Investigation into the role of β-type carbonic anhydrases associated with CO2 capturing of single-cell C4 plant

Abstract

광합성을 하는 생물들은 대기중의 이산화탄소로부터 광합성에 필요한 탄소원을 얻는다. 그러므로 이산화탄소를 세포 내에 효율적으로 갖고 있는 것은 식물의 생산량을 높이는 것과 밀접하게 연관되어 있다. 이를 바탕으로 식물은 광합성 효율을 높이기 위해 이산화탄소를 엽록체 근처에 고정하는 기작을 진화시켜 왔으며 이러한 기작을 이용하는 식물이 C4 식물이다. C4 식물은 기공 옆의 엽육세포에서 이산화탄소를 C4 아미노산으로 고정시켜서 이산화탄소의 유출을 막고, 유관속초세포에서 탈탄산반응을 통해 C4 아미노산을 다시 이산화탄소로 바꿔 엽록체에 공급되게 해준다. 이러한 이산화탄소 고정 기작을 통해 루비스코 근처에 이산화탄소를 축적시켜서 광합성 효율을 올리게 된다. 또한 이 기작에는 탄산무수화효소가 이산화탄소로부터 중탄산염을 만들어 C4 아미노산을 만드는 과정이 필수적이다. 이 효소의 아과 중 베타-탄산무수화효소가 C4 식물 엽육세포의 세포질에서 중탄산염을 만드는데 주로 사용된다. 현재까지 이러한 C4 광합성 기작을 C3 식물에 도입하려는 시도는 계속되고 있으나. 서로 다른 세포 종류를 사용하는 C4 식물의 광합성을 단일 세포에서 광합성을 하는 C3 식물에 도입하기에는 어려움이 있다. 하지만 최근 연구에서 C4 광합성을 단일 세포에서 하는 Bienertia sinuspersici 라는 특이한 식물이 있는 것이 밝혀졌다. 이 식물은 단일 세포에 있는 두 가지 형태의 다른 엽록체를 이용하여 이산화탄소를 고정한다. 세포 내 주변 구획의 엽록체에서 C4 아미노산을 만들기 위한 C3 아미노산 (PEP) 을 만들고, 중앙 구획의 엽록체에서 캘빈경로를 통해 광합성을 한다. 그러나, 아직 어떻게 Bienertia가 특이적으로 단일세포에서 이산화탄소를 고정하는지에 대한 연구결과는 거의 알려진 바 없다. 따라서 본 연구는 Bienertia의 베타-탄산무수화효소가 단일 세포 내에 어디에 위치하고 어떻게 조절이 되는지에 초점을 맞추어 이산화탄소를 고정시키는데 어떤 기여를 하는지 밝혀내는데 그 목적을 두고 있다. 이를 위해 Bienertia의 베타-탄산무수화효소가 성체 잎의 광합성에 필수적인 역할을 하는지 보기 위해 잎의 발달 단계에 따라 전사체 발현량을 확인하였다. Bienertia의 베타-탄산무수화효소는 두가지 아형 (BsCAβ1, BsCAβ2) 이 있었고, 두 아형의 발현량이 잎의 발달 단계에 따라 점점 증가함을 볼 수 있었다. 또한 두 아형의 위치를 확인하기 위해 각각에 형광단백질을 단 plasmid를 제작해서 세포 내에 발현시켰다. Bienertia와 Arabidposis 세포 모두 BsCAβ1은 세포질에 위치했지만 BsCAβ2는 세포막에 위치함을 확인했다. 하지만 BsCAβ2는 어떠한 막관통영역을 가지지 않았기에 어떻게 세포막에 위치할 수 있는지 알아보기 위해 번역후변형의 가능성을 찾아보았다. 번역후변형의 종류 중 지질화의 가능성들 중에서 palmitoylation이 높게 예측되었고, site mutagenesis를 통해 이 예측이 옳음을 증명했다. 또한 세포 내 소기관들 중에서 세포막에 위치한 palmitoylation transferase를 통해 palmitoylation이 될 가능성이 높음을 관찰할 수 있었다. 이러한 일련의 실험을 통해 Bienertia는 palmitoylation을 통해 BsCAβ2를 세포막에 위치시킴으로써 이산화탄소가 유출되지 못하게 막는 역할을 한다는 가능성을 제시할 수 있었다. 또한 palmitoylation은 외부 자극에 따라 가역적인 반응이 가능한 지질화이이다. 따라서 C4 광합성 경로의 탄소대사에 중요하게 작용하는 베타-탄산무수화효소의 세포 내 위치를 변형시킬 수 있는 기작을 갖게 하여, 사막과 같은 극한 환경에서 사는 Bienertia가 환경에 적응하고 잘 살아남을 수 있도록 도왔다는 가능성을 제시할 수 있었다.

Carbonic anhydrases are ubiquitous enzymes that catalyze reversibly both the hydration and dehydration reactions of CO2 and HCO3⁻, respectively, in nature. Higher plants contain many different isoforms of CAs that can be classified into 3 distinct subfamilies, α-, β- and γ-type CAs. β-type CAs play a key role in the CO2-concentrating mechanism, thereby contributing to efficient photosynthesis in C4 plants in addition to in many other biochemical reactions in plant metabolisms. Here, we characterized at the molecular, cellular and biochemical levels two β-type CAs in Bienertia sinuspersici which operates the single-cell C4 system for photosynthesis without kranz anatomy. The two β-type CAs (BsCAβs) in Bienertia were strongly induced along with maturation of leaves, whereas the two α-type CAs (BsCAαs) were suppressed. The two BsCAβs existed as a dimeric form in vivo but showed differential localization; BsCAβ2 localized to the plasma membrane in both Bienertia and Arabidopsis, a heterologous plant, via palmitoylation whereas BsCAβ1 to the cytosol in both plants. Thus, we propose that two BsCAβs localized to the plasma membrane and cytosol function together to efficiently convert cytosolic CO2 into HCO3- as part of the CCM, thereby contributing to the single cell C4 photosynthesis in Bienertia.