Elucidation of the regulatory mechanism underlying vascular cambial activity via the integration of multiple signals during plant secondary growth

Abstract

식물은 후기 발달 과정에서 일어나는 2차 생장(Secondary growth) 을 통해 관다발 조직인 물관 및 체관의 발달을 크게 촉진시키며 그 구조를 더욱 견고하게 함으로써 관다발을 통한 다양한 산물의 수송 능력을 증대시키고 식물체의 무게를 지탱한다. 이러한 2차 생장은 물관과 체관 사이에 존재하는 형성층(Vascular cambium) 조직에서 세포 분열이 빠르게 발생하고 분열된 세포가 이어서 관다발 세포로 분화함으로서 일어나며, 늘어난 관다발 조직으로 인해 식물의 두께 생장이 크게 증대되는 결과를 가져온다. 또한 형성층의 활성도, 즉 형성층 세포의 분열과 분화 능력은 식물 발달 시기 및 다양한 환경적 요인에 따라 매우 견고하게 조절되며 다양한 식물 호르몬 및 펩타이드 신호 전달계가 이러한 조절 과정에 긴밀히 관여한다고 알려져 있다. 하지만 이들 신호 전달 물질의 중추적인 역할에도 불구하고 각기 신호 전달 과정이 서로간에 어떠한 방식으로 연결되고 상호 작용하여 형성층 활성도를 조절하는지는 구체적으로 밝혀져 있지 않다. 식물 호르몬 중 옥신은 거의 모든 식물 발달 과정에 관여하며 배아 단계 시 관다발의 초기 형성 뿐만 아니라 이후 2차 생장 과정 동안 형성층의 세포 분열 및 분화 과정의 촉매제로서 그 기능이 잘 알려져 있다. 하지만 흥미롭게도, 옥신 신호 전달계에서 하위 전사 인자로 기능하는 MONOPTEROS(MP) 는 옥신의 기능과는 반대로 2차 생장 동안 형성층의 활성도를 억제하는 역할을 한다는 것이 최근에 밝혀졌다. 이러한 결과는 옥신 신호 전달계에 의한 형성층 활성도 조절이 매우 복잡한 방식으로 일어나며, 옥신 전사 인자 간 특이적 기능 연구에 대한 필요성을 제시한다. 그 중 상위 신호인 옥신과는 달리 형성층 활성도를 저해하는 MP의 특이적 기능에 대하여 구체적으로 어떠한 조절 인자가 어떻게 관여하는지, 더 나아가 이러한 조절 작용이 다른 다양한 형성층 조절 신호와는 어떠한 방식으로 상호 작용하는 지에 대해서는 알려진 바가 없다. 본 연구에서는 GLYCOGEN SYNTHASE KINASE 3(GSK3) family 중 하나인 BIN2-LIKE 1(BIL1) 이 MP의 기능과 기존에 형성층 활성도 촉진에 중요한 역할을 담당한다고 밝혀진 다른 식물 호르몬 사이토카이닌, 그리고 펩타이드 수용체인 PHLOEM INTERCALATED WITH XYLEM(PXY) 사이에 연결 고리를 제공한다는 것을 확인하였다. 구체적으로 BIL1은 MP단백질과 직접 결합하여 인산화를 유도하였으며, 이러한 인산화는 MP를 억제하는 단백질 IAA12과 MP와의 결합을 저해시킴으로써 MP의 전사 인자 능력을 증가시키는 것을 확인하였다. 또한 BIL1에 의한 MP의 인산화 잔기를 돌연변이 하여 식물체 내에서 인산화된 MP를 모방하였을 때 사이토카이닌 신호 전달계에서 저해 인자로 기능하는 A-type RESPONSE REGULATOR 7(ARR7) 과 ARR15의 발현이 크게 증가하였고 이러한 ARR7/15의 발현 증가는 실제로 식물 형성층의 세포 분열 및 분화를 크게 억제시킨다는 것을 확인하였다. 이는 BIL1에 의한 MP 의 인산화가 MP의 형성층 저해인자로서의 기능에 매우 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. 이와 더불어 형성층 활성도를 촉진한다고 알려진 PXY는 반대로 BIL1 과의 직접 결합을 통해 MP의 인산화와 전사 기능을 감소시켰으며 그에 따른 ARR7/15의 발현을 억제시킨다는 것을 알 수 있었다. 종합적으로, BIL1에 의한 MP 인산화는 사이토카이닌 신호 전달계를 저해함으로서 형성층의 활성도를 낮추고, 이러한 조절 경로는 PXY신호에 의해 다시 억제됨으로써 사이토카이닌 신호와 형성층이 재 활성화 된다는 것을 보여준다. 이러한 BIL1의 역할은 다양한 신호들 사이에서 일종의 가교로써, 이들 신호의 네트워크를 구성하여 형성층의 세포분열을 조절한다는 것을 보여준다. 또한 지금까지 이해되지 않았던 형성층 저해인자로서의 MP 특이적 기능이 옥신이 아닌 다른 신호에 의해 활성화 되어 하위 유전자를 조절할 수 있음을 보여주었다. 본 연구에서 발견한 형성층 신호 전달 네트워크는 흥미롭게도 다른 조직의 줄기세포 조절 기작과 관련 신호 인자가 공통적으로 기능한다는 점에서 매우 유사하지만 이들의 조절 방향 및 역할은 차이를 보이는 것을 확인하였다. 이는 식물에서 다양한 줄기세포 조절 기작이 보존성과 특이성을 동시에 가지고 있고, 이는 곧 식물이 여러 조직과 발달 시기에서 줄기세포의 활성도를 간단하면서도 효율적인 방식으로 조절하고 있음을 보여주는 연구 결과라고 생각한다. 또한 형성층 활성화에 의해 촉진되는 식물의 2차 생장은 식물의 부피 생장을 증대시키는 주요 단계이므로 본 연구를 통해 얻은 결과를 줄기 및 뿌리에서 바이오매스를 생산하는 작물 개발에 적용함으로써 사회에 이로운 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대한다.