SiFEA4 encoding the bZIP transcription factor regulates panicle architecture in foxtail millet (Setaria italica)

식물들의 세계를 전 세계에 먹을 것을 공급하기 위해 완벽한 '과일 공장'을 건설하는 것이 목표인 분주한 건설 현장이라고 상상해 보세요. 건조한 곳에서도 잘 자라는 고대 곡물이자 강인한 곡물인 조(foxtail millet)의 경우, 이 공장은 **수상꽃차례(panicle)**라고 불립니다. 수상꽃차례를 곡식이 달린 거대한 가지 나무라고 생각해보세요. 이 나무의 맨 꼭대기에는 **수상꽃차례 분열조직(inflorescence meristem, IM)**이라는 작고 마법 같은 건설 구역이 자리 잡고 있습니다. 여러분은 IM을 바쁜 현장 소장이나 숙련된 설계자로 떠올릴 수 있습니다. IM의 역할은 얼마나 많은 가지를 만들지, 그리고 그 가지에 얼마나 많은 알곡 주머니를 채울지를 결정하는 것입니다. 만약 소장이 너무 엄격하면 나무는 작고 듬성듬성하게 남게 됩니다. 만약 소장이 혼란에 빠지거나 제멋대로 행동하면, 나무는 너무 많은 가지를 키우거나 가지들이 서로 엉키고 기괴하게 자랄 수도 있습니다.

이 소장의 크기와 활동은 **전사 인자(transcription factors)**라는 팀에 의해 조절됩니다. 이들을 전사의 보스, 즉 클립보드에 지시 목록을 들고 있는 매니저라고 생각해 보세요. 이 매니저는 언제 건설을 멈출지, 얼마나 커질지, 그리고 언제 가지를 만드는 단계에서 꽃을 만드는 단계로 전환할지를 정확히 지시합니다. 과학자들은 옥수수나 벼와 같은 작물에서 건설 현장이 통제 불능 상태가 되지 않도록 유지하는 유명한 '피드백 루프'(작업자들이 보스에게 진정하라고 알리는 시스템)가 있다는 것을 오랫동안 알고 있었습니다. 하지만 조의 경우에는 이 게임의 규칙이 다소 미스터리였습니다. 왜 어떤 조 식물은 완벽하게 정상적인 이삭을 갖는 반면, 다른 식물들은 맨 윗부분에서 마치 고양이 발톱처럼 갈라지고 기괴하게 분지되는 형태를 보이는 것일까요? 이를 이해하는 것은 단순히 식물학의 문제가 아닙니다. 이는 이 매니저들을 미세하게 조정하여 모두를 위해 더 많은 식량을 재배하는 방법을 알아내는 일입니다.

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"고양이 발톱" 조의 미스터리

이 연구에서 산시 농업 대학교의 연구진은 WY159라고 불리는 조의 재래종(전통적인 지역 품종)을 발견했습니다. 대부분의 조 식물은 깔끔하고 곧게 선 이삭을 가지고 있지만, WY153은 이상한 특징이 있었습니다. 이삭의 맨 윗부분이 갈라져 마치 고양이 발톱처럼 가지가 뻗어 나오는 것이었습니다. 과학자들은 이것이 식물의 끝부분에 있는 '소장'(수상꽃차례 분열조직)이 혼란을 겪어, 콤팩트하게 유지되는 대신 너무 커지고 평평해졌기 때문이라고 의심했습니다.

누가 잘못된 지시를 내리고 있는지 알아내기 위해 연구팀은 탐정 놀이를 했습니다. 연구팀은 이 이상한 WY159 식물을 정상적이고 우수한 품종인 Yugu1과 교배했습니다. 첫 번째 세대의 자손들은 정상적으로 보였지만, 그 자손들이 다시 자식을 낳았을 때(두 번째 세대), 약 4개 중 1개의 식물에서 "고양이 발톱" 형질이 나타났습니다. 이는 이 문제가 식물의 DNA에 있는 단 하나의 "고장 난" 지시에 의해 발생했다는 것을 의미하며, 이는 열성 형질(즉, 이상한 가지를 보기 위해서는 고장 난 지시가 두 개 있어야 함)임을 알려주었습니다.

범인: SiFEA4

맵 기반 클로닝(map-based cloning)(랜드마크를 확인하여 검색 영역을 좁혀가는 것과 같은 기술)이라는 기법을 사용하여, 연구팀은 고장 난 지시를 특정 위치로 추적했습니다. 그들은 이 지시가 4번 염색체의 특정 지점에 있다는 것을 찾아냈습니다. 그들은 SiFEA4라는 유전자를 발견했습니다. 이 유전자는 bZIP 전사 인자를 코딩하는데, 이는 DNA를 읽고 다른 유전자들에게 무엇을 할지 지시하는 유형의 단백질 매니저입니다.

여기 반전이 있습니다. 이상한 WY159 식물에서는 SiFEA4 유전자의 **프로모터 영역(promoter region)**에서 거대한 2,649 염기쌍 결실(DNA 한 덩어리가 사라짐)이 발견되었습니다. 프로모터를 유전자의 "온 스위치" 또는 주소 라벨이라고 생각해보세요. 이 덩어리가 사라졌기 때문에 스위치가 고장 났고, SiFEA4 매니저가 충분한 숫자로 생산되지 못했습니다. 이 유전자는 크게 **하향 조절(downregulated)**되었으며, 결과적으로 식물은 평소의 지시를 받지 못하게 되었습니다.

