Genome-wide identification and expression analysis of the Bcl-2-associated athanogene (BAG) gene family in barley (Hordeum vulgare L.) under drought and heat stresses

식물은 끊임없이 변화하는 세상에서 살아갑가. 식물은 타오르는 태양이나 말라가는 강바닥을 피해 이동할 수 없기에, 반드시 견뎌내야만 한다. 생존을 위해 식물은 분자 수호자 역할을 하는 복잡한 내부 단백질 네트워크에 의존한다. 환경이 가혹해지면 이 수호자들이 즉각 작동하여, 식물 세포의 형태를 유지하고 손상을 복구하며 필수적인 과정들이 계속 운영되도록 돕는다. 이 방어 체계에서 핵심적인 역할을 수행하는 특정 단백질 그룹이 바로 BAG 패밀리이다. 원래 세포 사멸을 관리하는 데 도움을 주는 동물에서 처음 발견되었으나, 이 단백질들은 식물에서도 발견되었다. 식물의 세계에서 이들은 코샤페론(co-chaperone)으로 기능하는데, 이는 열이나 가뭄이 단백질의 구조를 무너뜨리려 할 때 다른 단백질이 올바른 모양으로 접히고 안정성을 유지하도록 돕는 역할을 의미한다. 이 단백질들이 작물 내에서 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 농업에 있어 매우 중요한데, 농부들이 수확량을 황폐화할 수 있는 점점 더 예측 불가능한 기상 패턴에 직면해 있기 때문이다.

최근 한 연구에서 연구진은 척박한 환경에서도 잘 자라는 곡물이자 작물 회복력을 이해하기 위한 모델로서 중요한 식량 자원인 보리에 주목했다. 연구팀은 보리의 게놈 내에 존재하는 BAG 유전자 전체를 지도화하고, 식물이 한계에 몰렸을 때 이 유전자들이 어떻게 행동하는지 관찰하고자 했다. 그들은 먼저 보리의 유전 코드를 스캔하여 BAG 패밀리를 정의하는 특정 특징들을 찾기 시작했다. 이러한 디지털 검색을 통해, 그들은 HvBAG1부터 HvBAG7까지 명명된 7개의 뚜렷한 유전자를 식별했다. 이 유전자들은 식물의 7개 염색체 중 6개에 흩어져 있으며, 한 염색체에는 두 개의 유전자가 들어 있는 반면 다른 하나에는 전혀 없다. 이어 연구진은 이 유전자들이 생성하는 단백질의 물리적 구조를 조사했다. 그들은 단백질의 크기와 화학적 구성은 다양하지만, 모두 한쪽 끝에 공통된 보존 영역을 공유한다는 것을 발견했다. 이 공유된 영역은 기능의 핵심이며, 식물의 주요 복구 팀인 열충격 단백질(heat-shock proteins)과 결합할 수 있게 해준다.

연구는 이 단백질들이 세포 내 어디에서 작동하는지와 어떻게 구성되어 있는지에 대해 더 깊이 파고들었다. 연구진은 대부분의 단백질이 세포의 본체인 세포질(cytoplasm)이나 핵(nucleus)에 거주하는 반면, 일부는 광합성이 일어나는 녹색 구조물인 엽록체(chloroplasts)에서 발견될 것이라고 예측했다. 또한 그들은 유전 설계도를 분석하여 각 유전자를 구성하는 빌딩 블록, 즉 엑손(exons)의 개수 차이를 주목했다. 어떤 유전자는 단 하나의 블록만 가진 단순한 형태인 반면, 어떤 유전자는 비부호화 영역에 의해 구분되는 4개의 블록을 가진 복잡한 형태였다. 보리의 유전자를 벼, 옥수수, 그리고 작은 잡초인 애기장대와 비교함으로써, 연구팀은 보리 유전자가 세 가지 주요 진화 그룹으로 군집을 이룬다는 것을 발견했다. 이러한 그룹화는 이 유전자들이 공통 조상을 공유함에도 불구하고 서로 약간씩 다른 역할을 수행하도록 진화했음을 시사한다.

