브라질 상파울로 대학(University of São Paulo) 산하 생명 과학 연구소 소속의 연구진이 미국 오하이오 주립대학(Ohio State University) 소속의 연구진과 공동으로 수행한 연구는 증가하는 대기 중 이산화탄소 농도(CO2 concentration)가 경제학적 및 영향학적 측면에서 전 세계적으로 중요한 재배 작물인 수수(sorghum)의 생리학에 이득을 초래한다고 밝혔다. 이 연구는 Plant Physiology 저널에 개방형 논문으로 발표됐다.
증가하는 이산화탄소 수준으로부터 이득을 취하는 수수의 능력은 수수뿐 아니라 사탕수수와 옥수수를 포함하는 C4 초본(C4 grasses)의 특이한 광합성(photosynthesis)에 기인한다.
연구진은 수수 식물이 낮은 습도 환경에 놓일 때 이산화탄소가 가뭄으로부터 수수를 보호할 뿐 아니라, 씨앗에 60% 더 많은 단백질을 축적하게 하는 수수 대사에서 체계적인 적응을 촉진한다는 것을 발견했다.
이러한 발견은 수수와 사탕수수와 옥수수 같은 다른 초본에 대한 기후 변화(climate change)의 영향을 더 잘 이해할 수 있게 해준다. 이 프로젝트 주 조사관인 Marcos Silveira Buckeridge는 전체 식물 기능을 위한 모델을 개발하기 위하여 시스템 생물학 접근을 이용했다. 이 연구는 식물의 다른 기관 사이에 상호 작용을 고려하여 가뭄(drought)과 결합된 이산화탄소의 높은 농도가 수수에 초래하는 효과를 처음으로 체계적으로 분석했다.
이 프로젝트는 FAPESP(Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo)와 마이크로소프트 연구소(Microsoft Research)의 후원을 받았다.
현장에서 수행된 대부분의 연구는 잎, 줄기 또는 뿌리 등과 같이 식물의 특정 부분에 초점을 맞춘 반면, 연구진은 시스템으로서 수수를 이해하려고 했다. 연구진은 물 스트레스(water stress)가 높은 수준의 이산화탄소와 결합될 때, 수수의 기관 사이의 상호작용을 연구했다. 이러한 종류의 전체 식물 대사 연구는 변형된 몇 개의 유전자의 영향 또는 물 수송을 가속시키는 줄기에서 시스템과 같이 한 가지 기관으로 전체 대사 경로를 도입하는 등과 같은 이해를 개선한다.
수수는 사탕수수와 유전학적으로 매우 유사하다. 수수는 수수의 게놈이 단순하기 때문에, 브라질에서 경제적으로 더 중요한 초본의 연구를 위한 뛰어난 모델이다. 증가하는 이산화탄소 수준으로부터 이득을 취하는 수수의 능력은 수수뿐 아니라 사탕수수와 옥수수를 포함하는 C4 초본(C4 grasses)의 특이한 광합성(photosynthesis)에 기인한다. C4 광합성(C4 photosynthesis)은 더 확산된 C3 공정에 관여하는 두 개의 3-탄소 분자 대신 형성된 4-탄소 분자가 이산화탄소 흡수의 추가적인 방법을 사용한다.
초본에서 관찰되는 C4 광합성 초본의 잎에서 해부학적 변경 및 생화학적 변경으로 이어질 수 있는 매우 효율적인 시스템으로 이산화탄소를 보다 더 효율적으로 사용한다.
공정이 이루어지는 동안 식물 기관 사이에 상호 작용을 분석하기 위하여 Buckeridge 연구팀은 유전자 기능과 연관성, 유전자 및 단백질 발현과 제어 및 시스템의 대사산물뿐 아니라 특정한 조건 하에서 변경 또는 생성된 모든 대사산물을 조사하기 위하여 수수에 대한 대사 연구(metabolomics studies)를 수행했다.
수수 식물이 낟알 형성 및 충만기(filling phase)의 120일 동안 상승된 이산화탄소와 가뭄 조건에서 재배됐다. 잎 광합성, 호흡과 기공 유동성(stomatal conductance, 잎 기공과 공기 사이의 이산화탄소 교환 속도) 등이 식수 후 120일과 90일에 측정됐다. 식물은 각 기간의 말기에 수확되었으며, 바이오매스와 잎의 세포 간 주요 대사물질, 줄기, 뿌리, 지지근(prop roots) 및 곡물 등이 평가됐다. 연구진은 상승된 이산화탄소가 기공 유동성을 축소하여 물의 이용 효율을 증가시킨다는 것을 확인했다.
미미한 생리학적 효과가 관찰됐지만, 가뭄 대한 생리학적 및 대사학적 반응에서 지연 덕분에, 높은 대기 중 이산화탄소 수준 하에서 성장하는 수수 충만기 동안 낮은 습도에 의해 유발되는 낟알의 품질 소실을 완화시킨다는 것을 발견했다. 이 연구는 이러한 조건에서 성장하는 식물의 다른 기관의 대사학적 반응을 분석한 최초의 연구이다. 또한 이 연구는 각 기관에서 변화가 수수에서 낟알 조성에 어떻게 영향을 끼치는지를 처음으로 보여 주었다.
