연구분야:

(1) 벼 당 대사 기작 연구: 당 일주기 및 전분 일 주기 분해 조절 인자 연구

(2) 벼 환경스트레스 내성 기작 연구 및 환경 스트레스 내성 형질전환 벼 개발: OsERF4a, OsASR1, OsCats, BvMTSH, OsbZIP 등 전사조절인자, 당 대사 관련 유전자 기능 연구 및 이들 유전자를 이용한 환경 스트레스 내성 형질전환 벼 개발

(3) 벼 형태 발달 조절 기작 연구: 종자 크기 및 형태 조절 관련 유전자 연구, 잎 크기 및 형태 조절 관련 유전자 연구

식물 광합성에 의한 당 합성은 일주기성 조절을 받는다. 식물 잎의 일주기성 당 대사는 전반적인 식물의 생명작용에 매우 중요한 역할을 한다. 그러나 잎에서 일주기성 전분 분해는 아직 많은 연구가 되어있지 않다. 현재 이루어진 연구들은 주로 이 과정에 관여하는 효소들에 대한 기능 연구들이다. 전분 분해 관련 유전자들은 생체시계의 조절을 받는다. 생체시계와 다른 신호전달 사이의 복잡한 관련성은 많은 연구들을 통해서 알려지고 있다. 또한 빛, 온도, 당분의 양들은 생체시계 조절 유전자의 발현 형태를 변화시킨다. 특히 환경조건 (광, 수분, 스트레스 등)에 의해 일주기성 당 대사는 민감하게 조절된다. 이러한 환경조건에 의한 일주기성 당 대사 조절 중 자당(sucrose)과 전분(starch)의 일주기성 분해 타이밍 결정은 낮 동안 생성한 에너지원(당)을 밤 동안 지속적으로 사용하기 위하여 정확히 조절되어야 한다. 즉 생성된 에너지원의 양과 밤의 길이에 따라 sucrose와 starch의 일주기성 분해 타이밍 및 분해 속도가 정확하게 조절된다. 따라서 환경조건에 의한 식물의 일주기성 당 대사 조절 기작을 이해하는 것은 매우 중요하다.

식물 특이적인 ASR (Abscisic acid-, Stress- and Ripening-induced protein) 유전자는 환경스트레스, ABA 호르몬, 당에 의하여 조절 받는 유전자이다. 최근 연구 결과 ASR 유전자가 환경스트레스 내성 뿐만 아니라 sugar trafficking, branched-chain 아미노산 생합성에도 관여하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 ASR 단백질은 전사조절 인자로 알려져 있다. 본 연구진은 벼 ASR 유전자 연구를 통해 벼 ASR1 유전자 과발현이 sucrose와 전분의 일주기성 분해 타이밍에 영향을 주는 것을 새로이 확인하였다. 또한 ASR1 유전자 발현이 circadian clock, photoperiod에 의해서 조절 받는데, 이러한 일주기성 조절은 전사 후 조절 기작에 의하여 조절됨을 확인하였다. 

식물 광합성에 의한 당 합성/분해는 일주기성 조절을 받는다. 식물의 일주기성 당 대사는 전반적인 식물의 생명작용에 매우 중요한 역할을 한다. 잎에서 일주기성 전분 분해는 아직 많은 연구가 되어있지 않지만, 최근 이 과정에 관여하는 효소들에 [glucan water dikinase (GWD1), phosphoglucan water dikinase (PWD), beta-amylase, phosphoglucan phosphatase, isoamylase (ISA3), limit dextrinase (LDA), alpha-amylase, disproportionating enzyme (DPE1), alpha-glucan phosphorylase (PHS1), maltose transporter (MEX1), glucose transporter (pGlcT)] 대한 연구는 많이 수행되었다. 전분 분해 관련 유전자를 포함한 식물 전사체의 많은 양이 생체시계의 조절을 받는다. 애기장대 유전자의 30-40%가 생체시계에 의해 조절되고 있다. 이러한 일주기성 발현 유전자들은 많은 경우 그들의 promoter에 조절인자(motif)들을 갖고 있다. 식물의 생체시계는 세 개의 유전자 (TOC1, CCA1, LHY) 발현 되먹임 고리가 서로 얽혀 있는 구조로 예측되었다. 생체시계와 다른 신호전달 사이의 복잡한 관련성은 많은 연구들을 통해서 알려지고 있다. 또한 빛, 온도, 당분의 양들은 생체시계 조절 유전자의 발현 형태를 변화시킨다. 특히 환경조건 (광, 수분, 스트레스 등)에 의해 일주기성 당/전분 대사는 민감하게 조절된다. 이러한 환경조건에 의한 일주기성 당 대사 조절 중 sucrose와 starch의 일주기성 분해 타이밍 결정은 낮 동안 생성한 에너지원(당)을 밤 동안 지속적으로 사용하기 위하여 정확히 조절되어야 한다. 즉 생성된 에너지원의 양과 밤의 길이에 따라 sucrose와 starch의 일주기성 분해 타이밍 및 분해 속도가 조절된다.

그림 Typical starch diurnal pattern in a long (LD) and short day (SD) 

따라서 환경조건에 의한 식물의 일주기성 당 대사 조절 기작을 이해하는 것은 매우 중요하다. 그러나 환경조건에 의한 일주기성 당/전분 분해를 조절하는 기작에 대한 연구는 매우 미미한 상태이다. 본 연구실은 일주기성, 과주기성, 그리고 환경 스트레스에 의하여 발현이 조절되는 벼 ASR1 유전자 연구를 통해 ASR1이 sucrose와 starch의 일주기성 분해 타이밍에 영향을 주는 것을 확인하였다. 이에 본 연구실은 벼 ASR1 유전자의 당과 전분의 일주기성 대사 조절기작 중 분해 타이밍 결정에서의 역할을 규명하고자 한다.

연구 내용: 

일주기성, 광주기성, 그리고 환경 스트레스에 의하여 발현이 조절되는 벼 ASR1 유전자의 전사 후 조절기작과 당/전분의 일주기성 대사 조절기작 중 분해 타이밍 결정에서의 역할을 규명하고자 다음과 같은 세 가지 세부 목표를 설정하였다. (1) 전사후조절기작을 통한 ASR1의 일주기성 발현조절기작 규명. (2) 잎 sucrose의 일주기성 대사 조절 (하루주기 함량 변화 – 낮 동안 합성, 밤 동안 분해/이동) 기작에서 ASR1 기능/역할 규명. (3) 잎 전분의 일주기성 분해 타이밍 조절 기작에서 ASR1 기능/역할 규명. 실험 결과를 토대로 OsASR1 기능을 모델링하고 있다.