Functional divergence of MFT paralogues in flowering promotion and organ development in Platanus acerifolia

식물의 생애라는 고요한 건축물 속에는, 잎과 줄기의 성장을 멈추고 꽃을 피우기 시작할 때를 결정하는 섬세한 스위치가 존재합니다. 이 결정은 무작위로 이루어지는 것이 아니라, 식물의 특정 부위에 변화를 알리기 위해 식물 전체를 이동하는 분자 메신저 역할을 하는 단백질 가족에 의해 조절됩니다. 이 메신저들 중에는 MFT(Mother of FT and TFL1의 약자)로 알려진 그룹이 있습니다. 이 단백질들은 이끼에서부터 거대한 나무에 이르기까지 모든 곳에서 발견되는, 식물 발달의 고대 수호자들입니다. 많은 식물에서 이 단백질의 단일 버전은 씨앗이 싹트거나 꽃이 피는 시기를 조절하는 데 도움을 줍니다. 그러나 식물이 진화함에 따라, 일부 종은 이 유전자들을 복제하여 유사하지만 서로 다른 지침을 가진 쌍을 만들어냈습니다. 과학자들이 오랫동안 매료되었던 질문은, 식물이 동일한 지침의 두 사본을 가질 때 어떤 일이 벌어지는가 하는 점입니다. 즉, 이들이 팀으로서 함께 작동하는가, 아니면 각자 고유한 역할을 맡아 업무를 분담하는가 하는 것입니다.

이 질문은 전 세계 도시에서 발견되는 장엄한 혼합종 나무인 플라타너스에게 특히 시급한 문제입니다. 그늘과 회복력으로 찬사를 받지만, 이 나무는 봄에는 엄청난 양의 꽃가루를 생성하고 여름에는 털이 많고 자극적인 씨앗 털을 떨어뜨리는 악명 높은 단점을 가지고 있습니다. 이러한 생물학적 부산물은 도시 거주자들에게 상당한 불편을 초래하며 관리하기 어려운 지저스를 만듭니다. 육종가들은 이 나무가 이러한 생식 기관을 생산하지 않는 불임 버전을 만들기 위해 오랫동안 노력해 왔으나, 이 과정을 멈추게 하는 분자 열쇠는 여전히 찾기 어려웠습니다. 이를 찾기 위해 연구자들은 나무의 개화 및 결실 주기를 제어할 수 있는 MFT 유전자를 중심으로 나무 자체의 유전 코드를 조사했습니다.

우한 경관건축연구소와 광저우 임업경관연구소의 과학자 팀은 플라타너스에서 이 유전자들을 분리하고 연구하기 위해 나섰습니다. 그들은 이 유전자들을 PlacMFT1과 PlacMFT2라고 명명했습니다. 같은 유전적 가족에 속하는 사촌 관계임에도 불구하고, 이 두 유전자는 이미 행동 방식에서 차이를 보이기 시작했습니다. 두 유전자는 모두 세 개의 비부호화 간격으로 구분된 네 개의 부호화 DNA 섹션으로 구성된 유사한 내부 구조를 공유하며, 이는 이 단백질 가족에서 흔히 나타나는 패턴입니다. 그러나 연구진이 이 유전자들이 어디서 그리고 언제 활성화되는지를 살펴보았을 때, 명확한 분업이 드러났습니다.

첫 번째 유전자인 PlacMFT1은 일반론자 역할을 합니다. 이 유전자는 줄기와 잎에서부터 발달 중인 꽃과 열매에 이르기까지 나무의 거의 모든 부분에서 활성화됩니다. 이 유전자는 줄기에서 가장 풍부하게 나타나는데, 이는 나무의 전반적인 성장과 유지에 폭넓은 역할을 수행함을 시사합니다. 두 번째 유전자인 PlacMFT2는 전문가입니다. 이 유전자는 나무의 대부분 부분에서는 조용히 머물러 있다가, 열매에서 매우 강력한 에너지와 함께 깨어납니다. 늦여름 과실이 성숙함에 따라 PlacMFT2의 수치는 급격히 상승하여 세포 내에서 가장 활발한 유전자들조차 능가합니다. 어린 묘목에서도 두 유전자는 상호 보완적인 패턴을 보입니다. 즉, 한쪽이 침묵할 때 다른 쪽이 활성화되어, 어린 나무의 모든 부분이 적어도 하나의 유전적 신호에 의해 커버되도록 보장합니다.

