Transcript 의한_작물의_대사작용
저온에 의한 작물의 대사작용 벼 육종재배과 김기영 목차 • 저온 순화(cold acclimation)란 ? • 저온 순화와 내동성 • 저온 유도성 유전자의 분리 및 기능 • 식물의 저온 신호 전달 경로 • 저온 유도성 promoter와 Transcription Factors • 저온 반응의 유전학적 연구 • 항산화 효소의 변화 • 벼 냉해 관련 연구 저온 순화(cold acclimation)란 ? 결빙 온도가 아닌 저온의 환경조건을 식물이 감지하여 이에 반응하는 것 - 저온순화하지 않은 호밀은 -5℃에 얼어죽지만 일정기간 저온에 노출된 후에는 -30 ℃에서 생존 저온 순화와 내동성 식물조직의 동해 Cold(Signal) • 세포간 결빙에 의한 세포내 탈수 (Dehydration) • 원형질막 구성 지방산 조성의 차이 • 활성산소에 의한 식물 지질막의 손상 • 세포밖 공간에 형성된 얼음이 세포를 물리적으로 파괴 • 저온 유도 단백질의 변성이 세포의 대사에 이상 식물세포의 원형질체막 파괴 저온 순화시 일어나는 식물의 대사적 변화 원형질체 막의 안정화 ( 방어기작 ) • 원형질체 막의 지질 조성의 변화 (구성지방산의 불포화도 증가로 원형질체 막의 유지) • 당의 축적으로 인한 막의 손상 방지 • 친수성 아미노산의 증가로 인한 막손상 방지 - PAL(Phenylalanine ammonia lyase) - CQT(hydroxycinnamoyl CoA quinate hydroxycinnamoyl transferase ( continuous ) • 활성산소 작용 억제의 항산화 기작의 활성화 • 세포밖 공간내의 당함량 증가 • 세포밖 공간의 Antifreezing Protein 함량증가로 인한 결빙 억제 • 세포내 삼투조절제(Proline 등)의 합성과 축적에 의한 탈수억제 저온 유도성 유전자의 분리 및 기능 • Cold acclimation시 유전자 발현 보고(Guy 1985) 이후 • 저온 유도성 유전자 분리 및 이들의 내동성 기작에서의 역할 연구 진행 ( Arabidopsis, 밀, 시금치, 호밀, alfalfa 등) Cor(cold responsive), cas(cold acclimation-specific), lti(low temperature induced), csp(cold shock shock protein) 명명 - FAD8(fatty acid desaturase, Arabidopsis) : 지질의 불포화도를 증가시켜 막의 내동성을 증가 - Hsp70(시금치), Hsp90(유채) 단백질 : 결빙온도에 의해 변성된 단백질 안정 - PR(Pathogenesis-related) Protein(호밀, 보리 등) : 세포밖 공간의 반결빙 단백질 - mitogen-activated protein(MAP) kinase, MAP kinase14-3-3 protein : 저온 유도성 유전자발현 및 단백질 활성을 조절 내동성 증가 - LEA(Late embryogenesis abundant) protein : 식물의 배발생과정 후기에 건조스트레스 내성에 관여 하며, 친수성 단백질로서 소수의 아미노산으로 구성 • Arabidopsis COR15a : 15KDa 단백질 유전자로 엽록체의 stroma 에 이동하여 9.4KDa의 친수성이 아주 강한 최종 단백질 형성. 이 단백질은 alanine, lysine, glutamic acid, aspartic acid가 전체의 64% 를 형성 • Alfalfa cas15 : 15KDa 단백질 유전자로 glutamic acid, glycine, histidine, lysine이 전체구성 아미노산의 68%를 차지하는 친수성 단백질형성. • Wheat wcs120 : 38KDa WCS120 단백질 유전자로 친수성이 강 하며 내열성이 강하다. glycine, histidine, threonine이 전체 아미노 산의 54%를 차지 • Barley HVA1 : 22KDa HVA1 단백질 유전자로 alanine, lysine, threonine이 전체 아미노산의 53%를 차지 저온순화시 발현되는 유전자 및 발현물질 Plant Arabidopsis thaliana Gene Homologs (alternate designation) (alternate designation) Gene product Gene Homologs (alternate designation) (alternate designation) ERD6 Sugar transporter TCH3 FAD8 ω -3 Desaturase Hsp90 ADH Alcohol dehydrogenase BN59 TCH4 Xyloglucan endotarnsglucosylase