유전자 수준에서 식물이 몸을 만드는 공통의 원리를 규명한다.

연구 개요

지구에는 30만 종 이상의 육상식물이 서식하고 있으며, 지구상의 바이오매스(생물체 무게)의 약 80%를 육상식물이 차지하고 있다고 한다. 육상식물에는 꽃을 피우는 자웅동체 식물 외에도 삼나무, 소나무 등 자웅동체 식물, 씨앗이 아닌 포자로 번식하는 양치류와 소엽식물, 그리고 관다발을 갖지 않는 이끼류가 포함된다. 최근 분자 계통 분석에 따르면 현생 육상 식물은 모두 약 5억 년 전 녹색 조류에서 갈라져 나온 단일 공통 조상으로부터 유래한 것으로 밝혀졌다. 그렇다면 육상 식물의 공통 조상은 도대체 어떤 생물이었을까요? 안타깝게도 그 시대의 식물 형태를 알 수 있는 화석은 아직 발견되지 않았기 때문에 이 질문에 대한 답을 직접적으로 알 수 있는 방법은 없습니다.

그러나 생물의 진화 역사는 유전자(DNA 염기서열)에 새겨져 있으며, 현생종의 몸 만들기(발생) 메커니즘과 DNA 염기서열을 비교함으로써 공통 조상의 특징을 추측할 수 있습니다. 우리 연구실에서는 육상식물 진화의 가장 기저에서 다른 계통과 구분되는 이끼식물에 속하는 제니이끼를 주요 실험 재료로 발생 메커니즘을 유전자 수준에서 규명하는 것을 통해 육상식물에 공통적으로 나타나는 발생 조절 메커니즘을 이해하고자 노력하고 있습니다. 지금까지의 연구는 식물 호르몬의 일종인 옥신에 주목하여 옥신 반응 기작의 기원과 진화에 대한 분석을 진행하였습니다.

연구의 특징

자손식물에서 옥신은 뿌리, 잎, 꽃 등의 기관 형성, 혈관 다발 패턴 형성, 빛과 중력에 따른 굴곡 반응 등 생활권 전체에서 발생과 성장을 조절하며, 제초제 및 발근 촉진제로 농업적으로도 널리 이용되고 있습니다. 농업을 비롯한 산업적으로 이용되는 식물의 대부분이 자엽식물이기 때문에 과거 옥신 연구는 대부분 자엽식물을 대상으로 진행되어 왔다. 그 결과 옥신 반응이 주로 ARF라는 단백질을 매개로 한 유전자 발현 조절에 의해 이루어진다는 것이 밝혀졌지만, 한편으로 자엽에서는 옥신 반응에 관여하는 유전자의 수가 매우 많다는 것이 연구의 걸림돌로 작용했습니다(예: 벼는 25개의 ARF 유전자를 가지고 있습니다). 또한 옥신 반응 메커니즘이 언제, 어떻게 획득되었는가? 라는 진화론적 과제도 미해명된 채로 남아 있었습니다. 그래서 우리는 2008년 당시 새로운 실험모델로 개발이 진행 중이던 제니고케(그림 1)를 이용한 연구를 시작했다. 제니이끼는 빠른 성장, 배양 용이성, 유전자 재조합 효율이 높다는 장점에 더해, 예비 분석 결과 유전적 중복성이 낮을 것으로 추정되어 옥신 연구의 새로운 모델로 유용하다고 판단했습니다.

