벼의 개화를 조절하는 phytochrome과 CONSTANS-like 유전자의 기능 연구

Abstract

개화 시기의 정확한 조절은 종자 식물이 다양한 환경에 적응함에 있어서 매우 중요하다. 개화를 조절하는 분자적인 기작은 애기장대와 벼에서 많이 연구되어 왔다. 애기장에서는 GI가 CO를 촉진하고, 다시 CO는 FT의 발현을 촉진한다. GI는 광수용체와 생체 내 시계로부터 온 신호를 통합한다. 한편, CO 단백질은 청색광에 의해 안정화되는 반면, 적생광에 의해 분해된다. 벼에는, GI, CO, FT의 이종 상동성 유전자인 OsGI, Hd1, Hd3a가 각각 알려져 있다. 애기장대와 유사하게 OsGI는 Hd1을 조절하지만, Hd1은 애기장대의 CO와는 다르게 개화를 조절함에 있어서 두 가지의 기능을 가진다. Hd1은 Hd3a의 발현을 조절함으로써 장일 조건에서는 개화를 억제하는 반면, 단일 조건에서는 개화를 촉진한다. Hd3a는 또한 Hd1과는 독립적으로 작용하는 유전자인 Ehd1에 의해 조절되기도 한다. Ehd1은 장일 조건과 단일 조건 모두에서 개화 촉진자로 작용한다. Ehd1은 애기장대에는 이종 상동성 유전자가 존재하지 않으며, 벼에 존재하는 여러 가지의 개화 조절자들에 의해 발현이 조절된다. 먼저, OsMADS51은 OsGI에 의해 조절되며, 단일 조건에서 Ehd1의 상위에서 개화 촉진자로 작용한다. OsID1/Ehd2/RID1도 Ehd1의 발현을 촉진하며, 단일 조건과 장일 조건 모두에서 개화를 촉진한다. 애기장대 SOC1에 대한 상동성 유전자인 OsMADS50과 OsMADS56은 장일 조건에서 각각 개화 촉진자와 억제자로 작용한다. 먼저, 나는 벼의 CONSTANS-like (COL)유전자 중의 하나인 OsCOL4의 개화 조절 기작을 연구하였다. OsCOL4 유전자가 결손된 (oscol4) 식물체는 단일 조건과 장일 조건 모두에서 야생형과 비교해서 개화가 빨라지는 표현형을 보였으며, 이와는 대조적으로 OsCOL4 유전자가 과다발현된 (OsCOL4-D) 식물체는 두 가지의 조건 모두에서 야생형과 비교해서 개화가 늦어지는 표현형을 나타냈다. 이 두 가지의 돌연변이 개체에서 개화를 조절하는데 관련된 주요 유전자들을 관찰한 결과, oscol4 돌연변이에서는 Ehd1, Hd3a, RFT1의 발현이 증가한 반면, OsCOL4-D 돌연변이에서는 세 유전자의 발현이 감소하였다. 이 결과는 OsCOL4가 Ehd1의 상위에서 작용하는 개화 억제자라는 것을 나타낸다. 이와는 달리, oscol4와 OsCOL4-D 돌연변이에서 Hd1, OsID1, OsMADS50, OsMADS51, OsMADS56 등의 발현은 유의성 있는 변화를 보이지 않은 것으로 보아, OsCOL4는 이 유전자들이 조절하는 개화 경로와는 독립적으로 작용하는 것을 알 수 있었다. 또한 OsphyB 유전자가 결손된 (osphyB) 돌연변이에서 OsCOL4의 발현이 감소하였고, osphyBoscol4 이중 돌연변이의 개화 표현형이 osphyB 돌연변이의 표현형과 같았기 때문에 나는 OsCOL4가 OsphyB의 하위에서 작용한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 나는 광중단 실험을 통해서 OsphyB가 두 개의 독립적인 경로를 통해서 개화 시기를 조절하는 것을 관찰할 수 있었다. 그 경로 중 하나는 OsCOL4가 관여하지 않는 경로인 광중단 효과에 반응하는 경로이며, 다른 하나는 OsCOL4가 관여하는 경로인 광중단 효과에 반응하지 않는 경로이다. 다음으로, 나는 벼의 개화 조절에 있어서 OsphyA의 기능을 밝히고자 하였다. 벼에는 OsphyA, OsphyB, OsphyC와 같이 총 세 개의 피토크롬이 있으며, 이들은 개화 조절에 관여한다. 이 중에서 OsphyB는 Ehd1의 발현을 억제하는 OsCOL4의 발현을 촉진한다. 개화 조절에 있어서 OsphyA의 기능을 밝히기 위해 나는 OsphyA 유전자가 결손된 (osphyA) 돌연변이와 OsphyA와 OsphyB가 동시에 결손된 (osphyAosphyB) 이중 돌연변이를 연구하였다. 이중 돌연변이는 단일 조건에서는 야생형과 비교해서 개화가 늦어졌으나, 장일 조건에서는 오히려 야생형보다 개화가 일찍 일어나는 표현형을 나타냈다. 이중 돌연변이에서 OsGI, Hd1, OsCOL4의 발현이 장일 조건과 단일 조건 모두에서 유의성 있게 감소하였다. 하지만, 이중 돌연변이에서 Hd3a의 전사량은 단일 조건에서는 감소하였으나, 장일 조건에서는 오히려 증가하였고, 이와 유사한 결과를 벼의 잎의 원형질체를 이용한 실험에서도 관찰할 수 있었다. 이러한 관찰 결과들은 OsphyA는 OsGI를 주로 조절하고, OsphyB는 OsCOL4를 주로 조절하여 벼의 개화 시기를 조절한다는 것을 나타낸다. 또한, OsMADS50, OsMADS51, OsMADS56의 발현이 이중 돌연변이에서 유의성 있는 변화를 보여주지 않았기 때문에 OsphyA와 OsphyB는 이들과 독립적인 경로를 통해서 개화를 조절한다는 것을 나타낸다.