BnPEPCK Transcription factor btg-26 CBF1 (DREB1B) CBF2 (DREB1C) CBF3 (DREB1A) MEKK1 Mitogen-activated protein kinase kinase kinase Mitogen-activated protein kinase MPK3 PK19 BnC24A blt4.1 CCR1 CCR2 RNA binding protein blt63A RCI1A RCI1B 14-3-3 Protein CIC PLC1 TCH2 Phosphatidylinositolspecific phospholipase C Calmodulin-related protein Calmodulin-related protein Heat shock protein ATPase(70-kDa subunit) Phosphoenol-pyruvate carboxykinase Aldehyde dehydrogenase BnC24B blt801 Ribosomal S6 kinase Gene product 60S ribosomal protein L13 RNA binding protein blt4.2, blt4.6 blt4.9 PRP2 Lipid transfer protein Translation elongation factor-1α Proline-rich cell wall protein Hsc70-12 Heat shock protein wcor518 Proline-rich protein ( continuos ) Plant Gene Homologs (alternate (alternate designation) designation) Arabidopsis COR6.6 thaliana (KIN2) COR15a Brassica napus Hordeum vulgare Hydrophilic B. napus BN28 COR15b Hydrophilic B. napus BN115 BN19, BN26, Hydrophilic S. oleracea CAP160 RD29B (LTI65) RC12A RC12B BN28 blt14 COR14 CR1 blt101 Cold-regulated orthologs/Similar genes KIN1 COR78 (RD29A, LTI78) BN115 Gene product Gene Hydrophilic T. aestivum Wcs19 Hydrophilic Hydrophilic Homologs Gene product (alternate (alternate designation) designation) Medicago CORa sativa ESIPa CAS15a Spinach CAP160 oleracea BN19, BN26 Hydrophilic Arabidopsis Triticum wcs19 aestivum COR15a Hydrophilic Arabidopsis COR6.6 tacr7 blt14.1, bit14.2 Hydrophilic BLYCLDAA Hydrophilic H. vulgare BLT101 Plant GRPs Cold-regulated orthologs/Similar genes Hydrophilic Hydrophilic CAS15b, CAR1 Hydrophilic Hydrophilic Arabidopsis COR78 Hydrophilic Hydrophilic 저온순화시 LEA proteins를 암호화하는 유전자 Plant Arabidopsis thaliana Hordeum vulgare Gene (alternate designation Homologs (alternate designation) Plant Gene (alternate designation Homologs (alternate designation) Gene product LEAⅡ Poncirus trifoliata COR19 COR11 LEAⅡ RAB18 LEAⅡ Prunus persica PCA60 LEAⅡ LTI30(XER02) LEAⅡ Solanum tuberosum ci7 LEAⅡ ERD14 LEAⅡ Triticum aestivum wcs120 COR39(wcs66) LEAⅡ Dhn5 LEAⅡ wcor726 wcor80 LEAⅡ HVA1 LEAⅢ cor410 cor410b, cor410c LEAⅡ wcor615 LEAⅢ bbdhn1 LEAⅡ COR47(RD17) LTI29(ERD10) Medicago sativa cas18 Spinach oleracea CAP85 cas17 Gene product LEAⅡ Vaccinium corymbosum LOS 2 Gene 확인 : 저온저항성 유전자와 밀접한 관계를 갖은 유전자(애기장대) 식물의 저온 신호 