잎 조직의 발달 단계별 전사체 비교를 통한 Bienertia sinuspersici의 single-cell C4 광합성 대사경로 규명 연구

Abstract

The plant species known as Bienertia sinuspersici has a unique type of photosynthesis called single-cell type C4 photosynthesis (SCC4), which is different from the traditional Kranz-cell C4 system. In SCC4, the process of photosynthesis occurs in a single cell without Kranz anatomy found in other C4 plants. It involves the initial fixation of CO2 in the cytosol, the release of CO2 in the mitochondria, and the second fixation of CO2 in the central chloroplasts. The main focus of this study is to understand how the various mechanisms involved in these processes, which take place in three different compartments, are coordinated to establish the C4 pathway in Bienertia sinuspersici. Through transcriptome analysis at three different stages of leaf maturation, this study found that genes involved in the SCC4 cycle are coexpressed with those associated with cyclic electron flow and amino/organic acid metabolism. By comparing gene expression profiles of Bienertia sinuspersici with other related species (Suaeda aralocaspica, Amaranthus hypochondriacus, and Arabidopsis thaliana), the direction of metabolic flux may be determined by changes in energy supply in peripheral chloroplasts and mitochondria. This regulation is achieved through the expression of specific genes involved in these processes, favoring the direction of the C4 cycle. Based on these findings, the current understanding suggests that regulating energy metabolism to maintain the redox balance of energy molecules is a key process in establishing the SCC4 pathway in Bienertia sinuspersici. Present study also revealed a connection between the redox balance of the malate valve system in C3 species and the mitochondrial part of the SCC4 system. This research provides insights into the intricate processes and coordination required for the functioning of the SCC4 pathway in Bienertia sinuspersici, shedding light on the unique photosynthetic mechanisms of this plant species.

육상식물에서 발견되는 단일세포형 C4 광합성 (Single-cell C4 photosynthesis, 약칭 SCC4) 은 Mesophyll cell (M cell) 과 Bundle-sheath cell (BS cell) 로 나뉘는 크란즈해부구조형 (Kranz anatomy) 을 가지지 않고 동일한 chlorenchyma cell 내에서 모든 C4 enzyme을 가지는 것으로 보고되었다. 또한 NAD-ME type C4 대사는 미토콘드리아 의존적이며, 미토콘드리아 C4 유전자들의 발현은 C3 식물에서 C3-C4 비교연구를 통해 이미 아미노산과 유기산 대사관련 유전자로 활동하는 것으로 알려져 있다. 이번 연구에서는 단일세포형 C4 시스템의 대표적인 모델 식물인 페르시아만 비네르티아 (Bienertia sinuspersici) 의 잎 조직을 세 가지 발달 단계별로 전사체로 분석하였고, 이를 통해서 단일세포형 C4 metabolism 를 구성하는 주변부 엽록체 (peripheral chloroplast), 미토콘드리아, 세포질 등의 각 세포 소기관이 어떠한 원리로 단일세포형 C4 시스템을 형성하는지 규명하고자 하였다. 이번 연구의 전사체를 기능농축분석 (Functional enrichment analysis) 한 결과, GO term " Generation of precursor metabolites and energy " 가 transcriptome 내 gene expression 증가에 관련된 대부분의 cluster 에서 주요하게 나타나는 것을 보여주어, energy metabolism 이 단일세포형 C4 순환경로에 주요한 역할이 있을 것으로 고려되었다. 또한 단일세포형 C4 순환경로 (SCC4 cycle) 유전자들은 Cyclic electron flow 과 Amino acid and organic acid metabolism 관련 유전자와 co-expression 하는 것으로 나타났고, 또다른 단일세포형 C4 광합성식물인 나문재속 식물 아랄로카스피카 (Suaeda aralocaspica) 와 크란즈해부구조형 (Kranz anatomy) C4 광합성식물인 왕자의 깃털 아마란스 (Amaranthus hypochondriacus), 그리고 C3 광합성식물인 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 와의 4종간 전사체 비교를 통해서는, 주변부 엽록체 (peripheral chloroplast) 의 Cyclic electron flow 에 의한 ATP 공급과 미토콘드리아의 energy homeostasis 에 관련된 malate valve 경로에 의한 NADH 의 산화/환원에 대한 공급변화가 C4 대사경로의 방향성에 영향을 미친다는 것을 보여주었다. 따라서 이러한 결과들의 토대로, ATP 와 NADH 에 관한 energy homeostasis 는 단일세포형 C4 대사경로를 형성하는데 매우 중요한 역할을 하는 것으로 고려된다. 또한 이번 연구를 통해서 밝혀낸 것은, High light stress 저항성을 가지는 유전자들이 단일세포형 C4 종에서만 발견되는 발현패턴과 관련이 있었다는 점이 있다. 이에 관련하여 첫번째로는 강한 빛 조건에서 thylakoid stack 을 stromal thylakoid 로 변형하게 하는 ACCLIMATION OF PHOTOSYNTHESIS TO ENVIRONMENT 1 (APE1) 유전자, 두번째로는 강한 빛 조건에서 엽록체를 대피시키는 PLASTID MOVEMENT IMPAIRED (PME1) 등을 이번 연구에서 단일세포형 C4 시스템형성의 핵심인자들로 색출하였다. 따라서 high light stress 저항성으로 인해 일부 엽록체가 thylakoid 구조가 변화하거나 엽록체가 이동하는 것이 중앙부엽록체와 주변부엽록체의 두 엽록체간에 빛으로부터 수급되는 ATP 와 NADH 에너지 비율에 차이를 일으키며, 결국 이것이 C4 대사경로의 방향성을 결정하는 것으로 사료된다. 다만, 이러한 가설들은 단일세포형 C4 광합성 식물체인 비네르티아와 아랄로카스피카를 통한 추가적인 C4 metabolism 에 관련한 유전자변형 등의 검증연구가 필요하며. 즉 직접적인 실증연구가 필요한 부분임을 밝힌다.