중력에도 이동방향이 변하지 않는 옥신 발견
일본 이화학연구소(RIKEN)는 식물호르몬 ‘옥신’의 일종인 페닐 아세트산(PAA)이 중력에도 이동방향이 변하지 않는 유니크한 특징을 가지고 있다는 것을 발견하였다.
옥신은 식물의 성장이나 형태형성에 있어 중요한 식물호르몬이다. 그 중 하나인 인돌-3-아세트산(IAA)은 식물 체내에서 결정된 방향으로 이동(극성 운송)하여 세포 간의 정보를 전달하고 식물의 성장이나 환경대응에 관여한다. 특히 식물이 빛이나 중력을 받음에 따라 IAA가 이동되는 세포 사이에 농도차이가 발생하여, 줄기나 뿌리에 굴곡이 일어난다고 알려져있다.
지금까지 연구에서 IAA 이외에도 여러 가지 화확물질이 옥신을 포함하고 있다는 것이 알려져 있으며, 특히 논이나 잔디의 제초제로 사용되는 2,4-디클로로페녹시아세트산 (2,4-D)이나 발근촉진제의 이용되는 1-나프탈렌 아세트산(NAA)과 같이 다양한 합성 옥신은 농업에도 널리 이용되고 있다. 그 중 2,4-D는 IAA와 달리 극성 운송이 일어나지 않는다고 알려져있지만, 그 이유는 아직 밝혀지지 않았다. 또한 IAA와 함께 천연옥신으로는 페닐 아세트산(PAA)이 있다고 밝혀졌지만, 그 생리적 역할이나 운송 기재에 대해서는 아직 확인되지 않았다.
연구진은 먼저 PAA를 외부에서 식물에게 주어도 IAA처럼 이동하지 않는다는 사실에 착안하여, 식물에는 이동성이 다른 두 가지 천연 옥신이 존재하여 그 성장이나 형태 형성에 영향을 미치는 것이 아닌가라는 가설을 세웠다. 이에 중력에 대해 이 두 가지 천연 옥신의 이동성의 차이, 2,4-D와 같은 합성옥신과의 관계성, 식물에서의 작용 기재 등에 대해 조사하였다.
연구진은 IAA와 PAA의 운송기재를 구체적으로 조사하기 위해, 옥수수 자엽초를 이용하여 운송저해재나 중력이 IAA와 PAA의 농도 분포에 미치는 영향을 조사하였다. 옥신의 극단 운송을 저해하는 물질(NPA)을 자엽초 선단부에 처리하여, IAA를 이동할 수 없게 하자 IAA의 경우 선단부의 축척량이 증가하였지만, PAA에서는 농도변화가 보이지 않았다. 또한 중력자극을 주면 IAA는 확발하게 극성 운송되어 자엽초의 중력측 조직에 농도가 증가하는 것에 반해, PAA에서는 농도변화가 일어나지 않는다는 것을 확인하였다. ([그림 1])
다음으로 뿌리에서 옥신합성량이 저해된 애기장대 변이체(yucQ)에 IAA와 PAA를 투여하여 뿌리 회복실험을 수행하였다. IAA는 yuvQ의 뿌리성장을 회복시키고, 식물의 횡방향으로 중력을 주면 중력굴성도 회복시킨다는 것을 확인하였다. 반면 PAA는 뿌리성장은 회복시키지만 중력굴성은 회복시키지 못했다. ([그림 2]) 이는 IAA는 중력에 반응하여 극성 운송이 나타나 뿌리를 굴곡시키지만, PAA는 그 성질을 가지지 않아, 뿌리를 굴곡시키지 않는다는 것을 보여준다. 같은 회복실험에서 yucQ는 NAA나 2,4-D를 주면 모두 뿌리의 성장은 회복되었다.
하지만 중력을 추가하면 NAA는 IAA와 같이 중력 굴성을 회복하였지만, 2,4-D는 PAA와 같이 중력 굴성이 회복하지 않았다. ([그림 2]) 위와 같은 결과로부터 NAA는 IAA와 같이 중력에 대응하여 이동방향이 변하는 합성 옥신이지만, 2,4-D는 PAA와 같은 형태로 극성운송이 보이지 않는 합성 옥신이라는 것을 확인하였다. ([그림 3])
또한 본 연구에서는 미량의 화학물질을 정확하게 정량할 수 있는 질량분석계를 이용하여 PAA를 분석한 결과, PAA가 선태식물을 포함한 육상식물에 넓게 존재하며, PAA의 생리활성은 IAA와 비교하여 낮으며, IAA보다 식물에 많이 분포하고 있다는 것을 확인하였다. 또한 애기장대를 통해 PAA의 생합성 불활성화에는 IAA와 같은 효소가 관여되어 있을 가능성이 높다고 생각하였다. PAA가 애기장대의 옥신 수용체(TIR1/AFB)와 전사제어인자(Aux/IAA)와 결합하면, 여러 가지 옥신 수용체 복합체가 형성되어 IAA나 PAA가 다수의 공통 유전자를 제어한다는 것을 확인하였다. 이 결과는 PAA가 IAA와 마찬가지로 TIR1/AFB 경로에서 옥신작용을 보인다는 것을 의미한다.
이번 실험결과는 여러 가지 식물이 IAA와 PAA라는 서로 다른 두 가지 옥신을 이용하여 성장이나 환경적응을 할 가능성을 시사하였다. 향후 PAA에 의해 제어되는 유전자의 상세한 해석을 통해 PAA의 생리적 역할을 밝혀내 식물의 성장 및 분화 조절 메커니즘을 구체적으로 이해할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 식물의 PAA 운송기재에서 옥신 수용체에 관한 특이성을 분자 수준에서 밝혀내는 것으로, 2,4-D를 이용한 보다 우수한 제초제나 식물성장 조절제를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구성과의 자세하 내용은 Plant & Cell Physiology지에 게재된 논문 "Distinct characteristics of indole-3-acetic acid and phenylacetic acid, two common auxins in plants"에서 확인할 수 있다.
[그림 1] 중력이 옥수수 자엽초의 IAA와 PAA의 농도 분포에 미치는 영향
[그림 2] 옥신에 의해 뿌리의 중력굴성의 회복
[그림 3] 옥신의 서로 다른 이동특성
원문출처 : http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150625_1/
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-07-02
http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=257048