이미지: 전통적인 식물 재생 방법은 호르몬과 같은 식물 생장 조절제를 사용해야 하는데, 이는 종 특이적이며 노동 집약적입니다. 새로운 연구에서 과학자들은 식물 세포의 탈분화(세포 증식) 및 재분화(기관 형성)에 관여하는 유전자의 기능과 발현을 조절함으로써 새로운 식물 재생 시스템을 개발했습니다. 더 보기
전통적인 식물 재생 방법에는 특정 물질의 사용이 필요합니다.식물 생장 조절제~와 같은호르몬식물 재생은 종 특이적이고 노동 집약적인 경우가 많습니다. 새로운 연구에서 과학자들은 식물 세포의 탈분화(세포 증식) 및 재분화(기관 형성)에 관여하는 유전자의 기능과 발현을 조절함으로써 새로운 식물 재생 시스템을 개발했습니다.
식물은 오랫동안 동물과 인간의 주요 식량원이 되어 왔습니다. 또한, 식물은 다양한 의약품 및 치료용 화합물을 추출하는 데에도 사용됩니다. 그러나 식물의 오용과 식량 수요의 증가는 새로운 식물 육종 방법의 필요성을 강조하고 있습니다. 식물 생명공학의 발전은 생산성이 높고 기후 변화에 강한 유전자 변형(GM) 식물을 생산함으로써 미래의 식량 부족 문제를 해결할 수 있을 것입니다.
자연적으로 식물은 하나의 전능성 세포(다양한 세포 유형으로 분화할 수 있는 세포)로부터 역분화와 재분화를 통해 구조와 기능이 다른 세포로 완전히 새로운 식물을 재생할 수 있습니다. 식물 조직 배양을 통한 이러한 전능성 세포의 인위적인 조절은 식물 보호, 육종, 형질전환 식물 생산 및 과학 연구 목적으로 널리 사용됩니다. 전통적으로 식물 재생을 위한 조직 배양에는 세포 분화를 제어하기 위해 옥신 및 사이토키닌과 같은 식물 생장 조절제(GGR)의 사용이 필요합니다. 그러나 최적의 호르몬 조건은 식물 종, 배양 조건 및 조직 유형에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 따라서 최적의 조건을 찾는 것은 시간과 노력이 많이 드는 작업입니다.
이 문제를 해결하기 위해 이카와 토모코 부교수는 지바대학교의 미나미카와 마이 부교수, 나고야대학교 생물농업대학원의 사카키바라 히토시 교수, 그리고 리켄 CSRS의 코지마 미키코 전문기사와 함께 식물 재생을 위한 조절을 통한 범용적인 식물 제어 방법을 개발했습니다. 이 방법은 "발달 조절(DR)" 세포 분화 유전자의 발현을 조절하여 식물 재생을 가능하게 합니다. 2024년 4월 3일, Frontiers in Plant Science 15권에 발표된 이 연구에 대해 이카와 박사는 다음과 같이 설명했습니다. "저희 시스템은 외부 식물생장조절제(PGR)를 사용하지 않고, 포유류에서 유도되는 만능줄기세포와 유사하게 전사인자 유전자를 이용하여 세포 분화를 제어합니다."
연구진은 모델 식물로 사용된 애기장대(Arabidopsis thaliana)에서 유래한 두 가지 DR 유전자, BABY BOOM(BBM)과 WUSCHEL(WUS)을 이소적으로 발현시켜 담배, 상추, 페튜니아의 조직 배양 분화에 미치는 영향을 조사했습니다. BBM은 배아 발달을 조절하는 전사 인자를 암호화하고, WUS는 줄기 정단 분열 조직 부위에서 줄기세포 정체성을 유지하는 전사 인자를 암호화합니다.
실험 결과, 애기장대 BBM 또는 WUS 유전자 단독 발현으로는 담배 잎 조직에서 세포 분화를 유도하기에 충분하지 않다는 것이 밝혀졌습니다. 그러나 기능이 강화된 BBM과 기능적으로 변형된 WUS를 함께 발현시키면 자율적 분화가 가속화되는 것으로 나타났습니다. PCR을 사용하지 않고도 형질전환 잎 세포는 캘러스(무질서한 세포 덩어리), 녹색 기관 유사 구조 및 부정아로 분화되었습니다. 유전자 전사량을 정량화하는 방법인 정량적 중합효소 연쇄 반응(qPCR) 분석 결과, 애기장대 BBM과 WUS의 발현은 형질전환 캘러스 및 줄기 형성과 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다.
식물 호르몬이 세포 분열과 분화에 중요한 역할을 한다는 점을 고려하여, 연구진은 형질전환 식물에서 옥신, 사이토키닌, 앱시식산(ABA), 지베렐린(GA), 자스몬산(JA), 살리실산(SA) 및 그 대사산물 등 6가지 식물 호르몬의 수준을 정량화했습니다. 그 결과, 활성 옥신, 사이토키닌, ABA와 비활성 GA의 수준은 세포가 기관으로 분화함에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 식물 세포 분화 및 기관 형성에 있어 이들 호르몬의 역할을 강조합니다.
또한 연구진은 유전자 발현의 정성적 및 정량적 분석 방법인 RNA 시퀀싱 전사체 분석을 이용하여 활발한 분화를 보이는 형질전환 세포의 유전자 발현 패턴을 평가했습니다. 그 결과, 세포 증식 및 옥신과 관련된 유전자들이 차등 조절 유전자군에 풍부하게 포함되어 있음을 확인했습니다. qPCR을 이용한 추가 분석을 통해 형질전환 세포에서 식물 세포 분화, 대사, 기관 형성 및 옥신 반응을 조절하는 유전자를 포함한 네 가지 유전자의 발현이 증가하거나 감소했음을 밝혀냈습니다.
종합적으로, 이러한 결과는 외부 PCR 적용이 필요 없는 새롭고 다재다능한 식물 재생 접근법을 제시합니다. 또한, 본 연구에서 사용된 시스템은 식물 세포 분화의 기본 과정을 더 잘 이해하고 유용한 식물 종의 생명공학적 선별을 개선하는 데 기여할 수 있습니다.
이카와 박사는 자신의 연구의 잠재적 응용 분야를 강조하며, "본 연구에서 보고된 시스템은 PCR 없이도 형질전환 식물 세포의 세포 분화를 유도할 수 있는 도구를 제공함으로써 식물 육종을 개선할 수 있습니다. 따라서 형질전환 식물이 상품으로 상용화되기 전에 사회는 식물 육종 속도를 높이고 관련 생산 비용을 절감할 수 있을 것입니다."라고 말했습니다.
이카와 토모코 부교수 소개 이카와 토모코 박사는 일본 지바대학교 원예대학원 분자식물과학센터 및 우주농업원예연구센터의 조교수입니다. 그녀의 연구 분야는 식물의 유성생식 및 발달, 그리고 식물 생명공학입니다. 다양한 형질전환 시스템을 이용하여 유성생식과 식물 세포 분화의 분자 메커니즘을 규명하는 데 주력하고 있습니다. 이 분야에서 다수의 논문을 발표했으며, 일본식물생명학회, 일본식물학회, 일본육종학회, 일본식물생리학회, 그리고 국제식물유성생식학회의 회원입니다.
외부 호르몬 사용 없이 형질전환 세포의 자율적 분화: 내인성 유전자 발현 및 식물 호르몬의 작용
저자들은 본 연구가 잠재적 이해 충돌로 해석될 수 있는 어떠한 상업적 또는 재정적 관계 없이 수행되었음을 밝힙니다.
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게시 시간: 2024년 8월 22일