미국 캘리포니아 대학 샌디에이고 캠퍼스(UC San Diego; University of California, San Diego) 소속의 연구진은 가뭄에 대한 내성과 성장에 책임이 있는 핵심 호르몬의 식물 내 이동을 가시화하는 데 성공했다. 이러한 성과는 대기 중 이산화탄소 농도(carbon dioxide concentration)의 지속적인 증가로 유발된 환경 스트레스(environmental stress)와 가뭄(drought)에 대응하여 식물이 호르몬의 작용에 따라 어떻게 반응할 것인지를 결정할 수 있는 추가적인 연구를 수행할 수 있게 할 것으로 보인다. 이러한 연구 성과를 다룬 논문은 2014년 4월 15일 과학 저널인 eLife 이슈 란에 발표됐다. 

식물 호르몬 생물학자들은 식물의 가뭄 내성 반응(drought resistance response)을 활성화시키고 환경 스트레스 조건 하에서 식물 성장(plant growth)을 규제하는데 중요한 역할을 하는 아브시스산(ABA; abscisic acid) 호르몬을 직접 추적했다. 또 ABA 스트레스 호르몬은 성장을 위하여 이산화탄소를 흡수하는 한편, 식물이 보유하고 있는 물의 95%를 소실시키는 잎에 있는 작은 구멍인 기공(stoma)이 닫히는 것을 제어한다. 

과학자들은 이미 ABA가 식물 내에서 수행하는 일반적인 역할을 규명했지만, 호르몬(hormone)을 직접적으로 가시화함으로써, 식물이 가뭄 또는 다른 스트레스에 지배될 때 ABA가 관여하는 복잡한 상호 반응을 보다 더 잘 이해할 수 있다. 

환경 자극에 대한 반응에 있어서 식물에 함유되어 있는 ABA의 동적 분포(dynamic distribution)를 이해하는 것이 이러한 중요한 식물 호르몬의 행동을 설명하는데 특히 중요하다고 이 연구를 책임지고 있는 UC San Diego 산하 생물학과 교수인 Julian Schroeder는 밝혔다. 예를 들면, 우리는 현재 잎에서 일어나는 호흡을 이유로 매일 밤 잎에서 발생하는 이산화탄소 농도의 증가가 기공 세포에서 ABA 농도에 영향을 끼치는지 여부를 조사할 수 있다고 Schroeder는 밝혔다. 

연구진은 겨자 식물인 애기 장대(Arabidopsis)에 함유되어 있는 ABA의 이동을 직접적 및 연속적으로 관찰하기 위하여 유전학적으로 암호화되어 있는 리포터(genetically-encoded reporter)라고 불리는 것을 개발했다. ABAleons라고 불리는 이 리포터는 ABA와 결합하는 센서 단백질에 부착되어 있는 두 개의 구분되는 색상을 지닌 형광 단백질(fluorescent protein)을 함유하고 있다. 일단 ABA와 결합하면, ABAleons는 현미경을 이용하여 분석될 수 있는 자체적인 형광 배출을 변화시킨다. 연구진은 ABA 농도 변화와 ABA 이동의 파동(wave)이 스트레스에 반응하여 시간에 따라 개별적인 세포와 다양한 조직에서 모니터링될 수 있다고 제안했다. 

이러한 리포터를 이용하여, 연구진이 묘목 발아(germinating seedling)의 줄기에서 잎과 성장하는 식물의 뿌리에 이르는 긴 거리의 ABA 이동을 최초로 직접적으로 관찰하여, 성장하는 식물 내에서 ABA 이동 속도를 결정할 수 있었다고 Schroeder는 밝혔다. 

이러한 도구를 이용하여, 연구진은 현재 살아 있는 식물에서 ABA를 감지할 수 있으며, ABA가 어떻게 분포되어 있는지 확인할 수 있다고 이 논문의 제 1 저자이며, Schroeder의 연구실 박사 후 연구원인 Rainer Waadt는 밝혔다. 또 연구진이 각 기공의 구멍을 둘러싸고 있는 기공 공변세포(stomatal guard cell)에서 ABA 농도 증가를 유발하는 환경 스트레스를 직접적으로 볼 수 있었다고 Waadt는 덧붙였다. 

향후 연구진이 개발한 ABA 나노센서는 이산화탄소의 상승을 포함한 다른 스트레스에 대한 반응에서 ABA 분포를 연구하는데 이용될 수 있으며, 이러한 호르몬의 분포에 영향을 끼치는 다른 분자와 단백질을 규명할 수 있을 것이라고 Waadt는 밝혔다. 또 연구진은 식물이 스트레스에 얼마나 빠르게 반응하는지와 반응에 중요한 조직이 어떤 조직인지를 규명할 수 있다고 제안했다. 

연구진은 새로운 ABA 나노센서가 격리된 단백질로서 효과적인 기능을 수행한다는 것을 증명했다. 이것은 센서가 가뭄 내성 반응을 강화 또는 활성화할 수 있는 화학물질을 스크리닝하기 위한 최신 스크리닝 플랫폼을 이용하여 직접적으로 배치될 수 있음을 의미한다. 과학자들은 이러한 화학물질이 2012년 미국 중서부에서 발생한 심각한 가뭄과 같은 가뭄을 농작물이 겪을 때 가뭄 내성 반응을 강화하는데 유용할 수 있다고 밝혔다. 

이 연구는 미국 국립과학재단(NSF; National Science Foundation), 국립보건원(National Institute of Health) 및 미국 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 CSGB(Division of Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences) 등의 지원으로 수행됐다. 

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』