이 유전자들이 실제로 무엇을 하는지 이해하기 위해, 연구진은 식물 과학의 전형적인 실험을 수행했습니다. 바로 플라타너스의 유전자를 작은 잡초인 애기장대(Arabidopsis)로 옮기는 것이었습니다. 그들은 애기장대가 모든 조직에서, 항상 플라타너스의 단백질을 생성하도록 강제했습니다. 결과는 즉각적이고도 드러내는 바가 컸습니다. 두 유전자가 모두 과잉 생산되었을 때, 애기장대는 평소보다 훨씬 일찍 꽃을 피웠습니다. 이는 PlacMFT1과 PlacMFT2 모두가 식물에게 잎을 키우는 것에서 꽃을 만드는 것으로 전환하라는 고대의 공유된 능력을 유지하고 있음을 확인시켜 주었습니다.

그러나 두 유전자의 효과는 동일하지 않았습니다. PlacMFT1 유전자를 가진 식물은 단순히 꽃이 빨리 피는 것에 그치지 않고, 기이하게 자랐습니다. 꽃들은 커다란 무질서한 덩어리로 융합되었고, 줄기는 길어졌으며 씨앗 꼬투리는 작아졌고, 잎은 부자연스럽게 말려 올라갔습니다. 반면, PlacMFT2 유전자를 가진 식물은 꽃이 일찍 피었지만 꽃, 잎, 또는 줄기에 기형 없이 정상적인 모습을 보였습니다. 이 차이는 매우 중요합니다. 이는 PlacMFT1이 꽃을 피우는 기능 외에도, 꽃과 열매의 물리적 구조를 형성하는 데 도움을 주는 두 번째의 더 복잡한 직무를 습득했음을 시사합니다. 반면 PlacMFT2는 상세한 기관의 구축에는 간섭하지 않고 오직 전이의 타이밍에만 집중하는 것으로 보입니다.

이 연구는 플라타너스가 '부분 기능 분화(subfunctionalization)'라는 과정을 거쳤음을 나타냅니다. 이는 고대의 유전자 중복 사건 이후, 두 개의 복제본이 단순히 서로의 일을 복사하는 데 그치지 않았음을 의미합니다. 대신, 그들은 원래의 업무를 두 개의 전문화된 과업으로 나누었습니다. 한 복제본은 나무가 어떻게 자라고 꽃이 어떻게 형성되는지에 영향을 미치는 광범위한 발달 조절자 역할을 맡았고, 다른 복제본은 열매 발달의 구체적인 타이밍에 특화되었습니다. 이러한 진화적 분리는 나무가 단일한 범용 유전자에 의존할 때보다 더 정밀하게 자신의 생식 주기를 미세 조정할 수 있게 해줍니다.

이러한 발견은 복잡한 나무들이 성장과 번식을 어떻게 관리하는지에 대한 새로운 관점을 제공합니다. 플라타너스의 경우, 이 유전적 분리를 이해하는 것은 향후 육종 노력에 대한 로드맵을 제공합니다. 만약 과학자들이 이 특정 유전자들을 조작하는 법을 배운다면, 나무의 전반적인 건강이나 꽃을 피우는 능력에 해를 끼치지 않으면서도, 자극적인 씨앗 털의 생산을 멈추기 위해 열매 특화 유전자를 억제할 수 있을 것입니다. 이 연구가 아직 완성된 해결책을 제시하는 것은 아니지만, 나무의 생식 주기를 제어하는 정확한 분자 레버를 식별해 냈습니다. 이 두 유전적 사촌이 어떻게 서로 다른 일을 수행하는 법을 배웠는지 밝힘으로써, 본 연구는 계절적인 꽃가루와 솜털의 번거로움 없이 그늘을 계속 제공할 수 있는, 더 깨끗하고 관리하기 쉬운 가로수를 개발하기 위한 기초를 마련하고 있습니다.