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2010년 1월 14일 세계적인 권위지인 네이쳐 (Nature)지에 콩 산업과 관련하여 유독 주목을 끄는 한 논문이 게재 되
었다. 미국 에너지성의 제레미 슈뮤츠(Jeremy Schmutz)와 미국 농림부의 랜디 슈메이커(Randy Shoemaker), 미
주리 대학의 게리 스테이시(Gary Stacey), 퍼듀 대학의 스캇 잭슨(Scott Jackson)등을 주축으로 한 총 44명의 미국 연
구진과 1명의 일본 연구진에 의해 발표된 이 논문은 콩 (대두, Glycine max) 유전체 지도의 완성을 설명하고 있다. 연
구진들은 총 11억 개의 DNA 염기쌍과 46,430개의 유전자를 밝혀냈고, 이와 관련된 파급효과를 언급하였다. 기대되
는 효과로는 유전체 연구를 통하여 아시아 콩녹병 (Asian Soybean Rust, ASR)에 내성을 가지는 콩을 개발하는 것인
데, ASR은 지역에 따라 적게는 10%에서 많게는 80%까지 콩 수량을 감소시킬 수 있다고 한다. 결론적으로 콩의 유전
체 정보는 콩 수량과 콩 생산의 증가를 도모하여 농업은 물론이거니와 인류 건강과 바이오에너지 분야까지 그 영향
의 폭이 실로 넓다고 할 수 있다. 예를 들어, 콩은 전 세계식물성 단백질의 70%를 차지하며, 육류에 의한 단백질 섭
취를 대체할 수 있는 효과를 가진다. 또한, 미국 바이오디젤 생산의 80%가 콩에 의존하기 때문에 궁극적으로 화석원
료 사용을 경감시키는 효과를 가져올 수 있다. 또 다른 파급효과로는 대두의 유전정보를 20,000종이 넘는 다른 콩
과식물에 대한 열쇠로 사용함으로써 팥, 녹두, 강낭콩, 완두콩, 땅콩과 같은 작물의 종자개발 연구에 중요한 자원으
로 활용될 수 있을 것이다. 콩 유전체 정보는 http://www.phytozome.net/soybean에서 확인할 수 있다.
콩의 유전체 분석에 앞서, 대두와의 공생관계를 통하여 질소고정을 하는 근류 미생물인 Bradyrhizobiumjaponicum의 유전체 정보가 2002년에 해독이 되었고, 2007년도에는 다른 Bradyrhizobium spp.인 ORS278와 BTAi1의 유전체 지도도 완성이 되었다. 일반적으로, 질소고정균과 숙주와의 공생관계는 특별한 신호전달체계를 통하여 유도되며, 최종적으로는 뿌리혹 (root nodule)을 형성하게 된다. 먼저, 숙주가 방사하는 (이소)플라보노이드 [(iso) flavonoid]를 질소고정균이 인식하고, 일련의 관련 유전자들 (nodABC)의 발현을 통해 뿌리혹 형성 유도인자인 노드펙터 (Nod factor)를 분비한다. Lipochitooligosacchride(LCO)로 이루어진 Nod factor는 숙주에 의해 인식이 된 후 뿌리털 굽힘 (root hair curling) 현상을 통하여 균들이 뿌리조직의 가느다란 관 (infection thread)을 통해 유입하게 된다. 유입된 균은 박테로이드 (bacteroid)라 불리우며, 뿌리 혹 안에서 공기 중의 질소를 암모니아로 변환시켜 식물의 질소 영양분 흡수를 돕는다.
위에서 언급한 ORS278와 BTAil의 유전체 정보가 알려지기 전 까지 공생적 질소고정관계에서 Nod factor는 필수적인 신호전달물질로 알려져 있었고, 또한 지금까지 알려진 모든 공생적 질소고정균은 Nod factor 생산과 관련된 nodABC 유전자들을 가지고 있었다. 하지만, 놀랍게도 ORS278와 BTAil의 유전체에서는 nodABC 유전자들을 찾을 수 없었으며, 뿌리혹 형성에 관련된 다른 유전자들도 발견되지 않았다. 그럼에도 불구하고, 이 균들은 숙주의 뿌리에서 혹을 형성하여, 그 안에서 정상적으로 질소를 고정하였다. 더욱 흥미로운 것은 이 균주들이 줄기에서도 혹을 형성한다는 것이다. 다른 라이조비아 (rhizobia)와 달리 ORS278와 BTAil은 고유의 광합성 대사경로를 가지고 있어서 빛을 에너지원으로 사용할 수 있다. 궁극적으로, 뿌리와 줄기에서의 혹 형성을 통하여 더 많은 양의 질소를 고정할수 있는 것이다.