The precise regulation of flowering time is important for spermatophytes to adapt to various environments. To enhance fitness, plants produce the highest number of different species that survive, mature, and propagate by turns, thereby passing on their genes. Molecular mechanisms that control flowering time have been extensively studied in Arabidopsis and rice. In the former, GIGANTEA (GI) activates CONSTANS (CO) which promotes FLOWERING LOCUS T (FT) expression. GI merges signals from photoreceptors and the circadian clock. CO protein is stabilized by blue light but degraded by red light. The rice orthologs of GI, CO, and FT are OsGI, Hd1, and Hd3a, respectively. Similar to Arabidopsis, OsGI controls Hd1 which has a dual function in flowering regulation. Hd1 suppresses flowering under long days (LD), but promotes it under short days (SD) by influencing the expression of Hd3a, which is also modulated by Ehd1 and functions independently of Hd1. Ehd1 works as an activator of flowering under both SD and LD. OsMADS51, which is controlled by OsGI, serves as an activator of flowering upstream of Ehd1 under SD. OsID1/Ehd2/RID1, which induces the expression of Ehd1, promotes flowering under both SD and LD. OsMADS50 and OsMADS56, which are homologues of Arabidopsis SOC1, function as a flowering activator and repressor, respectively, under LD conditions.First, the function of OsCOL4, a member of the CONSTANS-like (COL) family of rice, was investigated. OsCOL4-null mutants flowered early under SD or LD. In contrast, OsCOL4 activation-tagging mutants (OsCOL4-D) flowered late under both conditions. Transcription of Ehd1, Hd3a, and RFT1 increased in the oscol4 mutants but was reduced in the OsCOL4-D mutants. This indicates that OsCOL4 is a constitutive repressor that functions upstream of Ehd1. By comparison, the levels of Hd1, OsID1, OsMADS50, OsMADS51, and OsMADS56 transcription did not significantly change in the oscol4 or OsCOL4-D mutants, suggesting that OsCOL4 functions independently from previously reported flowering pathways. In osphyB mutants, OsCOL4 expression was decreased and osphyB oscol4 double mutants flowered at the same time as the osphyB mutant, indicating that OsCOL4 functions downstream of OsphyB. This report also presents evidence for two independent pathways through which OsphyB controls the flowering time. These pathways are (1) night break-sensitive which is not dependent on OsCOL4

and (2) night break-insensitive in which OsCOL4 functions as an intermediate molecule between OsphyB and Ehd1. Secondly, the role of OsphyA in the flowering of rice was investigated. In rice, all three phytochrome genes, OsphyA, OsphyB, and OsphyC, are involved in controlling flowering time. OsphyB activates OsCOL4, which represses the expression of Ehd1. To investigate the role of OsphyA, osphyA single and osphyAosphyB double mutants were studied. The double mutants flowered later than wild-type (WT) plants under SD but bolted earlier than WT plants under LD. Transcription of OsGI, Hd1, and OsCOL4 was significantly reduced in the double mutants under both conditions. However, Hd3a mRNA levels were reduced under SD but increased under LD in the double mutants. Similar results were observed through the quantitative β-glucuronidase (GUS) activity assay. These findings indicate that OsphyA and OsphyB cooperatively modulate flowering time by regulating the expression of OsGI and OsCOL4. Levels of OsMADS50, OsMADS51, and OsMADS56 transcripts were not significantly changed in the double mutants, suggesting that OsphyA and OsphyB worked independently of these regulators. The results from this study demonstrate that OsphyA preferentially modulates OsGI and OsphyB mainly regulates OsCOL4.