검색
-
-
[퓨처 Eyes(103)] 英·中 공동 연구팀, 식물 뿌리 '굴중성' 비밀 밝혔다
- 식물의 뿌리가 어떻게 중력을 인지하고 땅속 깊이 파고드는지에 대한 오랜 수수께끼가 풀렸다. 영국과 중국 공동 연구진이 식물 호르몬 '옥신(auxin)'이 뿌리의 특정 부위 세포 성장을 억제하는 동시에 다른 부위의 성장은 유지시켜 중력 방향으로 휘어지게 만드는 핵심 분자 메커니즘을 규명했다. 영국 노팅엄 대학교 생명과학부와 중국 상하이 교통대학교 공동 연구팀은 옥신이 'OsILA1'으로 알려진 특정 키나아제(kinase) 효소를 통해 뿌리 아래쪽 세포벽을 단단하게 만들어 성장을 막는다는 사실을 밝혀내고, 관련 연구 결과를 세계적인 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 발표했다. 이번 발견은 식물이 토양 속 장애물을 만나더라도 다시 아래 방향으로 성장할 수 있는 생명력의 비밀을 분자 수준에서 풀어낸 성과로 평가된다. 옥신의 역설, 성장 촉진과 억제를 동시에 식물의 뿌리가 중력 방향을 따라 자라는 현상을 '굴중성(gravitropism)'이라고 한다. 쉽게 말해, 식물이 나침반 없이도 '아래'가 어디인지 알고 그쪽으로 뿌리를 뻗는 능력이다. 굴중성은 식물이 땅속 깊이 뿌리를 내려 안정적으로 몸을 지지하고, 물과 영양분을 효율적으로 흡수하기 위한 필수적인 생존 전략이다. 과학계는 오래전부터 식물 성장 호르몬인 옥신이 굴중성 과정에서 핵심적인 역할을 한다는 사실을 알고 있었다. 중력 자극을 받으면 뿌리 끝에서는 옥신이 아래쪽으로 몰리게 되고, 이로 인해 위쪽과 아래쪽 세포의 성장 속도에 차이가 생겨 뿌리가 휘어진다는 것이 기본 원리였다. 하지만 옥신이 어떻게 뿌리 위쪽 세포의 성장은 촉진하면서, 동시에 아래쪽 세포의 성장은 억제하는지에 대한 구체적인 기작은 오랫동안 베일에 싸여 있었다. 하나의 물질이 어떤 세포에는 '더 자라라'는 명령을 내리면서, 바로 옆 다른 세포에는 '성장을 멈춰라'는 정반대 명령을 내리는 셈이어서 과학자들에게는 큰 수수께끼였다. 세포벽 강화하는 핵심 효소 'OsILA1' 규명 연구팀은 이번 연구를 통해 옥신의 이중적 역할을 명확히 설명했다. 연구 결과에 따르면, 벼(rice)의 뿌리 끝 아래쪽에 축적된 옥신은 OsILA1 키나아제를 활성화하는 신호를 보낸다. 키나아제는 세포 안에서 특정 단백질에 인산(P)을 붙여 그 단백질의 스위치를 켜거나 끄는 역할을 하는 중요한 효소다. 이 신호를 받은 세포는 셀룰로스(cellulose)와 리그닌(lignin) 같은 세포벽 구성 요소의 생합성을 촉진해 기존보다 훨씬 더 견고하고 단단한 세포벽을 만든다. 셀룰로스는 식물 세포벽의 뼈대를 이루는 단단한 섬유소이며, 리그닌은 이 뼈대를 더욱 견고하게 만드는 접착제와 같은 역할을 한다. 이렇게 물리적으로 강화된 세포벽은 세포가 더 이상 길어지는 것(신장)을 막는 족쇄 역할을 한다. 반면, 옥신 농도가 상대적으로 낮은 뿌리 위쪽 세포에서는 이러한 세포벽 강화 과정이 일어나지 않는다. 