이 유전자들이 식물의 생존을 어떻게 돕는지 이해하기 위해, 연구진은 각 유전자 바로 앞에 위치한 제어 스위치를 살펴보았다. 프로모터(promoter) 영역이라고 불리는 이 스위치들은 유전자가 언제 켜질지를 알려주는 특정 서열을 포함하고 있다. 연구팀은 보리의 BAG 유전자들이 가뭄, 열, 그리고 특정 식물 호르몬과 같은 스트레스 신호에 반응하는 광범위한 스위치들을 갖추고 있음을 발견했다. 이러한 설정은 식물이 문제를 감지하고 방어 단백질을 즉각적으로 활성화하는 정교한 시스템을 갖추고 있음을 시사한다. 연구진은 또한 뿌리와 잎 등 식물의 다양한 부위와 다양한 성장 단계에서 이 유전자들이 어떻게 행동하는지 조사했다. 그들은 유전자들이 모두 동시에 혹은 같은 장소에서 활성화되는 것이 아님을 발견했다. 어떤 유전자는 뿌리에서 매우 활발한 반면, 어떤 유전자는 잎에서 빛을 발하는데, 이는 식물 내에서의 전문화된 분업을 나타낸다.

연구의 가장 극적인 부분은 식물을 실제 환경의 스트레스 상황에 놓이게 하는 것이었다. 연구진은 보리 묘목을 재배하여 물 부족과 강렬한 열이라는 두 가지 종류의 고난을 가했다. 그들은 며칠과 몇 시간 동안 식물을 모니터링하며 BAG 유전자의 수치가 어떻게 변하는지 측정했다. 결과는 명확하고 빠른 반응을 보여주었다. 식물에서 물을 차단했을 때, 특정 유전자의 발현이 특히 뿌리에서 유의미하게 증가했는데, 이는 식물이 물을 찾는 능력을 강화하려 노력하고 있음을 시사했다. 마찬가지로 온도가 높아졌을 때도 유전자들이 빠르게 반응했으며, 일부는 불과 몇 시간 만에 활동량이 폭발적으로 급증했다. 연구진은 또한 스트레스로부터 자신을 보호하기 위해 식물이 축적하는 보호 화합물인 프롤린(proline)의 수치와, 스트레스의 해로운 부산물을 제거하는 효소인 카탈라아제(catalase)의 활성도 측정했다. 이 두 가지 보호 조치 모두 스트레스가 지속됨에 따라 증가했으며, 이는 식물이 전면적인 방어 태세를 구축하고 있음을 확인시켜 주었다.

이 연구 결과는 매우 반응적이고 적응력이 뛰어난 시스템의 모습을 그려낸다. 연구는 보리의 BAG 유전자가 다른 일부 작물에 비해 상대적으로 작은 가족일지라도, 다재다능하며 필수적이라는 사실을 밝혔다. 이들은 단일 단위로 작동하지 않는다. 대신, 위협이 토양에서 오는지 아니면 공기 중에서 오는지, 그리고 식물이 어린 묘목인지 혹은 성숙한 줄기인지에 따라 이 가족의 서로 다른 구성원들이 주도권을 잡는다. 연구는 이러한 반응의 타이밍이 유전자의 존재 자체만큼이나 중요하다는 점을 시사한다. 이러한 방어 기제를 빠르게 켜는 능력은 식물 생존의 핵심 요인으로 보인다. 어떤 유전자가 어떤 스트레스에 반응하고 어디에서 작동하는지를 정확히 식별함으로써, 이 연구는 변화하는 기후의 도전에 맞서 견딜 수 있는 보리 품종을 육종하기 위한 향후 노력에 상세한 지도를 제공한다. 이 작업은 이 분자 수호자들이 단순히 존재하는 것에 그치지 않고 생존을 위한 매일의 투쟁에 적극적으로 참여하고 있음을 확인하며, 세계에서 가장 중요한 작물 중 하나인 보리의 회복력을 개선하기 위한 토대를 제공한다.