□ 연구 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 종자발달 돌연변이들을 이용하여 세포학적 분석 및 분자적 기작을 연구하고, 최종적으로 배유와 배 발달 시 관계를 규명한다. 또한, 주요 조절 유전자들을 동정하고, 유전자 편집 기술을 이용하여 종자 발달을 증가시킬 수 있는 방법을 연구한다. ◼ 전체 내용 배유의 세포 수는 종자 무게를 결정하는 주요한 요인으로, 초기 배유세포 발달 연구를 통해 이 기작을 잘 이해하는 것은 곡물의 생산성을 증가시키는데 매우 중요하다. 초기 배유 발달 연구를 위해, 본 과제의 선행 연구로 배유가 발달하지 않는 돌연변이 enl2-1을 선발하였고, 표현형의 원인이 되는 유전자인 OsCTPS1을 동정하였다. 돌연변이 관찰 시 CTP synthase(CTPS)가 RMS 형성 및 핵 이동에 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. osctps1는 RMS 형성 및 핵 이동을 연구하기에 좋은 자료이며, 초기 배유 발달 시 이에 대한 조절 기작에 대한 연구를 진행할 예정이다. 또한, OsCTPS1-GFP 형질전환체를 제작하고 배유의 핵분열시기에 관찰했을 때, syncytium 단계에서 filamentous 구조를 형성하는 것을 관찰하였다. OsCTPS1의 발현은 배유 발달 시 일정하게 나타나는 데, 구조와 효소의 활성도를 조절하는 다른 단백질들이 있을 것으로 예상되어 이의 연구를 진행할 예정이다. 배유 발달이 저해된 돌연변이는 배가 크게 발달하는 표현형을 보인다. 이는 배유가 발달하며 배의 정상적 발달을 위한 억제인자가 존재할 가능성을 시사한다. 따라서 osctps1 변이체를 이용하여 배유발달 시 배 형성을 조절하는 인자를 분리하고자 한다. 배유와 배의 조절은 종자의 양과 질을 결정한다. 벼에서 배유의 부분을 줄이고 배(쌀눈)의 비율을 늘이면 고품질의 쌀이 된다. 반면, 배유의 세포가 증가하면 종자의 무게가 증가한다. 배유와 배의 관계를 연구하고 이를 이용하면 벼의 양과 질을 향상시키는 좋은 연구가 될 것이다. ◼ 1단계 ❏ 연구 목표 ○ 벼의 초기 종자발달 조절 기작 규명 ○ 배유 발달 초기 핵분열과 핵 이동을 조절하는 분자 기작 규명 ❏ 연구 내용 ○ 배유 결핍 돌연변이체인 enl2-1 원인 유전자를 동정하기 위해 map-based cloning을 수행했으며, Os01g43020 유전자의 SNP로 인해 CTP synthase의 효소 활성도가 크게 감소하는 것을 알 수 있음 ○ OsCTPS1 단백질이 초기 종자발달 시 일시적 구조를 형성하며, 배유핵 분열시 중요한 RMS 형성에 중요하게 작용하는 것을 관찰함 ○ 초기 종자 발달시 배낭을 선별하여 전사체 분석을 수행하였으며, 배유가 없는 osctps1 돌연변이에서는 auxin response 관련 유전자들의 발현이 크게 감소한 것을 알 수 있음 ○ 또한, 초기 종자들의 전체 단백질체 분석을 수행하고, 배유핵 분열시 주요하게 작용하는 그룹들을 선발함 ○ OsCTPS1 단백질은 초기 종자발달 시 단백질의 축적이 많이 이루어지며, 이를 조절하는 인자를 규명하고자 protein-immunoprecipitation 단백질들의 분석을 수행하였고, 관심있는 후보 단백질들을 선발함 ○ 기존 벼에서 알려진 배-배유 발달시 중요한 유전자들의 marker를 이용하여 GFP를 발현시킨 형질전환체를 제작하였으며, 이를 추후 연구에 이용하고자 함. ○ 배유 