Integrative physiological and transcriptomic analyses reveal divergent chilling tolerance mechanisms in contrasting zoysiagrass cultivars and protective effects of exogenous chitosan

가을부터 초겨울까지 녹색을 유지하는 잔디는 세계 여러 지역에서 보기 드문 사치입니다. 열기에는 잘 자라지만 공기가 서늘해지면 고전하는 난지형 잔디에게 있어, 추운 날씨의 도래는 생물학적 위기입니다. 기온이 얼지는 않지만 추운 범위로 떨어지면, 이 식물들은 조용한 위협에 직면에합니다. 세포가 새기 시작하고, 내부 화학 작용이 교란되며, 햇빛으로부터 영양분을 만드는 능력이 저하됩니다. '저온 스트레스'라고 알려진 이 상태는 잔디를 조기 휴면 상태로 몰아넣어, 활기찬 녹색 잔디를 갈색의 생명력 없는 패치로 변하게 만듭니다. 일부 잔디 품종은 다른 품종보다 이러한 추위를 더 잘 견디도록 진화했지만, 과학자들은 그들이 정확히 어떻게 그렇게 하는지, 혹은 약한 품종이 살아남도록 어떻게 도울 수 있는지 이해하기 위해 오랫동안 노력해 왔습니다.

최근 중국 난징 농업대학교의 연구진은 골프장과 경기장에 널리 사용되는 인기 있는 잔디인 조이시아(zoysia)의 두 가지 뚜렷한 유형을 비교함으로써 이 수수께com을 풀고자 했습니다. 그들은 강하고 추위에 강한 품종인 '난농 NT1(Nannong NT1)'을 민감한 품종인 '난농 LG(Nannong LG)'와 맞붙였습니다. 목표는 단순히 어느 쪽이 살아남느냐를 보는 것이 아니라, 기온이 떨어질 때 식물이 사용하는 서로 다른 전략을 이해하기 위해 식물의 내부를 들여다보는 것이었습니다. 연구팀은 또한 게와 새우의 껍질에서 추출한 단순하고 천연적인 물질인 키토산(chitosan)을 테스트하여, 이것이 민감한 잔디를 위한 방패 역할을 하여 평소라면 죽게 만들었을 추위를 견딜 수 있게 도와줄 수 있는지 확인했습니다.

실험은 두 종류의 잔디를 통제된 환경에서 키우는 것으로 시작되었습니다. 연구진은 낮에는 섭씨 4도, 밤에는 섭씨 2도의 저온 스트레스에 잔디를 노출시켰는데, 이는 난지형 식물들에게는 불편하지만 아직 영하로 떨어지지는 않는 온도입니다. 6주 후, 두 품종 사이의 차이는 극명했습니다. 민감한 '난농 LG'는 잎이 갈색으로 변하며 죽어가는 심각한 피해를 입은 반면, 강인한 '난농 NT1'은 대체로 녹색을 유지하며 건강했습니다. 식물을 다시 따뜻한 조건으로 옮겨 회복 가능성을 확인했을 때, 민감한 품종은 생존율이 매우 낮았으나, 강인한 품종은 쉽게 회복되었습니다.

더 깊이 파고들며 연구진은 식물의 내부 건강 상태를 측정했습니다. 그들은 민감한 잔디가 세포로부터 필수 액체를 유출시키고 있었는데, 이는 추위로 인해 세포벽이 손상되었다는 신호입니다. 또한 이 식물은 식물 내부에서 스트레스를 받을 때 형성되는 녹과 같은 유해한 분자인 활성 산소 종(reactive oxygen species)을 높은 수준으로 축적했습니다. 반면, 강인한 잔디는 세포벽을 온전하게 유지했으며 이러한 유해 분자들을 잘 제어했습니다. 흥미롭게도, 민감한 잔디는 방어하기 위해 다량의 보호용 당분과 아미노산을 생산하며 저항하려 했지만, 이러한 노력은 스스로를 구하기에 역부족이었습니다. 그러나 강인한 잔디는 다른 전략을 가진 듯 보였습니다. 즉, 당황하지 않고 추위에 대비하기 위해 내부 대사를 조용히 조절하는 것이었습니다.

이러적인 물리적 차이 뒤에 숨겨진 "이유"를 이해하기 위해, 과학자들은 식물의 유전적 활동을 살펴보았습니다. 그들은 세포 내부의 지침을 읽어 어떤 유전자가 켜지거나 꺼지는지 확인했습니다. 그들은 두 잔디가 완전히 다른 플레이북을 사용하고 있다는 것을 발견했습니다. 강인한 잔디는 지방과 당분을 처리하는 것과 관련된 유전자를 활성화했는데, 이는 세포막을 강화하고 안정성을 유지하는 데 도움이 되었을 것으로 보입니다. 동시에, 추위 속에서 스스로를 손상시키는 것을 피하기 위해 광합성, 즉 햇빛으로부터 양분을 만드는 과정을 늦추었습니다. 반면 민감한 잔디는 화려한 색소와 항산화 물질의 생산을 높이려 시도했지만, 기본적인 대사 과정을 조절하는 데 실패하여 기능이 무너지고 말았습니다.

연구는 민감한 잔디를 위한 잠재적인 해결책으로 이어졌습니다. 연구진은 추위에 노출되기 전 '난농 LG' 식물에 키토산 스프레이를 살포했습니다. 이 간단한 처리는 극적인 차이를 만들어냈습니다. 스프레이를 뿌린 식물은 훨씬 더 많은 수분을 유지했고, 녹색을 유지했으며, 처리하지 않은 식물보다 세포 손상이 훨씬 적었습니다. 추운 기간이 지난 후, 키토산 처리된 식물의 생존율은 처리되지 않은 식물보다 거의 50% 더 높았습니다. 이 물질은 안정제 역할을 하여 식물의 구조를 유지하고 유해한 분자의 축적을 줄여주는 듯 보였습니다.

과학자들이 키토산 처리된 식물의 유전자를 살펴보았을 때, 스프레이가 식물의 유전 코드를 완전히 바꾸지는 않았지만 몇 가지 중요한 스위치를 미세하게 조정했다는 것을 발견했습니다. 그것은 식물의 스트레스 반응을 완화하여, 식물이 추위에 과잉 반응하는 것을 방지했습니다. 구체적으로, 식물이 스트레스를 감지하는 방식과 저장된 에너지를 분해하는 방식에 관한 유전자 활동을 조절했습니다. 이는 키토산이 식물에게 거대한 유전적 개조를 강요하기보다는, 균형을 유지하도록 부드럽게 밀어주는 역할을 함으로써 작동한다는 것을 시사합니다.

이 결과는 서로 다른 잔디가 추위를 어떻게 다루는지에 대한 명확한 그림을 제공합니다. 강인한 품종은 선제적으로 내부 화학 작을 조절하고 세포벽을 보호함으로써 생존하는 반면, 민감한 품종은 적절한 균형을 찾는 데 어려움을 겪으며 결국 손상을 입습니다. 또한 이 연구는 외생적 키토산이 정원사와 잔디 관리자들에게 강력한 도구가 될 수 있음을 보여줍니다. 이 천연 물질을 적용함으로써, 원래는 죽었을 잔디 품종의 내한성을 크게 높여 녹색 시즌을 연장하고 더 추운 기후에서도 잔디를 보호할 수 있습니다. 이 연구는 어떤 식물들은 본래 추위에 강하게 태어났지만, 과학이 나머지 식물들도 살아남을 수 있도록 도울 수 있는 방법을 제공한다는 점을 강조합니다.