연구의 매력

우리는 제니이끼를 모델로 한 실험을 통해(그림 2), 제니이끼가 ARF를 가진 세 종의 자손 식물과 공통적이지만 가장 작은 옥신 반응 메커니즘을 가지고 있음을 밝혀냈으며, 세 종의 ARF의 기본적인 기능의 차이도 밝혀냈습니다 [1,2]. 이 성과는 옥신 반응 메커니즘이 5억 년 전에 살았던 육상 식물의 공통 조상에서 이미 확립되었다는 것을 의미한다. 이후 OneKP라는 1,000종이 넘는 식물 종의 유전자 염기서열 데이터베이스를 이용한 포괄적인 분석을 통해 ARF가 조상 조류에서 유전자 융합을 통해 만들어졌고, 육상 식물의 공통 조상에서 ARF의 활성을 조절하는 스위치로 옥신 수용 메커니즘이 후대에 추가되었다는 것을 밝혀냈습니다. 밝혀졌습니다[3]. 또한 육상식물 진화 과정에서 양치식물과 종자식물의 공통 조상에서 옥신 반응 기작이 복잡해지기 시작했고(그림 3), 그 결과 유전자 발현 반응의 종류와 진폭이 증가했음을 여러 양치식물과 이끼식물을 이용한 실험으로 보여주었다[3]. 이처럼 우리 연구는 현재 살아있는 식물 종을 실험에 사용하지만, 그 결과를 종 간 비교함으로써 수억 년의 진화 과정에서 일어난 사건에 접근할 수 있습니다. 우주, 심해, 공룡 등 사람들은 자신이 닿을 수 없는 세계를 동경하게 되는데, 우리 연구도 이러한 분야에 대한 로망이 있다고 생각합니다.

[1] Kato H, et al. 2015. Plos Genetics ( https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1005084 )
[2] Kato H, et al. 2020. Nature Plants（https://doi.org/10.1038/s41477-020-0662-y）
[3] Mutte SK, Kato H, et al. 2018. eLife ( https://doi.org/10.7554/eLife.33399 )

향후 전망

현재 지금까지의 제니이끼를 이용한 옥신 연구를 바탕으로 여러 연구 주제를 병행하고 있는데, 그 중 하나는 이끼 식물과 양치식물의 비교 분석을 통해 발견한 육상 식물에 공통적으로 존재하는 옥신 반응 유전자를 분석하는 것입니다. 옥신 반응 메커니즘 자체는 특정 유전자군을 활성화시키는 스위치에 불과하며, 앞으로는 스위치 너머에서 세포의 형태와 물리-화학적 성질을 변화시키는 메커니즘을 이해하고자 합니다. 또 다른 주제는 무성생식을 위한 기관인 배지체-무성싹(그림 4)을 형성하는 메커니즘을 규명하는 것이다. 이 기관은 제니고케와 그 근연종에 특유한 기관이지만, 최근 연구에서 그 조절에는 옥신을 포함한 육상 식물에 공통적으로 작용하는 호르몬이 작용하는 것으로 밝혀져 육상 식물에 공통적으로 작용하는 발생 조절 메커니즘을 규명할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 또한 제니이끼를 포함한 모델생물은 다른 종과 마찬가지로 진화 과정에서 특수화된 생물이기 때문에 공통된 원리를 이해하기 위해서는 더 많은 식물 종을 이용한 실험이 필요하다고 생각합니다. 향후에는 이끼 식물과 자손 식물로 나뉘는 소엽 식물이나 양치식물을 이용한 실험에도 도전하고 싶습니다.

이 연구를 희망하는 사람들에게 메시지

연구는 선배들이 쌓아놓은 큰 지식의 산을 오르고 그 위에 새로운 한 단을 쌓아가는 활동으로, 기본적으로 꾸준한 작업의 반복을 통해 발전해 나가는 것입니다. 이러한 연구 활동을 뒷받침하는 가장 큰 원동력은 미지의 것을 보고 싶고 알고 싶은 호기심이라고 생각합니다. 최근 염기서열 분석 기술의 발달로 이제는 어떤 생물이라도 게놈(전체 유전자의 DNA 염기서열)을 해독할 수 있는 시대가 도래하여, 지금까지 유전자 수준에서 연구하기 어려웠던 생물종도 쉽게 연구할 수 있는 시대가 되었습니다. 식물의 형태는 어떻게 결정되는가? 그 구조가 진화 과정에서 어떻게 획득되고 변화해 왔는가? 라는 의문에 도전해보고 싶은 분, 좋아하는 식물의 이곳이 신기하다! 라는 열정을 가진 분들과 함께 연구하고 싶습니다.

보다 자세한 연구 성과는 연구실 홈페이지에 게재되어 있으니, 꼭 한 번 방문해 보시기 바랍니다.