꽃은 단순히 예쁘기만 한 것이 아니라 식물의 생식 수단이다. 작물에 있어 꽃 형성의 타이밍과 조절은 경제적 중요성 즉, 작물의 생산성에 영향을 미친다.
1년생 식물에서 꽃 형성을 촉진한다고 생각했던 식물 호르몬이 꽃이 만들어지는 것을 억제하는 역할도 한다는 새로운 연구결과가 펜실베니아대학교 연구자들에 의해 얻어졌다. 이 연구 결과는 학술지 Science에 실렸다. 이 호르몬 지베렐린의 이중적 역할은 생산성이 더 높은 작물을 만드는데 활용될 수 있다.
와게너(Wagner) 교수를 비롯한 연구팀은 1년생이나 2년생과 같이 수명이 짧은 식물(short-lived plants)은 다년생 식물과는 다른 전략으로 꽃 형성을 조절할 것이라 생각했다.
한 가지 입증되지 않은 증거는 식물 호르몬 지베렐린이 수명이 짧은 식물에서는 온도, 계절, 광주기와 같은 다른 신호들과 함께 꽃의 형성을 촉진시킨다는 것이라고 한다. 그러나 과수와 같은 다년생 식물에 지베렐린이 살포되면 꽃 형성이 억제된다는 것 또한 알려져 있다. 동일한 호르몬이 1년생이나 2년생과 다년생 식물에서 서로 다른 역할을 하는 이유는 무엇일까?
이 모순성을 이해하기 위해 꽃 형성 과정에 중요한 새로운 유전자에 대한 탐색이 시작되었다. 특히, 이 연구팀은 애기 장대에 대한 유전체 범위 연구를 통해 단백질 LEAFY의 직접적 타깃들을 찾았는데, 이 LEAFY는 꽃 형성을 촉진하는 것으로 알려진 것이다. 그렇게 발견된 한 유전자가 ELA1이라는 것이었는데, 이는 사이토크롬(cytochrome) 효소를 생성하며, 지베렐린의 분해에 관여하는 것으로 알려져 있다. 그리고 계속된 연구에서 ELA1의 기능이 소실된 식물에서 꽃의 형성이 보통보다 훨씬 느리다는 것이 확인되었다. 또한 단백질 LEAFY가 결핍된 식물에서는 지베렐린 수준이 높고, 그리고 LEAFY를 높은 수준으로 만들도록 조작된 식물에서는 이 호르몬의 수준이 더 낮으며, 키가 작고, 엽록소 수준은 더 높았는데, 이는 지베렐린 결핍의 특성이다.
지베렐린이 꽃이 만들어지게 하는 모든 활성들을 촉진하리라는 생각으로 처음에는 혼란스러웠으나, 지베렐린 분해대사와 관련된 LEAFY의 직접적 타깃의 발견으로, 지베렐린이 꽃 형성의 억제에도 관여할 수 있다는 단서가 얻어졌다고 한다. 지베렐린 합성이 적절하게 일어나지 않도록 유전적으로 변형된 식물과 지베렐린 억제제가 처리된 식물에서는 꽃대(inflorescence)의 형성으로의 첫 번째 전이가 지연되는 신호들이 보였으나, 꽃 형성의 징후들은 가속화되었다. 지베렐린이 뿌려지면 그와 반대 효과들이 보였다.
이들 결과는 꽃이 만들어지게 되는 두 가지의 전이 단계(transition steps)가 서로 다르게 조절될 수 있으며, 그 두 단계에 지베렐린이 관여한다는 것을 의미한다. 지베렐린은 줄기와 잎의 생성이 중단되고 꽃대가 생기는 첫 단계의 전이는 촉진하는 반면, 꽃이 만들어지는 두 번째 단계는 억제하는 것이다. 이번에 밝혀진 메커니즘은 지베렐린의 수준이 높아진 다음 떨어지는 것과 관련이 있다. 즉, 높은 수준은 식물이 생장 (vegetative) 발달 단계를 끝내게 하고, 그 시점에서 LEAFY와 ELA1의 활성으로 지베렐린이 분해된다. 그리고 지베렐린의 억제 효과로부터 자유로워진 한 벌의 단백질들의 활성화로 꽃의 형성이 촉발되는 것이다.
꽃의 수와 꽃의 형성 시기에 관련하여 이번에 밝혀진 경로가 그 전면에 위치한다고 한다. 농부들은 지베렐린이 결핍된 벼 품종으로 바람과 비에 넘어지지 않는 더 견고한 벼를 이미 재배하고 있다. 이번 연구에서 얻어진 지베렐린에 대한 새로운 이해는 더 생산적인 식물의 육종에 도움이 될 것이다.
생산량 증대에 이용될 수 있을 것이다. 종자는 꽃의 결과물이므로, 종자를 더 원한다는 것은 더 많은 꽃을 원한다는 것이다. 지베렐린의 축적이나 분해의 조절은 작물에 있어 종자의 형성과 수확량의 최적화나 증대를 가능하게 할 수 있다. 이 연구팀은 앞으로 지베렐린이 다른 식물 종들에서도 작은 방식으로 작동되는지, 그리고 더 나아가 지베렐린의 수준에 따른 꽃 형성의 억제 또는 촉진에 이르는 조절적 이벤트들을 연구할 것이라고 한다.
■ 참고문헌 및 사이트
● 출처 : KISTI 미리안 ‘글로벌동향브리핑’
● http://mirian.kisti.re.kr/futuremo-nitor/view.jsp?record_no=246192&cont_cd=GT
● http://www.eurekalert.org/pub _releases/2014-05/uopphh050814.php

■ 자료제공 : 농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과 박사후연구원 김수진