따라서 위쪽 세포들은 정상적으로 신장하며 계속 자라나는 반면, 아래쪽 세포들은 성장을 멈추게 된다. 이러한 비대칭적인 성장 속도 차이가 결국 뿌리 전체가 아래쪽으로 구부러지게 만드는 힘으로 작용하는 것이다. 연구팀은 유전자를 조작해 OsILA1 효소가 제대로 작동하지 못하는 돌연변이 벼를 만들어 실험했다. 그 결과, 이 벼는 뿌리가 중력에 잘 반응하지 못하고 세포벽도 약해져, OsILA1이 뿌리의 방향을 결정하는 핵심 스위치임을 증명했다. 이번 연구를 공동으로 이끈 노팅엄 대학교 생명과학부의 라훌 보살레 부교수는 "지금까지 옥신이 어떻게 뿌리 아래쪽 세포의 팽창을 억제하는지는 불분명했다"며 "우리 연구는 옥신이 세포벽 생합성을 촉진해 아래쪽 세포벽을 강화함으로써 성장을 막는다는 것을 보여줌으로써 이 오랜 의문을 해결했다. 이 이중 메커니즘은 세포 신장을 촉진하고 억제하는 옥신의 상반돼 보이는 역할을 설명해준다"고 밝혔다. 중력과 가뭄, 환경 신호에 반응하는 뿌리의 지능 이번 성과는 가뭄을 감지하는 호르몬으로 알려진 앱시스산(ABA)이 옥신 수치에 영향을 주어 뿌리의 성장 각도를 조절한다는 연구팀의 선행 연구와도 맥을 같이한다. 두 연구를 종합하면, 식물의 뿌리는 중력, 수분 등 다양한 외부 환경 신호를 호르몬 네트워크를 통해 통합적으로 감지하고, 토양 탐색과 자원 획득을 최적화하는 뿌리 구조를 형성하는 정교한 적응 시스템을 갖추고 있음을 알 수 있다. 보살레 박사는 "우리는 옥신이 뿌리 굴중성에 중요하다는 사실은 이미 알고 있었지만, 오랫동안 옥신의 하위 신호 전달 과정에서 무엇이 작용하는지는 알지 못했다"며 "이번 새로운 연구에서 밝혀낸 것이 바로 그것이며, 이는 뿌리 시스템의 작동 방식을 근본적으로 이해하는 데 중요하다"고 연구의 의의를 강조했다. 기초 과학에서 미래 농업으로…슈퍼 작물 개발 기대 연구팀은 이번 발견이 미래 농업 기술에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대한다. 옥신의 작용 원리를 상세히 이해함으로써, 척박하거나 단단한 토양에서도 뿌리를 더 깊고 넓게 뻗을 수 있는 품종을 개발할 길이 열렸기 때문이다. 예를 들어, 토양이 단단한 지역에서는 뿌리가 이를 감지하고 더 강하게 뚫고 나갈 수 있도록 유전자를 조절하거나, 가뭄이 잦은 곳에서는 물을 찾아 더 깊이 파고드는 뿌리 시스템을 갖도록 개량할 수 있다. 궁극적으로 가뭄, 다져진 토양, 영양 부족 환경에 대한 작물의 저항성을 높여 농업 생산성과 지속가능성을 향상시키는 데 기여할 수 있다. 보살레 박사는 "호르몬의 역할을 이렇게 상세하게 이해하면 스트레스에 강하고 토양 속 장애물을 극복할 수 있는 작물을 공학적으로 개발할 가능성이 열린다"고 전망했다. 기후 변화로 인한 환경 스트레스가 심화하는 상황에서, 이러한 기초 연구는 전 세계 식량 생산을 안정적으로 확보하는 데 더욱 중요해질 것이다.
-
- 포커스온
-
[퓨처 Eyes(103)] 英·中 공동 연구팀, 식물 뿌리 '굴중성' 비밀 밝혔다
검색 결과가 없습니다.