인도 과학 연구소(IISc) 생화학과의 연구원들은 이끼류와 우산이끼류를 포함한 선태식물과 같은 원시 육상 식물이 사용하는 오랫동안 추구해 온 메커니즘을 발견했습니다.식물 생장을 조절하다– 최근에 진화한 꽃식물에서도 보존되는 메커니즘입니다.
Nature Chemical Biology 저널에 발표된 이 연구는 배아 식물(육지 식물)의 세포 분열을 억제할 수 있는 주요 성장 조절자인 DELLA 단백질의 비전통적 조절에 초점을 맞추고 있습니다.
"DELLA는 속도 제한턱처럼 작용하지만, 이 속도 제한턱이 계속 존재하면 식물은 움직일 수 없습니다."라고 생화학 부교수이자 이 연구의 공동 저자인 데바브라타 라하(Debabrata Laha)는 설명합니다. 따라서 DELLA 단백질의 분해는 식물 생장 촉진에 매우 중요합니다. 꽃식물에서 DELLA는 식물호르몬이지베렐린(GA)수용체 GID1에 결합하여 GA-GID1-DELLA 복합체를 형성합니다. 이후 DELLA 억제 단백질은 유비퀴틴 사슬에 결합하여 26S 프로테아좀에 의해 분해됩니다.
흥미롭게도, 선태식물은 약 5억 년 전 육지에 정착한 최초의 식물 중 하나였습니다. 선태식물은 식물호르몬인 지베렐린(GA)을 생성하지만, GID1 수용체가 없습니다. 이는 다음과 같은 의문을 제기합니다. 이 초기 육상 식물의 성장과 발달은 어떻게 조절되었을까요?
연구진은 CRISPR-Cas9 시스템을 이용하여 해당 VIH 유전자를 녹아웃시켜 VIH의 역할을 확인했습니다. 기능적인 VIH 효소가 결핍된 식물은 심각한 생장 및 발달 결함과 형태적 이상을 보이는데, 예를 들어 엽상체 밀도 증가, 방사상 생장 장애, 꽃받침 결여 등이 있습니다. 이러한 결함은 VIH 효소의 한쪽 말단(N-말단)만 생성되도록 식물 유전체를 변형하여 교정했습니다. 연구팀은 첨단 크로마토그래피 기술을 이용하여 N-말단에 InsP₈ 생성을 촉진하는 키나제 도메인이 포함되어 있음을 발견했습니다.
연구진은 DELLA가 VIH 키나제의 세포 내 표적 중 하나임을 발견했습니다. 또한, MpVIH 결핍 식물의 표현형이 DELLA 발현이 증가한 억새(Miscanthus multiforme) 식물의 표현형과 유사함을 관찰했습니다.
"이 단계에서 우리는 MpVIH 결핍 식물에서 DELLA의 안정성이나 활성이 향상되는지 여부를 확인하고자 합니다."라고 Lahey 연구팀의 박사과정생이자 논문의 제1저자인 프리얀시 라나(Priyanshi Rana)는 말했습니다. 연구진은 자신들의 가설과 일치하게, DELLA 억제가 MpVIH 돌연변이 식물의 생장 및 발달 결함을 유의미하게 회복시켰음을 발견했습니다. 이러한 결과는 VIH 키나아제가 DELLA를 부정적으로 조절하여 식물의 생장과 발달을 촉진함을 시사합니다.
연구진은 유전학적, 생화학적, 생물물리학적 방법을 결합하여 이노시톨 피로인산이 이 선태식물에서 DELLA 단백질 발현을 조절하는 기전을 규명했습니다. 구체적으로, MpVIH에서 생성되는 InsP₈는 MpDELLA 단백질에 결합하여 폴리유비퀴틴화를 촉진하고, 이는 프로테아좀에 의한 이 억제 단백질의 분해로 이어집니다.
DELLA 단백질에 대한 연구는 녹색 혁명으로 거슬러 올라갑니다. 당시 과학자들은 자신도 모르게 이 단백질의 잠재력을 이용하여 고수확 반왜성 품종을 개발했습니다. 당시에는 DELLA 단백질의 작용 기전이 알려지지 않았지만, 현대 기술 덕분에 과학자들은 유전자 편집을 통해 이 단백질의 기능을 조절하여 작물 수확량을 효과적으로 증가시킬 수 있었습니다.
라하 박사는 "인구 증가와 경작지 감소로 인해 작물 수확량 증대가 매우 중요해졌습니다."라고 말했습니다. InsP₈에 의해 조절되는 DELLA 분해가 배아 식물에서 광범위하게 일어날 수 있다는 점을 고려할 때, 이번 발견은 차세대 고수확 작물 개발의 길을 열어줄 수 있습니다.
게시 시간: 2025년 10월 31일