연구 결과는 기후 변화에 대한 회복력에 책임이 있는 유전자에 대한 심도 깊은 규명에 대한 초석을 다졌으며, 특히 식물의 기관이 씨앗 생산을 개선하기 위하여 어떻게 상호작용하는지를 규명했다.
연구진은 대사 차이에도 불구하고 수수와 다른 작물의 유전 공학적인 제어를 목적으로 사용될 수 있는 유전자 지도의 생성을 목표로 하고 있다. 필요하다면 식물 대사 작용이 조절될 수 있기 때문에, 유전자 지도는 미래 기후 변화를 더 잘 제어할 수 있게 해줄 것이다.
Study finds high concentration of CO2 protects sorghum against drought and improves seeds
A study by researchers at the University of São Paulo’s Bioscience Institute (IB-USP) in Brazil, with colleagues at the Ohio State University, has found that the rising atmospheric concentration of CO2 is beneficial for the physiology of sorghum, an economically and nutritionally important crop grown worldwide. An open-access paper on their work is published in the journal Plant Physiology.
The ability of sorghum to benefit from rising CO2 levels is due to a peculiarity of photosynthesis in the family of C4 grasses, which include sugarcane and maize as well as sorghum.
The researchers found that when sorghum plants were kept in a low-humidity environment, CO2 not only protected them against drought but also promoted a systemic adjustment in their metabolism that led their seeds to accumulate 60% more protein.
The discovery contributes to a better understanding of the impact of climate change on sorghum and other grasses such as sugarcane and maize. According to Marcos Silveira Buckeridge, the principal investigator for the project “Using systems biology approach to develop a model for whole plant functioning”, the study is the first systematic analysis of the effects on sorghum of high concentrations of CO2 combined with drought to consider the interactions between different organs of the plant.
The project is supported by FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) and Microsoft Research.
While most research in the field focuses on specific parts of plants, such as leaves, stems or roots, we set out to understand sorghum as a system. We studied the interactions among its organs when subjected to water stress combined with high levels of CO2. Whole-plant metabolism studies of this kind improve our understanding of the implications of modifying several genes or introducing an entire metabolic pathway into one organ, such as a system in the stem that accelerates water transport. This requires investigating what happens not just in the stem but also in leaves, flowers and seeds, producing a broader picture without losing the specific focus on the more reduced level of processes, i.e., the plant’s biochemistry.
—Marcos Silveira Buckeridge
Sorghum is genetically very similar to sugarcane. It is an excellent model for the study of grasses that are economically more important to Brazil because of the simplicity of its genome, which has been completely sequenced and is available to the international scientific community.
The ability of sorghum to benefit from rising CO2 levels is due to a peculiarity of photosynthesis in the family of C4 grasses, which include sugarcane and maize as well as sorghum. C4 photosynthesis uses a supplementary method of CO2 uptake in which a 4-carbon molecule is formed instead of the two 3-carbon molecules involved in the more widespread C3 process.
The C4 photosynthesis found in grasses is a highly efficient system that leads to anatomical and biochemical modifications in their leaves, enabling them to make more efficient use of CO2.
—Marcos Silveira Buckeridge
To analyze the interactions among plant organs during the process, Buckeridge’s team at IB-USP, in collaboration with researchers at the Ohio State University in the United States, performed metabolomics studies on sorghum to investigate all the metabolites produced or modified under specific conditions, as well as gene functions and interrelations, gene and protein expression and regulation, and the metabolic output of the system.
Sorghum plants were grown under elevated CO2 and drought conditions for 120 days during the grain formation and filling phase. Leaf photosynthesis, respiration and stomatal conductance (the rate of CO2 exchange between leaf stomata and the air) were measured 90 days and 120 days after planting. Plants were harvested at the end of each period, and the biomass and intracellular primary metabolites of leaves, culm, root, prop roots and grains were evaluated. The researchers found that elevated CO2 reduced stomatal conductance, leading to increased water use efficiency.
Although minor physiological effects were observed, growing sorghum under high levels of atmospheric CO2 was found to mitigate the loss of grain quality caused by low humidity during the filling phase thanks to a delay in physiological and metabolic responses to drought. To our knowledge, this is the first study to analyse the simultaneous metabolic responses of the different organs of a plant grown in these conditions. It also shows for the first time how changes in each organ can affect grain composition in sorghum.
—Marcos Silveira Buckeridge
The findings pave the way for a deeper understanding of the genes responsible for this resilience to climate change, and in particular of how the plant's organs can interact to improve seed production.
We aim to produce a genetic map that can be used for the purposes of genetic engineering of sorghum and other crops despite the metabolic differences between them. This would help us deal better with climate change in the future, as we would be able to adjust plant metabolism if necessary.
—Marcos Silveira Buckeridge
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