분자 가위로 이론을 증명하다

SiFEA4가 범인인지 확실히 하기 위해, 연구진은 단순히 추측만 하지 않았습니다. 그들은 분자 가위 역할을 하는 유전자 편집 도구인 CRISPR/Cas9을 사용했습니다. 그들은 정상적인 조 품종인 Ci846을 가져와 SiFEA4 유전자를 의도적으로 잘라 망가뜨려, sifea4-8과 sifea4-9라는 두 가지 돌연변이 버전을 만들었습니다.

결과는 어땠을까요? 돌연변이들은 이상한 WY159 식물과 똑같이 생겼습니다!

• 소장이 커졌다: 돌연변이 식물의 꼭대기에 있는 수상꽃차례 분열조직(건설 현장)이 확장되고, 평평해졌으며, 이후 중앙 함몰부(가운데에 홈이 파임)를 형성했습니다.
• 분지 현상: 이러한 혼란은 수상꽃차례 정단 분지(panicle apex branching) 표현형으로 이어졌습니다. 즉, 이삭의 윗부분이 갈라진 것입니다.
• 기타 변화: 돌연변이는 또한 키가 작아졌으며(식물 높이 감소), 이삭의 **제1차 분지(primary branches)**가 더 많아졌습니다(각각 약 **54.29%**와 46.57% 증가). 그러나 이 추가된 가지들은 가늘었고, 각 가지당 알곡 수가 적었습니다(각각 **40.52%**와 42.51% 감소).

결과적으로, 가지는 더 많지만 가지가 가늘고 약하기 때문에 전체 알곡의 무게는 실제로 늘어나지 않았습니다. 이는 마치 방은 너무 많은데 그것을 지탱할 벽이 부족한 집을 짓는 것과 같았습니다.

SiFEA4는 실제로 어떻게 작동하는가?

연구팀은 SiFEA4가 이 모든 것을 어떻게 조절하는지 알고 싶었습니다. 그들은 두 가지 강력한 도구를 사용했습니다.

1. RNA-seq: 이것은 식물의 유전자에 의해 보내지는 모든 메시지를 찍은 스냅샷과 같습니다. 그들은 SiFEA4가 고장 났을 때 식물의 호르몬 신호 전달 경로가 엉망이 된다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 자스몬산(jasmonic acid), 앱시스산(abscisic acid), 지베렐린(gibberellin), 그리고 에틸렌(ethylene)(식물 성장을 조절하는 식물 호르몬들)과 관련된 유전자들이 모두 변했습니다.
2. DAP-seq: 이 기술은 SiFEA4 매니저가 정확히 어떤 DNA 조각을 붙잡는지 찾아냅니다. 그들은 SiFEA4가 DNA에 달라붙는 23,145개의 결합 부위를 발견했습니다.

이 두 목록을 결합하여, 그들은 SiFEA4가 직접적으로 조절하는 89개의 유전자를 찾아냈습니다. 가장 중요한 표적 중 하나는 AP2/ERF 가계(또한 분지를 조절하는 매니저 그룹)에 속한 SiERF109 유전자였습니다. 돌연변이에서 SiERF109는 크게 감소했으며, SiFEA4는 SiERF109의 프로모터에 직접 결합하는 것으로 나타났습니다. 이는 SiFEA4가 보통 식물이 너무 많은 가지를 키우지 않도록 SiERF109를 억제하는 역할을 한다는 것을 시사합니다.

이것이 의미하는 것 (그리고 의미하지 않는 것)

이 연구는 SiFEA4가 다표현형 유전자(pleiotropic gene), 즉 하나의 유전자가 이삭의 모양, 식물의 키, 가지의 수 등 여러 형질을 조절한다는 것을 시사합니다.

흥미롭게도, 연구진은 SiFEA4가 유명한 CLV-WUS 피드백 루프(많은 식물에서 발견되는 표준적인 "정지 신호" 시스템)와 독립적으로 작동한다는 것을 발견했습니다. 즉, SiFEA4는 일반적인 규칙과는 별개로, 식물에게 언제 가지 성장을 멈출지 알려주는 자신만의 독특한 방식을 가지고 있습니다.

논문은 SiFEA4를 깨뜨리는 것이 더 많은 가지를 만들어내기는 하지만, 가지가 너무 가늘어지기 때문에 자동으로 더 많은 식량을 의미하지는 않는다고 결론지었습니다. 그러나 저자들은 만약 우리가 유전자 편집을 통해 "약한 대립유전자(weak allele)"(완전히 고장 난 것이 아니라 약간만 줄어든 버전)를 만들 수 있다면, 더 많은 가지를 가지면서도 가늘고 약한 구조를 갖지 않는, 두 마리 토끼를 잡을 수 있을 것이라고 제안합니다. 이는 육종가들이 더 높은 수확량을 위해 공간을 더 효율적으로 사용하는 조 식물을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

요약하자면, 연구진은 조의 이삭이 미쳐 날뛰지 않도록 잡아주는 "보스" 유전자(SiFEA4)를 찾아냈습니다. 보스가 사라지면 건설 현장은 너무 커지고, 가지는 갈라지며, 식물은 키가 작아집니다. 우리가 단순히 유전자를 깨뜨린다고 해서 더 많은 식량을 얻을 수는 없지만, 이 보스를 이해하는 것은 향ate 미래에 더 나은 수확을 위해 식물의 구조를 미세하게 조정할 수 있는 새로운 도구를 과학자들에게 제공합니다.