The chloroplast-localised transporter RETICULATA controls palisade mesophyll cell division and expansion
이 연구는 엽록체에 위치한 아미노산 수송체인 RETICULATA (RE)가 세포 사멸이나 세포 정체성의 변화를 통해서가 아니라, 초기 세포 분열을 촉진하고 후기 세포 확장을 억제함으로써 책상 조직 유조직의 공극 패턴 형성을 조절한다는 것을 밝혀냈다.
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잎은 단순한 초록색 평면이 아니라, 거대한 미세 공기 주머니들로 가득 찬 다공성 구조체입니다. 광합성을 수행하는 세포들 사이에 자리 잡은 이 공간들은 육상 생명체에게 필수적입니다. 이 공간들은 이산화탄소가 잎을 통해 쉽게 흘러들어와 필요한 세포에 도달할 수 있게 해주는데, 이는 물속에서보다 공기 중에서 수천 배 더 쉬운 작업입니다. 과학자들은 잎에 이러한 공기 공간이 포함되어 있다는 사실을 오랫동안 이해해 왔지만, 식물의 성장 과정에서 이 공간들이 어떻게 형성되고 배열되는지를 결정하는 정밀한 규칙은 여전히 미스터리로 남아 있었습니다. 일반적으로 잎은 두 개의 광합성 조직층을 가지고 있다는 것을 우리는 알고 있습니다. 하나는 빛을 효율적으로 포착하기 위해 빽빽하게 밀집된 상층부이고, 다른 하나는 가스가 순환할 수 있도록 더 느슨하고 개방된 하층부입니다. 하지만 식물이 어디에 공기를 배치하고 그 간격의 크기를 어떻게 결정하는지는 수십 년 동안 답을 찾지 못한 질문이었습니다.
연구팀은 이제 이 과정을 조절하는 특정 분자 기작을 밝혀냈으며, 그 중심에는 RETICULATA라고 불리는 단백질에 주목했습니다. 이 단백질은 수송체 역할을 하며, 광합성이 일어나는 소기관인 엽록체의 막을 통해 특정 아미노산을 이동시킵니다. 20년 넘게 과학자들은 이 단백질이 결핍되었을 때 식물이 비정상적으로 큰 공기 공간과 함께 창백한 배경 위에 짙은 초록색 맥이 그물처럼 얽힌 독특한 패턴을 가진 잎을 발달시킨다는 사실을 알고 있었습니다. 그러나 이러한 극적인 변화가 일어나는 이유는 알려지지 않았습니다. 일부는 결핍된 단백질이 세포를 죽게 만들어 조직이 있던 자리에 구멍을 만드는 것이라고 추측했고, 다른 이들은 세포가 단순히 정체성을 바꾸어 한 종류의 잎 세포에서 다른 종류로 변하는 것이 아닌가 의문을 가졌습니다.
이 수수께끼를 풀기 위해 연구진은 기능적인 RETICULATA 단백질이 없는 애기장대(Arabidopsis thaliana) 돌연변이체를 연구했습니다. 그들은 특수 염료와 현미경을 사용하여 잎이 돋아나는 순간부터 발달 과정을 추적하며 공기 공간이 형성되는 모습을 실시간으로 관찰했습니다. 그 결과, 돌연변이가 잎의 모든 부분을 동일하게 영향을 미치지는 않는다는 것을 발견했습니다. 잎의 하부 스펀지 층은 정상적으로 발달했으며, 공기 공간이 일반적인 속도로 형성되었습니다. 그러나 상부의 빽빽한 층은 통제 불능 상태가 되었습니다. 돌연변이 식물에서 상층부의 공기 공간은 정상적인 식물보다 훨씬 빠르게 확장되었고 눈에 띄게 커졌으며, 결국 해당 조직 부피의 거의 절반을 채웠습니다.
연구팀은 이 현상에 대한 가장 명백한 설명들을 체계적으로 배제했습니다. 그들은 세포가 붕괴하여 추가적인 공간을 만든 것인지 확인하기 위해 사멸한 세포의 징후를 조사했으나, 사멸한 세포는 발견되지 않았습니다. 또한 세포들이 단순히 역할을 바꾼 것인지, 즉 빛을 포착하는 세포에서 가스 교환 세포로 변한 것인지 조사했으나, 유전적 표지자들은 세포들이 원래의 정체성을 그대로 유지하고 있음을 보여주었습니다. 세포들은 여전히 올바른 유형이었지만, 단지 다르게 행동하고 있었을 뿐입니다. 세포가 죽거나 본성을 바꾼 대신, 돌연변이 잎의 세포들은 평소보다 더 느리게 분열하고 있었습니다. 세포가 공간을 채울 만큼 빠르게 증식하지 못했기 때문에 세포 사이의 간격이 더 커진 것입니다. 더욱이 잎이 계속 성장함에 따라, 이 적은 수의 세포들은 정상보다 훨씬 크게 확장되었으며, 비록 유전적으로는 구별될지라도 하층부 세포들과 유사한 형태인 기묘한 엽상(lobed) 모양을 띠게 되었습니다.
연구진은 RETICULATA 단백질이 잎 상층부의 정상적인 성장에 필수적이라는 결론을 내렸습니다. 이 단백질은 세포가 발달 초기 단계에서 적절한 속도로 분열하도록 보장하는 조절자 역할을 하는 것으로 보입니다. 이것이 없으면 세포는 너무 느리게 분열하며, 잎은 남은 세포들을 늘림으로써 보상 작용을 일으켜 과도하게 큰 간격과 불규칙한 모양을 만들어냅니다. 이 발견은 엽록체가 단순히 스트레스의 수동적인 희생자가 아니라, 아미노산을 관리하는 능력을 통해 잎의 물리적 구조를 형성하는 데 직접적이고 능동적인 역할을 한다는 점을 시사합니다. 이는 식물의 에너지 공장 내부의 화학적 균형과 잎 자체의 건축적 청사진 사이의 숨겨진 연결 고리를 밝혀낸 것입니다.
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