식물 생장-면역조절 분자 기전 밝혀

중앙대학교 생명과학과 김성기 교수 연구팀이 식물호르몬 Brassinosteroids에 의한 식물 생장과 면역 조절 분자의 기전을 규명하는 데 성공했다.

식물은 주변 신호와 자극에 대응하기 위해 많은 세포 표면 수용체(Cell Surface Receptor)를 가지도록 진화했다. 세포 표면 수용체는 세포 외로부터의 자극을 고유한 세포 신호 전달 체계(signal transduction pathways)를 통해 세포 내부로 전달해 외부 자극에 따른 세포 내 반응들을 유발한다. 

하지만, 세포 표면 수용체에 비해 신호를 전달하는 세포 전달 분자(signal mediator)의 숫자는 제한적이다. 이처럼 제한적인 세포 전달 분자를 통해 어떻게 식물이 다양한 세포 반응을 일으키는지에 대한 기작은 규명되지 않았다. 

면역 반응도 마찬가지다. 식물은 세포 표면 면역 수용체를 통해 외부 병원체를 인식하고 세포 내부 MAP 인산화 효소(Kinase) 활성화와 같은 다양한 면역 반응을 유발시킨다. 이러한 면역 수용체들이 어떠한 세포 전달 분자를 통해 면역 반응을 유발시키는지도 면역 수용체가 밝혀진 이후 30여 년간 증명되지 못했다. 

김성기 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 식물의 생장을 조절하는 물질인 브라시노스테로이드(Brassinosteroid, BR)의 신호 전달에 관여하는 BSU1 탈인산화 효소(BSU1 phosphatase)가 식물 면역 신호 전달에도 관여한다는 것을 증명했다.

이후 질량 분석기(Mass Spectrometry)와 대사 동위원소(metabolic isotope)을 이용한 인산화 단백질체 분석(Phospho-proteomics) 기술을 통해 식물 면역 수용체 신호 전달 체계에서는 BSU1 단백질의 세린 251(Serine 251)이 인산화 돼 면역 반응을 유발한다는 것을 밝혀냈다. 또한, 식물 생장 신호 전달 체계에서는 BSU1의 세린 764(Serine 764)가 인산화 돼 생장 반응을 조절한다는 것도 증명했다. 

이처럼 특정 세포 전달 분자가 어떻게 식물의 면역과 생장 반응을 구별해 조절하는지에 대한 분자 기작을 규명한 이번 연구 결과는 면역 신호가 세포 내로 어떻게 전달되는지를 규명했을 뿐만 아니라 향후 면역과 생장이 동시에 향상된 작물을 개발하는 데에도 기여할 것으로 기대를 모은다. 

이번 연구는 중앙대학교 생명과학과 김성기 교수와 윤지현 박사 연구팀, 한양대 김태욱 교수, 미국 스탠퍼드대 카네기 과학 연구소(Carnegie Institution for Science) Wang 교수와의 공동 연구로 수행됐다. 특히 제1저자를 맡은 박찬호 박사와 공동 교신 저자인 김태욱 교수는 같은 김성기 교수 연구실 출신으로 사제 간의 지속적인 공동연구를 수행함으로써 이번 연구성과의 의미를 한층 더했다. 

이번 연구과제는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 교육부의 4단계 BK21(Brain Korea 21) 사업의 연구비를 지원받아 진행됐다. 연구결과를 담은 논문은 식물학 분야 최상위 학술지로 피인용 지수(Impact Factor) 17.352를 기록한 Nature Plants 2022년 6월호에 게재됐다.