발달 및 종자 발달에 관련된 중요한 유전자와 단백질의 기능과 상호작용을 연구 ○ Auxin의 역할과 상호작용이 종자 발달에 미치는 영향을 상세하게 조사하기 위한 초기 재료를 마련함. ○ GIANT EMBRYO 유전자 등 특이적 유전자의 발현 패턴을 보이는 마커들을 통해 벼의 초기종자발달을 연구하기 위한 형질전환체 준비 ◼ 2단계 ❏ 연구 목표 ○ 배유가 배 발달을 조절하는 분자 기작 규명 ○ 벼의 초기 종자발달 연구로 종자의 양과 질을 증가시키는 방법 개발 ❏ 연구 내용 2단계 연구에서는 벼의 초기 종자발달과정에서 분자의 기작을 규명하고, 이를 적용할 수 있는 연구를 수행한다. Multi-omics 데이터를 활용하여 초기 종자 발달 시 옥신 반응 및 RNA helicase, MCM 등의 단백질에 대한 연구를 계획하고 있으며, PTM 분석을 통한 신호 전달 기작에 대한 연구도 수행할 예정이다. 또한, 배와 배유 사이의 발달 및 신호전달, 신호전달 인자, 그리고 CLE peptide와 auxin의 상호작용에 대한 연구를 수행할 계획이다. □ 연구성과 ◆ 정성적 연구 성과 ○ 초기 배유 발달에 주요한 OsCTPS1 유전자 동정 및 핵분열 시 분자적 가작 규명 ○ 종자발달 조절 유전자들을 이용하여 종자의 양과 질을 증가시키는 연구 ○ multi-omics 분석을 이용한 초기 종자 발달 단계 분자적 기작 연구 ○ 배, 배유사이 상호작용 관찰을 위한 마커 형질전환체 제작 ◆ 정량적 연구 성과 ○ 초기 종자발달 연구 - Plant Biotchnology Journal (2021) IF: 13.263 ○ 종자발달에 영향을 주는 영양생장발달 및 sucrose와 sink tissue 조절 과정 연구 - The Plant Journal (2022) IF 7.2 - Frontiers in Plant Science (2023) IF 5.6 ○ 초기 종자발달 및 초기 유수 발달과정에서 전사체, 단백질체 분석을 통한 분자적 기작 연구 - Plant Cell and Environment (2023) IF 7.3 - Plants(Basel) (2023) IF 4.5 □ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과 ○ 이 연구의 결과는 벼의 초기 종자발달에 대한 깊은 이해를 제공함으로써 농업 및 식량생산 분야에 다양한 기여를 할 것으로 기대된다. ○ 최근 도입된 유전자 편집 기술을 적용하여 원하는 부위의 정확한 교정으로 원하는 형질을 이끌어 내 고품질의 쌀을 개발하는데 이용할 수 있다. ○ 종자발달 관련 유전자들을 동정하고, 이에대한 분자적 기작을 연구하면, 기존에 벼에서 알려진 natural variation과 수많은 품종들의 분석으로 만들어진 GWAS data와 접목하여 천립중 및 종자의 양과 질을 향상시키는 연구에 활용될 수 있으며, 다양한 작물에 대한 효과적인 품종화 전략으로 이용될 수 있다. ○ 초기 종자발달시 다양한 multi-omics 분석을 통해 얻는 다양한 기초자료는 초기 종자발달 연구 분야에 유용한 자료로 활용될 것으며, 이를 통해 추가적인 연구 및 응용이 가능한 기반을 마련하게 될 것이다. (출처 : 요약문 2p)
- 연구책임자 : 윤진미
- 주관연구기관 : 인하대학교
- 발행년도 : 20240300
- Keyword : 1. 종자발달;배유;배;핵분열;천립중; 2. seed;endosperm;embryo;nuclear division;1000-grain weigth;