그렇다면, 어떻게 ORS278와 BTAil은 Nod factor가 없음에도 불구하고 혹을 형성할 수 있는 것일까? 여러 가지 가설들이 있지만, 영국 존인스 센터의 알란 다우니 (Allan Downie)가 제시한 “Crack Entry (틈새 침입)" 가설이 가장 설득력을 가진다. 균들은 식물세포 표면의 갈라진 틈으로 침투하여 군체를 형성한 후, 식물 사이토카이닌 (cytokinin)
호르몬을 분비함으로써 Nod factor에 의해 진행되는 일련의 단계들을 생략하고 혹을 형성한다는 가설이다. 실제로, 콩
과 식물의 일종인 Lotus japonicus에서 사이토카이닌 수용체의 지속적인 활성은 Nod factor가 없는 환경에서도 뿌리
혹의 형성을 유도하였다. 또한, 이렇게 분비된 사이토카이닌은 퓨린 (purine)내지는, 퓨린 유도체일거라는 것이 트렌
스포전 돌연변이 (transposon mutagenesis) 실험을 통하여 밝혀졌다. 하지만, 꾸준한 연구에도 불구하고 여전히 많은
질문들이 대두되고 있다. 그 중 ”숙주 (Aeschynomene)에서 분비되는 공생관계 신호물질은 무엇인가?”라는 질문이 아
마도 가장 흥미로울 것이다. 본 연구실에서는 생명공학연구소의 류충민 박사 연구팀과의 국제공동연구를 통하여 이에
대한 해답을 찾고자 한다. 현재, 퓨린 생합성과 관련된 유전자의 프로모터 (promoter)를 클로닝 (cloning)후 형광 단백
질 (GFP) 유전자와 결합하여 바이오센서 (biosensor) 균주를 만들었다. 숙주의 뿌리 삼출물 (root exudate)을 분리 후
각 분획 (fraction)을 바이오센서 균주로 확인하여, GFP 양성으로 확인된 분획은 LC와 GC-MS, NMR을 통하여 그 안
에 존재하는 신호물질의 구조를 밝혀내고자 한다.
Frankia 또한 특이한 질소고정을 수행한다. 비콩과식물을 숙주로 사용하여 뿌리혹을 형성하고, 종과 환경에 따라
뿌리털 굽힘 (root hair curling)현상이 관찰되기도 하고, 그렇지 않기도 한다. 방선균의 일종인 Frankia는 그램 양성으
로 아직까지 이렇다 할 유전자 조작 시스템이 개발되지 못하고 있는 실정이어서, 분자생물학적인 연구에 많은 어려움
을 겪고 있다. 그럼에도 불구하고, 세 주 (strain)의 Frankia 유전체가 해독이 되었는데, 놀랍게도 Nod factor와 관련
된 유전자를 발견하지 못했다. 현재, 전세계 많은 연구진들이 Frnakia factor를 찾기 위해 노력하고 있으며, 본 연구실
에서도 이들의 유전체 정보를 이용하여 ORS278, BTAi1과 Frankia간의 질소고정 관련 분자생물학적 메카니즘은 서로
어떠한 상관관계가 있는가를 고찰하고자 한다.
이러한 공생관계의 새로운 메카니즘을 밝혀냄으로써 비콩과식물인 옥수수와 쌀과 같은 주요 작물에서 뿌리혹 형성을 가능하게 하여 공기 중의 질소를 고정하는 것이 궁극적인 목적이라고 할 수 있다. 생물학적 질소고정은 석유자원
을 원천으로 쓰는 화학 질소비료 사용의 감소를 가져오고, 이로 인하여 환경오염의 방지와 곡물가격의 하락이라는 일
석이조의 효과를 창출할 수 있다. 또한, 현 정부에서 추진하는 녹색성장 정책에도 부합되어, 친환경적인 새로운 에너지
원으로써 뿌리혹을 유도할 수 있는 미생물비료의 개발은 콩과작물은 물론이거니와 비콩과작물의 경작 시 획기적인 이
정표가 될 것이다.
이번호에 연구동향을 작성해 주신 장우석 박사님은 인하대학교를 나오셨고 미국의 아이오와주
립대학에서 박사학위하시고 미주리대학에서 연구를 하시다가 현재의 텍사스주립대(University
of Texas-Arlington)에서 교수로 재직하시면서 콩과식물의 질소고정에 대한 연구를 하고 계십
니다. 보다 많은 연구정보는 아래의 연락처로 하여 주십시오.
Woo-Suk Chang, Ph.D.
Department of Biology, University of
Texas-Arlington, Arlington, TX 76019
Tel: Office) +1-817-272-3280,
Lab)+1-817-272-3264, Fax) 817-272-2855
e-mail) wschang@uta.edu
출처: 한국콩연구회 소식 제 280호(10.4.25)
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