식물 호르몬 앱시스 산을 수송하는 애기장대 ABC 수송체의기능 연구

Abstract

토양고착형 유기체인 식물은 끊임없이 변화하는 환경조건에 반응 및 적응하기 위해서 그들의 물질 대사와 발달과정을 엄격하고도 매우 유연하게 조절한다. 이 과정에서, 식물호르몬은 외부자극을 수용, 통합하여 최적의 반응을 산출하는데 중요한 역할을 수행하게 된다. 식물 호르몬 중 하나인 앱시스산 (Absicsic acid, ABA)은 종자성숙과 휴면, 기공 닫힘 운동의 유도 및 측아의 형성과 같은 다양한 생리적 기능에 관련되어 있다. 이러한 과정을 조절하기 위해서 식물체내에서 ABA는 합성된 조직으로부터 목적 기관까지 이동해야만 한다. 뿐만 아니라, 최근에는 세포내에 존재하는 ABA 수용체 family가 새롭게 규명되었다 이는 ABA가 목적 기관에 도착되어 세포로부터 인지되기 위해서는 세포막을 통과하여 세포질내에서 수송체와 결합해야 함을 의미한다. 그럼에도 불구하고 ABA 수송체에 관해서는 지금까지 보고된 바가 없다. 이에 본 연구자는 서로 다른 3 종류의 ABC 수송체, AtAABCG30, AtABCG31, 그리고 AtABCG40가 세포막에 존재하는 ABA 수송체임을 밝혀내었다.먼저 선행된 AtABCG40와 관련된 연구에서 본 연구자는 AtABCG subfamily가 발현되지 않는 돌연변이체 집단으로부터 ABA에 의해서 유도되는 기공의 닫힘 운동에 문제가 생긴 atabcg40 돌연변이체를 선발하였다. 그리고 애기장대의 ABCG40 단백질을 발현시킨 효모와 담배부유세포주, BY2 세포에서 ABA의 세포 내 도입 정도가 증가함을 확인하였다. 이에 반해 AtABCG40 유전자가 발현되지 않는 돌연변이 애기장대로부터 분리한 원형질체를 이용한 ABA 수송능력 실험에서는 ABA의 세포 내 도입 정도가 야생종에서 유래된 원형질체에 비해 감소함을 확인하였다. 또한, ABA에 의해서 발현이 증가하는 유전자들을 대상으로 외부에서 ABA를 처리한 후 그 발현의 변화 정도를 관찰하였을 때, AtABCG40 유전자가 발현되지 않는 돌연변이 식물체에서는 ABA 반응 유전자들의 증가 정도가 현격히 지연됨을 확인하였다. 야생종과 비교하여 ABA에 의한 기공 닫힘 정도를 관찰한 실험에서도 AtABCG40 유전자가 발현되지 않는 돌연변이 식물체에서 기공 닫힘 운동이 늦어진 것을 재확인하였고 이로 인하여 식물의 건조 저항성 역시 감소함을 관찰하였다. 이러한 실험 결과는 ABA 의존적인 신호전달과정과 ABA의 세포 내 도입과정이 통합됨을 알려주는 동시에 건조저항성 식물 개발에 새로운 방향을 제시하였다고 할 수 있다.본 연구자는 또한 애기장대의 종자에 존재하는 서로 다른 3 종류의 ABC 수송체가 ABA를 수송함을 밝혀내었다. 종피에서 특이적으로 발현하는 AtABCG31은 ABA의 세포 밖으로의 방출을 담당하는 수송체이고, 배아특이적으로 발현하는 2 ABC 수송체, AtABCG30 과 AtABCG40는 ABA의 세포내로의 도입을 담당하는 수송체임을 각각 밝혔으며 이들이 협동 작업이 종자의 휴면을 조절하는데 필수적임을 밝혔다. 애기장대 ABCG31 유전자가 발현되지 않는 돌연변이 식물체의 종피에서는 배아의 발아를 저해하는 능력이 감소하였다. 반면에 애기장대 ABCG30 과 ABCG40 유전자가 발현되지 않는 돌연변이 식물체의 종피를 제거한 배아는 종피 의존적인 발아 억제에 대한 감수성이 감소하였다. 분리된 종피로부터 분비되는 ABA양을 측정하는 실험에서 애기장대 ABCG31이 종피로부터 ABA를 분비하는 역할을 수행함을 확인하였다. 그리고 동위원소로 표지된 ABA를 이용한 수송능력 실험을 통해 애기장대의 ABCG30과 ABCG40 수송체 단백질이 ABA의 세포 안으로 수송을 담당함을 확인하였다. 이러한 일련의 연구 결과를 바탕으로 본 연구자는 배젖 (endosperm)의 세포막에 존재하는 ABA의 유출 수송체와 배아 (embryo) 세포막에 존재하는 ABA의 흡수 수송체가 협력하여 ABA를 수송함으로써 종자의 휴면을 조절하는데 기여함을 보였다.본 연구자는 위 연구를 통하여 최초로 ABA 수송체의 존재를 보고하였으며 이 수송체들이 식물체내에서 ABA 수송과 작용에 중요한 역할을 수행함을 보였다. 또한 위 연구는 전체 식물체 수준에서 ABA의 합성 및 분포에 대한 학문적 이해를 증진시켰으며 건조저항성 식물개발의 새로운 방법을 제시하였다.

Plants, as sessile organisms, have to regulate their metabolism and developmental processes, tightly as well as flexibly, to cope with changing environmental conditions. Phytohormones play vital roles in the perception, integration and appropriate responses of plants to environmental stimuli. Abscisic acid (ABA) is a universal plant hormone implicated in such diverse functions as seed maturation and dormancy, stomata closure and lateral root formation (Finkelstein et al., 2002

Leung and Giraudat, 1998). To control these processes ABA moves within the plant from the site of biosynthesis to its target sites (Kunomori and Shinozaki, 2010

Lee et al., 2010), where it interacts with intracellular ABA receptors which have been identified only recently (Park et al., 2009

Ma et al., 2009). Here, I report the first identification of the three different plasma membrane located ABA transporters, belonging to the ABC superfamily

AtABCG30, AtABCG31 and AtABCG40. AtABCG40 was identified in a screen for altered ABA response in stomata movement using atabcg mutants. I found that uptake of ABA into yeast and BY2 cells expressing AtABCG40 was increased, while ABA uptake into protoplasts of atabcg40 plants was decreased, as compared to their control wild-type cells. Up-regulation of ABA responsive genes was strongly delayed in atabcg40 plants exposed to exogenously supplied ABA, indicating that AtABCG40 is necessary for timely responses to ABA. Stomata of loss-of-function atabcg40 mutants closed more slowly in response to ABA, resulting in reduced drought tolerance. My results integrate ABA-dependent signaling and transport processes and open a new avenue for the engineering of drought tolerant plants. In a subsequent study, I characterized three Arabidopsis ABC transporters which are involved in seed development. AtABCG31 is localized in the seed coat and exports ABA, while AtABCG30 and AtABCG40 are specifically expressed in the embryo, and import ABA, These three ABC transporters were essential in controlling seed dormancy. Seed coats of atabcg31 plants exhibited a reduced repression activity on the germination of embryos, while coatless embryos of atabcg30 and atabcg40 mutants were less sensitive to seed coat-dependent repression of germination. Measurement of secreted ABA from isolated seed coats confirmed that AtABCG31 exports ABA from the seed coat. Transport experiments using radiolabeled ABA confirmed that AtABCG30 and AtABCG40 import ABA. Thus I propose that the concerted actions of ABC-type-mediated ABA exporters and importers contribute to the control of seed dormancy.