[중국] 에너지 미세 조류 식물 호르몬 연구
식물 호르몬(plant hormones)은 일종 신호 분자로서 고등 식물 속에서 다양하고 중요한 성장 및 발육 상태를 조정 제어한다. 하지만 식물 호르몬이 미세 조류(microalgae) 속에 존재하는지 여부 및 관련 기능을 보유하고 있는지 여부에 대해서는 아직까지 비교적 큰 논쟁이 존재하고 있는 상황이다.
중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정 연구소 산하 ‘단세포 연구 센터’ 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 오일 생성 비율이 높은 산업 미세 조류인 해양 마이크로 볼 조류(Nannochloropsis oceanica) 속에서 다양한 유형의 식물 호르몬을 발견하였다.
동시에 연구팀은 질소 결핍을 통해 오일 생성을 유도하는 과정에서 낙엽산(abscisic acid, ABA)과 세포 분열소 사이의 길항 효과 모델(Antagonistic effect model)을 구축함으로써 식물 호르몬을 이용하여 에너지 미세 조류를 조절하고 선별 육성을 위한 기반을 구축하는데 성공하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 The Plant Journal 학술지에 발표되었다.
해양 마이크로 볼 조류는 일종 해양 속에 폭넓게 분포되어 있을 뿐만 아니라 세계 각지에서 대규모로 육성할 수 있는 생성 비율이 높은 산업 조류에 속한다.
중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정 연구소 산하 ‘단세포 연구 센터’ 연구팀의 ‘기능 게놈 연구 그룹’ 루옌두(路延篤) 연구원 등 연구인원들은 전 단계의 마이크로 볼 조류의 진화 게놈 데이터베이스 연구 성과(Wang, et al, PLoS Genetics, 2014, 10(1):e1004094)를 기반으로 하고 미세 조류 속에서 비교적 계통적으로 낙엽산(abscisic acid, ABA)과 시토키닌(cytokinins, CKs) 분자의 대사 루트와 신호 전달 루트를 재구축하는데 성공하였다(그림 1. 참조).
동시에 연구팀은 UHPLC-MS/MS 기술을 통해 마이크로 볼 조류 속에서 ABA 및 CKs 등을 포함한 다양한 식물 호르몬을 발견하였으며 고등 식물과 다른 함유량 분포 법칙을 해석하는데 성공하였다.
연구팀은 식물 호르몬 분자 함유량 변화에 대한 모니터링을 실행한 동시에 연구팀이 전 단계 연구를 통해 취득한 시간 서열 전사체 데이터(Li, et al, Plant Cell, 2014, 26:1645-1665)와 결합하여 질소 결핍 유도의 오일 생성 과정에서 낙엽산(abscisic acid, ABA)과 시토키닌(cytokinins, CKs) 사이에 길항 효과(Antagonistic effect) 역할이 존재한다는 점을 발견하였다.
연구팀은 한층 더 심층적인 생리학적 증거에 대한 분석을 통해 낙엽산(abscisic acid, ABA)이 일정한 정도 상에서 미세 조류 세포의 항역(抗逆) 성능을 향상시키지만 시토키닌(cytokinins, CKs)은 세포 사이클에 대한 조정 제어를 통해 세포 성장 속도를 향상시킨다는 점을 입증하였다.
연구팀은 이번 연구를 통해 식물 호르몬이 미세 조류 속에 폭넓게 존재하고 있을 뿐만 아니라 중요한 조정 제어 기능을 보유하고 있다는 점을 입증하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 미세 조류 속에는 고등 식물과 다르지만 아직 해석되지 못한 호르몬 신호 전달 루트가 가능하게 존재할 것이라는 점을 제시하였다.
일종의 소분자 화합물로서 식물 호르몬은 실제 응용 과정에서 다양한 우세를 보유하고 있는 상황이다. 연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 혁신적인 성과는 미세 조류 육성과 선별 육성 관련 연구를 위해 새로운 아이디어를 제공하고 있다.
이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 중국과학원의 ‘혁신 연구팀 국제 협력 파트너 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다.
이번 연구는 중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정 연구소 산하 ‘단세포 연구 센터’ 쉬졘(徐健) 연구원이 주도하는 ‘기능 게놈 연구 그룹’ 연구인원들과 체코 공화국 Palacký 대학 Miroslav Strnad 및 중국 샤먼(厦門) 대학 자오녠즈(焦念志) 교수 연구팀이 공동 연구를 실행하여 완성한 연구에 속한다.
그림 1. 두 가지 중요한 식물 호르몬 낙엽산(abscisic acid, ABA)과 시토키닌(cytokinins, CKs)의 대사 및 신호 루트의 기원 및 진화 표시도임.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 3월 10일]
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青岛能源所等在能源微藻植物激素研究中取得进展
植物激素作为一种信号分子，在高等植物中调控着诸多重要的生长和发育性状。但是，植物激素在微藻中是否存在，是否有功能等关键问题，还存在较大争议。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞研究中心研究人员在高产油工业微藻微拟球藻（Nannochloropsis oceanica）中发现了多种类型的植物激素，并建立了缺氮诱导产油过程中脱落酸和细胞分裂素之间的拮抗作用模型，为利用植物激素调控和选育能源微藻奠定了基础。相关成果发表于The Plant Journal。
微拟球藻是一种在海洋中广泛分布，且在世界各地均可规模培养的工业高产油藻。青岛能源所单细胞中心功能基因组团队路延笃等基于前期微拟球藻进化基因组数据库研究基础（Wang , et al, PLoS Genetics, 2014, 10(1):e1004094），在微藻中较为系统地重建了脱落酸分子（abscisic acid，简称ABA）和细胞分裂素分子（cytokinins，简称CKs）的代谢途径和信号传递通路（如图）。同时，通过UHPLC-MS/MS技术，在微拟球藻中发现了包括ABA和CKs等在内的一系列植物激素，揭示了其迥异于高等植物的含量分布规律。
通过监测植物激素分子含量变化，并结合团队前期研究得到的时间序列转录组数据（Li, et al, Plant Cell, 2014, 26:1645-1665），路延笃等发现缺氮诱导产油过程中脱落酸和细胞分裂素之间存在相互拮抗作用。进一步的生理证据表明，脱落酸能在一定程度上提高微藻细胞的抗逆性能，而细胞分裂素能通过调控细胞周期，提高细胞生长速率。
该研究证明了植物激素在微藻中不仅广泛存在，而且具有重要的调控功能，且在微藻中很可能存在与高等植物迥异、尚未被揭示的激素信号传递通路。作为一种小分子化合物，植物激素在实际应用上有诸多优势，该研究也为能源微藻的培养和选育研究开拓了一个新的思路。
上述研究获得了国家自然科学青年基金、中国科学院创新团队国际合作伙伴计划等支持，由中科院青岛能源所单细胞研究中心徐健主持的功能基因组团队与捷克共和国Palacký 大学Miroslav Strnad和厦门大学焦念志等团队合作完成。
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