 증진 방안 고안 등의 가능성을 제시한 원천기술을 개발한 것이다.

식물 소포체스트레스반응은 병원균 침입과 같은 생물학적 스트레스나 고온, 고염 등과 같은 비생물학적 스트레스에 의해 공히 유발되는 스트레스반응이다. 이에 따라 식물은 스트레스를 극복할 수 있는 다양한 방어 기전을 가지고 있으나 이에 대한 정보는 매우 부족한 실정이며, 특히 환경변화에 따라 다르게 반응하는 생체방어의 정교한 조절기전에 대한 정보는 거의 알려지지 않은 상황이었다.

이런 가운데 빛 신호전달 활성인자가 소포체스트레스반응을 조절한다는 사실을 밝혔다는 것은 중요한 학술적 의미를 가지며, 이는 식물의 환경스트레스 내성 강화 연구를 위한 원천기술로서 작물 수확량 증진과 스트레스 저항성 작물개발 등 후속 연구를 진행할 수 있는 중요한 발판을 마련하게 된 것이다.

연구팀은 빛의 강도가 세질수록 소포체스트레스에 의한 식물의 생육저해 현상이 커진다는 사실을 밝혔고, 이 과정에서 빛 신호전달의 핵심인자인 HY5가 미접힘단백질반응(UPR; Unfoded Protein Response)의 활성인자로서 소포체스트레스에 대한 방어체계를 작동시키는 것으로 알려진 전사조절인자 bZIP28의 활성을 강하게 억제하는 기전을 광범위하게 연구하여 밝힘으로써 그 결과들을 발표된 논문에 공개하게 이르렀다.

또한, 연구팀은 식물 소포체스트레스반응에 대한 빛 신호전달 인자의 역할에 대한 정보를 활용하여 세균이나 곰팡이 등에 의한 식물질병에 대한 내병성 부여기술, 온실효과와 같은 기후변화에 의한 식물생산성 감소에 대한 대처기술 개발에 활용하는 추가 연구를 진행하고 있다.

현재는 모델식물에서의 스트레스반응 및 신호전달기전을 밝혔지만, 향후 이러한 정보를 배추, 상추, 치커리 등과 같은 엽채류와 토마토, 감자, 고구마, 옥수수 등과 같은 주요 작물들의 생산성 증가와 연계하여 더욱 심도 있고 실질적인 연구를 할 수 있을 것으로 기대된다.

농촌진흥청 연구운영과 조남준 과장은 “태양에너지를 사용하며 살아가는 식물이 밤과 낮에 따라 서로 다른 스트레스 저항성 신호체계 조절을 통하여 생육하고 있다는 사실을 규명한 연구결과는 주요 작물의 스트레스저항성 증진이나 수확량 증진에 중요한 원천기술로서 학문적ㆍ실용적 가치 창출이 기대된다.”고 말했다.

*자세한 내용은 첨부해 드리는 ‘붙임 자료’를 참조하시기 바랍니다.

▯사진 설명: 이상열 교수(오른쪽), 강창호 박사
▯내용 문의: 이상열 교수 055-772-1351, 2582