| 초록 |
연구개요 ○ 인구 증가에 따른 식량 수요의 증대와 기후변화에 의한 생산량 감소를 극복하기 위하여 작물 생산성의 35% 이상 증가가 요구됨. 식물은 낮 동안에 광합성을 통하여 CO<sub>2</sub>로부터 고정된 탄소를 전분과 자당(sucrose)의 형태로 저장함. 벼 잎의 전분은 수확량에 큰 영향을 미치며, 잎의 전분 증가는 스트레스 환경에서 생산성에 크게 기여함. 잎 전분합성은 지속적인 Pi의 공급을 통하여 광합성을 유지하는데 핵심적이며 결국 전분의 증가는 Pi 공급을 통하여 광합성을 증가시킴. 벼의 광합성은 되먹임 작용(feed-back inhibition)으로 인하여 일출 후 4~5시간까지 증가하고 이후 감소함. 이는 광합성으로 생산된 당이 더 이상 전분 등으로 저장되지 못하여 발생하게 되는 현상이며, 전분합성 경로 설계를 통하여 광합성을 유지, 강화시켜 생산성의 향상을 가져올 수 있음. 결국, 벼의 잎 전분함량의 증가를 통해 광합성 효율을 높이고, 지구 온난화 등 기후변화 상황에서 안정적인 생산성을 유지하는 작물대사제어 원천기술을 개발하고자 함. 연구 목표대비 연구결과 ○ 조절 경로 1에서 전분합성에 관여하는 엽록체막 당수송체(인산화된 당 Glc-6-P 수송체)를 동정하고자 함. OsGPT2-GFP 융합 단백질을 원형질체에 일시적으로 발현시켜 엽록체 막에 위치함을 관찰하고 엽록체막 수송체임을 확인하였음. pRbcS-GPT2-2, pRbcS-GPT2-3 엽육세포 특이적인 과발현체의 LMO 포장재배실험에서 생장 표현형과 생산성을 검정함. 3개의 OsGPT2의 기능중복 유전자를 확인하였으며 삼중 돌연변이 벼를 CRISPR/Cas9 시스템을 통하여 생산하였음. OsGPT2-1, OsGPT2-2, OsGPT2-3 삼중 돌연변이 벼를 배지에서 2주 생장시켜 잎의 포도당, 과당, 자당, 녹말을 야생형(동진)과 함께 측정하였음. 돌연변이체에서 자당과 녹말 양이 줄어든 것을 확인함. 이를 통해 잎에서 OsGPT2-1, OsGPT2-2, OsGPT2-3이 조절경로1에 작용하는 것을 확인함. ○ 조절 경로 2에 관여할 수 있는 새로운 전분 합성 효소를 동정하기 위하여 광합성 조직인 엽육세포 특이적으로 pOsAGPL1/L3을 조절할 가능성이 있는 pRbcS:WRKYS1 형질전환 벼를 제작하여 LMO 포장에서 재배하여 생장 표현형과 생산성을 검정하였음. pRbcS:AGPL3의 생장은 촉진된 반면에, pRbcS:AGPL1의 생장표현형은 야생형과 차이가 없었음. WRKYS1 과발현 식물체는 생장억제 현상을 보여 OsAGPL1/L3 당 유도성 조절에 음성적으로 작용하는 것으로 예측됨. ○ 조절 경로 3에 관여하는 OsSTL1의 Trp-rich hydrophobic(183-338번 아미노산, “T” 지역으로 명명)의 구조를 변경한 pRbcS-OsSTL1, pRbcS-OsSTL1+T, pRbcS-OsSTL1∆T의 세가지 변이체를 생산하여 T지역의 전분결합능력과 OsSTL1의 전분축적기능의 상관관계를 확인하고자 함. 제작된 벼를 LMO 포장에서 재배하여 생장 표현형과 생산성을 검정하였으며 T지역이 있는 과발현체에서만 생장이 증대된 것을 확인하여 T지역과 전분축적의 연관성을 밝힘. 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) ○ 작물의 생산량 증대에 필수적인 첨단 생명공학 기술의 발굴이 시급함. 작물 생산성의 가장 핵심인 광합성의 향상은 시급한 과제임. 생산된 당을 전분으로 빠르게 전환, 축적함으로써 광합성의 되먹임 억제를 늦추거나 방지할 수 있음. 잎에 저장된 전분은 생장과 발달을 위해 이용되는 당의 주요한 공급원 기능을 함으로써 가뭄 등 광합성의 일시적인 제한 조건에서 작물의 환경내성을 증가시키는데 중요하게 기여함. 본 연구에서는 벼 잎의 엽록체 내부로 인산화된 당의 이동을 활성화하는 새로운 경로를 발굴하고, 전분축적을 조절하는 인자(OsSTL1)의 발현과 기능을 향상하는 효율적이고 창의적인 방식으로 전분의 합성을 증가시킴. 따라서 본 연구의 결과는 기존의 생산성 향상을 위해 수행된 전략과는 차별화된 독창적인 방법을 제공할 것임. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