전달 경로 Cold, drought, salinity 중간신호전달자 Fig. A generic Pathway for the Transduction of cold, drought, and salt stress signals in pathway Examples of signaling components in each of the steps are shown (for more detailed information, see Xiong and Zhu, 2001). Secondary signaling molecules can cause receptor-mediated Ca2+ release (indicated with a feedback arrow). Examples of signaling partners that modulate the main pathway are also shown. These partners can be regulated by the main pathway. Signaling can also bypass Ca2+ or secondary signaling molecules in early signaling steps. GPCR, G-protein coupled receptor; InsP, inositol polyphosphates; RLK, receptor-like kinase. Other abbreviations are given in the text. 식물의 저온 감지 및 신호 전달 • 저온 Ca2+의 세포내로의 이동 및 증가 (Arabidopsis, alfalfa ) • Oxidative stress, • heat shock, • hyperosmotic stress Cas 유전자 발현 단백질 인산화 내동성 증진 Cas 발현 저해제 Calcium chealator인 BATPA, Calcium channel blocker Calmodulin antagonist Calcium/calmodulin - dependent protein kinase inhibitor 저온 유도성 promoter와 Transcription Factors 전사과정 : 저온 유도성 프로모터의 염기배열 비교분석과 기능성 분석 - COR gene(Arabidopsis) : TACCGACAT(DRE) CCGAC(CRT : C repeat) : 저온, 한발, 고염 LTRE(low temperature regulatory element) : promoter * 저온 유도성 Promoter인 DRE/CRT 염기배열에 결합하는 24KDa에 달하는 CBF 1(Arabidopsis)유전자 분리 * CBF 1은 Arabidopsis 에서의 지속적 발현은 저온처리 없이 COR 유 전자를 저온신호에 따라서 전사수준에서 발현을 유도하는 전사요소 로 확인 저온 반응의 유전학적 연구 Arabidopsis의 돌연변이를 통해 분리된 내동성 연관 돌연변이 - SFR(Sensitive to freezing) : 5종의 alleles • sfr 1 : 어린잎 • sfr 6 : 모든잎, 특히 어린잎에 심한영향 • sfr 2, 5 : 지방산 조성의 변화, 당과 안토시안니의 증가 • sfr 4 : sucrose, glucose, anthocyanin 그리고 불포화지방산 감소 - 지속적인 내동성을 보이는 돌연변이(esk1: eskimo1) • Esk1 변이식물 : 정상식물에 비해 30배 이상의 Proline를 축적 sucrose 농도 2배 증가 를 통한 내동성 향상 항산화 효소의 변화 저온 조직내 Oxidative stress 유도 ROS(reactive oxygen species) • Superoxide(O2-) • hydrogen peroxide(H2O2) • hydroxyl radicals(OH) 등 세포막, 기관의 손상 항산화 효소 항산화 물질 • SOD(superoxide dismutase) • Ascorbate • CAT(catalase) • Glutathione • POX (peroxidase) • B-Carotine - APX(ascorbate peroxidase) • a - tocoperol ROS 방지 • Alfalfa : SOD overexpression increases the winter survival (Makersie et al., 1999) • Activities of catalase and ascobate peroxidase are lowst in chilling sensitive maize(Hodges et al., 1997) • SOD 및 APX활성은 옥수수의 내동성활성을 증진(Pinhero et al, 1997) • CAT 및 APX는 벼 내냉성 품종이 감수성 품종보다 잎조직에서 증가 (Kuk et al., 2002) 벼 냉해 관련 연구 냉해의 정의 작물의 조직내에 결빙이 생기지 않는 범위의 온도에 의하여 받는 피해를 냉온장해라 하고 고온을 필요로 하는 하작물의 생육기간 중에 냉온을 만 나 입는 피해를 냉해라 함. Fig. 