서울대학교

[연구필요성]

최근 기후변화와 국제사회 긴장 고조로 인해 식량위기에 대비하기 위한 신품종 육성의 필요성이 대두되고 있다. 국내 가장 중요한 식량작물중 하나인 벼는 요구 용수량이 큰 답작 작물로 다른 작물보다 특히 가뭄에 취약하므로, 국내 식량생산 안정성 재고를 위해서는 내건성 벼의 개발이 특히 시급하다. 내건성 벼 육성에는 육종의 대상이 될 새로운 후보 유전자 발굴과 그들의 가뭄 저항성 조절기작에 관한 기능 연구가 필수적으로 선행되어야 한다.

[연구성과/기대효과]

본 연구진은 벼 LOV KELCH REPEAT PROTEIN 2 (OsLKP2) 유전자 돌연변이체가 가뭄 스트레스 조건 하 잎 표면 큐티클 왁스 (cuticular wax) 생합성을 촉진함으로서 내건성 표현형을 나타냄을 규명하였다. 해당 연구결과는 OsLKP2 유전자의 새로운 기능 규명이라는 학문적 의의를 지닐 뿐 아니라, 최종적으로는 가뭄조건 하 안정적인 수량을 나타내는 벼 품종을 개발하는 데에도 기여할 것으로 생각된다. 또한 내건성 벼는 간단관개를 통한 저메탄 논농사에 활용될 수 있어 농경지로부터 발생되는 온실가스 저감에도 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

[본문]

백남천 서울대학교 교수 (서울대학교 농림생물자원학부) 연구팀은 OsLKP2 유전자의 돌연변이가 잎 표면 큐티클 왁스 생합성을 증가시킴으로서 벼의 가뭄 저항성을 나타내게 한다는 것을 규명하였다.

기존의 가뭄 저항성 획득 기작은 기공의 개폐에 의한 것이 대부분이었으나, 기공은 탄소 동화과정의 원료인 이산화탄소가 출입하는 통로이기도 하므로, 동화 산물의 양과 최종적으로는 작물의 수량에 영향을 미칠 수 있는 단점이 있다. 따라서 기공개폐와는 다른 기작으로 가뭄 저항성 획득하는 유전자에 관한 연구가 필수적이다.

연구진은 벼 생체리듬 유전자 중 하나인 OsLKP2 유전자 돌연변이체가 내건성을 나타내며, 잎 표면에 많은 양의 큐티클 왁스가 도포된 것을 관찰하였다. 특히나 해당 돌연변이체의 기공 전도도는 야생종과 큰 차이가 없음을 확인하였다.

내건성을 나타내는 oslkp2 돌연변이체의 잎에는 큐티클 왁스를 구성하는 알칸(Alkane) 등의 장쇄지방산(very long chain fatty acid, VLCFA) 함량이 많았으며, 왁스 생합성과 수송에 관련된 유전자들의 발현이 증가한 것을 확인하였다.

추가적으로 OsLKP2 단백질이 벼 GIGANTEA (OsGI) 단백질과 핵에서 상호작용하였는데, osgi 돌연변이체 역시 잎 표면에 다량의 큐티클 왁스가 도포되어 있었으며 내건성을 나타내었다. 이를 통해 벼의 가뭄 스트레스 조건에서 큐티클 왁스 합성을 촉진시켜 내건성을 나타내는 데에는 두 단백질의 상호작용이 중요하게 작용함을 밝혀내었다.

본 연구결과는 벼의 생체리듬 유전자인 OsLKP2와 OsGI가 내건성을 조절하는 매커니즘을 최초로 규명한 연구로, 가뭄 저항성을 나타내는 벼 신품종 개발에 발판을 마련했다. 또한, 가뭄 스트레스에 의해 도포된 잎 표면 큐티클 왁스는 반복적인 가뭄에 그 양이 누적된다는 장점이 있어 여러 차례 가뭄이 발생하는 포장 조건에서 내건성을 나타내는데 유리할 것으로 생각된다.

이번 연구성과는 Plant science 분야의 권위적인 국제학술지 Plant, Cell & Environment (IF=7.947)에 2023년 1월 online publish 되었다.

본 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다. (No. 2017R1A2B3003310).

[연구결과]

Suppression of cuticular wax biosynthesis mediated by rice LOV KELCH REPEAT PROTEIN 2 supports a negative role in drought stress tolerance

Yejin Shim*, Gayeong Seong*, Yumin Choi, Chaemyeong Lim, Seung-A Baek, Young Jin Park, Jae Kwang Kim, Gynheung An, Kiyoon Kang, Nam-Chon Paek
(Plant, Cell & Environment, in press)

국내 가장 중요한 식량작물중 하나인 벼는 요구 용수량이 큰 답작 작물로서 다른 작물보다 특히 가뭄에 취약하므로, 국내 식량생산 안정성 재고를 위해서는 내건성 벼의 개발이 특히 시급하다. 내건성 벼 육성에는 육종의 대상이 될 새로운 후보 유전자 발굴과 그들의 가뭄 저항성 조절기작에 관한 기능 연구가 필수적으로 선행되어야 한다. 본 연구는 벼 OsLKP2 유전자의 돌연변이가 잎 표면 큐티클 왁스의 생합성을 증가시킴으로서 가뭄 내성을 향상시킬 수 있음을 규명하였다.

Online published: https://onlinelibrary-wiley-com.libproxy.snu.ac.kr/doi/full/10.1111/pce.14549

[용어설명]