여름철에 발생하여 큰 피해를 주는 냉해는 주로 북서쪽 시베리아 기단(1971년 냉해) 또는 북동쪽 오호츠크기단 (1980년, 1993년 냉해)이 남하하면서 발생하는 낮은 온도에 의해 작물의 생육이 지장을 받는 현상 지연형냉해의 피해양상 지연형냉해의 피해양상인 등숙불량은 직접으로는 등숙기의 저온에 의한 것이지만 그 원인은 출수가 늦기 때문이다. 냉온에 의해 이앙후 뿌리내림과 초기생육이 늦어졌을 경우 및 냉온에 의해 어린이 삭 발육이 늦어져 출수가 늦어지는 것들이 모두 지연형냉해의 현상들 이다. 장해형냉해의 피해양상 저 온 소포자 및 타페트 세포의 초기이상 소포자 및 타페트 세포의 이상 타페트 세포에서 소포자로 물질전류의 저해 소포자 발육의 저해 타페트 세포의 당농도 및 팽압의 증대 소포자 발육의 저해 화분형성 및 발육의 저해 약의 불개열 저해 불수정 저온에 의한 불임발생 경로(벼) 혼합형 냉해의 피해양상 년도별 벼 냉해 피해 면적 연도 1966 1967 1968 1969 1971 1972 1975 1976 1980 1984 1988 1993 피해면적(천ha) 9 2 7 36 176 14 1 9 783 1 11 208 비율(%) 0.7 0.2 0.6 2.9 14.1 1.1 0.1 0.7 64.2 0.1 0.9 18.3 우리나라 벼 냉해 우려지 현황 구 분 면적(천ha) 비율(%) 표고 200m 이상 76 6.5 냉조풍지대 14 1.2 냉수 용출답 34 2.9 냉수 유입답 58 4.8 음지답 56 239 4.7 20.1 계 벼 생육시기별 냉온장해 온도와 냉해현상 생육시기 최적온도 (℃) 30~32 15~30 26~33 장해온도 (℃) 15 13 15 어린이삭 형성기 및 감수분열기 20~33 17 파종 및 이앙기 지연 발아 및 생육불량 이앙지연, 이앙후 활착 불량 생육지연, 적고, 가지치기 숫자 감소, 어린이삭 발달 지연 출수지연, 불임유발, 꽃가루 발육장해 출수기 21~30 15 출수지연, 개화지연, 수정불량, 불임유발 등숙기 19~27 14 등숙불량, 등숙지연, 미질저하 못자리 이전 못자리 기간 이앙기 본답초기~가지치기 종료 냉혼장해 및 냉해 현상 고품질 내냉성 품종육성 및 기초연구 • 유전자원 수집 및 개발 • 내냉성 검정법 확립 • 내냉성 유전자 분석 및 집적 • 미질 및 내냉성 유전자간의 상호작용 연구 • 유전자원 수집 내냉성이 강한 주요 장려 품종 운봉벼 신운봉벼 화동벼 대안벼 오대벼 조령벼 상풍벼 상남밭벼 진부벼 화성벼 삼천벼 동진1호 소비벼 신동진벼 대립벼 평양3호 용성 6호 해방1호 원산 28호, 평양18, 용성 7호 염주 14호 원산 66호 평양20 용성12호 함남15호 원산67호 평양33호 서해찰 함남 29 원산 69호 등 • 유전자원 개발 - mutagen 처리 내냉성 검정법 확립 • 3개작시 장기냉수흘려대기 - 품종육성에 활용 • 시설이용 검정 - 현재까지 미비 • Nononic acid 처리 및 esterase 활용(IRRI) 내냉성 유전자 분석 및 집적 내냉성의 유전양식 • 내냉성은 완전우성이고 유전자의 상가적 효과를 가진 7개 이상의 유전 자에 의하여 지배되며 유전력은 비교적 높음(烏山 등., 1960) • 내냉성을 지배하는 유전자는 4개 이상이고 몇 개의 우성유전자에 의한 양적형질(Futsuhara 등., 1966, 1971) • 적고현상은 단순열성유전자에 지배(Chung, 손 등., 1979, 1979) • QTL mapping • 중간모본육성 및 품종 육성 - 지속적인 여교잡 및 검정 미질 및 내냉성 유전자간의 상호작용 연구 - 냉수처리시 단백질 함량의 증가 미질에 영향 (북해도 농업시험장) - 국내 연구 미비 - 내냉성 및 미질의 관련형질 분석(수행중) - 효소 및 단백질 활성의 변화 및 RIL 육성을 통한 QTL mapping 인용문헌 Thomashow M. F. 1999 Plant cold acclimation : Freezing tolerance genes and regulatory mechanisms. Annu.Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 50 : 571-599 Xiong L., Schumaker K. S. and Zhu J. K. 2002. Cell Signaling during Cold, Drought, and Salt Stress. The Plant cell supplement 165-183.