Evolution of the DELLA gene family in plants and functional characterization of PmDELLA-like in the regulation of plant architecture in Prunus mume
이 연구는 324종의 식물에 걸친 DELLA 유전자 가족의 진화적 역사를 규명하며, *Prunus mume* 유전자인 *PmDELLA-like*가 지베렐린 신호 전달을 빛 반응 및 세포 신장 경로와 통합하여 목본 식물의 성장과 분지(branching)를 조절함으로써 식물 구조의 핵심 조절자로서 기능함을 입증한다.
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식물은 햇빛을 차지하기 위해 혹은 가혹한 환경에서 살아남기 위해 높이와 가지치기를 끊임없이 조절하며 형태를 바꾸는 변신의 명수입니다. 이러한 유연성의 핵심에는 지베렐린(gibberellins)이라 불리는 호르몬에 의해 구동되는 정교한 내부 통신 시스템이 자리 잡고 있습니다. 지베렐린을 식물의 성장 가속기라고 생각해보십시오. 지로 높은 수준일 때 줄기는 늘어나고 세포는 분열하며 식물은 하늘을 향해 뻗어 나갑니다. 그러나 자연은 좀처럼 통제되지 않는 가속을 허용하지 않습니다. 식물이 너무 높거나 빠르게 자라는 것을 방지하기 위해, 자연은 DELLA 단백질이라고 알려진 일련의 분자 브레이크를 사용합니다. 이 단백질들은 중앙 스위치 역할을 하며, 호르몬 신호가 옆으로 비켜나라고 명령할 때까지 성장을 억제합니다. 지베렐린이 존재하면, 이는 DELLA 단백질을 파괴하도록 표시하는 수용체와 결합하여 효과적으로 브레이크를 해제하고 식물이 자랄 수 있게 합니다. 가속기와 브레이크 사이의 이 섬세한 균형은 나무나 꽃의 최종적인 구조를 결정하며, 농작물의 수확량부터 관상용 정원의 미적 형태에 이르기까지 모든 것에 영향을 미칩니다.
수십 년 동안 과학자들은 애기장치(Arabidopsis)와 같은 모델 식물에서 이 시스템이 어떻게 작동하는지 이해해 왔지만, 이 분자 브레이크가 전체 생명의 나무 전반에 걸쳐 어떻게 진화했는지에 대한 전체적인 이야기는 여전히 미완성이었습니다. 칭다오 농업대학교 연구진과 그 동료들의 새로운 연구는 수억 년에 걸친 이 단백질들의 역사를 수백 종의 다양한 종을 통해 추적했습니다. 고대 이끼부터 현대의 꽃 피는 나무에 이르기까지 324종의 서로 다른 식물 종의 유전적 청사진을 조사함으로써, 연구팀은 DELLA 패밀리의 진화적 여정을 재구성했습니다. 그들은 이 단백질들이 완전히 형성된 상태로 나타난 것이 아니라, 식물의 성장 제어 기구의 단계별 조립 과정을 반영하는 세 가지 뚜렷한 단계를 거쳐 진화했다는 것을 발견했습니다. 가장 초기 단계의 육상 식물에서 분자 '브레이크'는 호르몬 신호와 독립적으로 작동하는 느슨하고 가변적인 구조였습니다. 관다발 식물이 진화함에 따라 이 구조는 정교하고 보존된 형태로 단단해졌으며, 마침내 지베렐린 수용체와 상호작용하여 현대적인 온-오프(on-off) 스위치를 만들어냈습니다. 이후 꽃 피는 식물들이 다양해지면서 이 패밀리는 두 개의 뚜렷한 계보로 나뉘었습니다. 하나는 고전적인 호르몬 민감형 브레이크를 유지한 계보이고, 다른 하나는 호르몬에 의해 제거될 수 없는 영구적이고 완고한 브레이크로 진화한 계보입니다.
연구진은 시선을 돌려 3,000년 넘게 이른 봄의 꽃과 우아하게 퍼지는 가지로 사랑받아 온 매실나무(Prunus mume)를 주목했습니다. 원예적 가치에도 불구하고, 분재나 화분 재배를 위해 작고 빽빽하게 가지가 많은 품종을 육종하는 것은 그 형태를 조절하는 유전적 규칙이 알려지지 않았기 때문에 어려웠습니다. 연구팀은 매실나무에서 고전적인 DELLA 단백질과는 달리 지로 수용체와 결가할 능력을 상실하여 호르몬 신호에 의해 파괴될 수 없는, 두 번째인 영구 브레이크 계보에 속하는 특정 유전자를 식별하였고, 이를 PmDELLA-like라고 명명했습니다. 이 유전자가 실제로 어떤 역할을 하는지 이해하기 위해 과학자들은 일련의 실험을 수행했습니다. 먼저, 이 유전자가 나무의 성장과 가지치기가 결정되는 바로 그 지점인 나무의 생장점과 어린 잎 눈에서 가장 활발하다는 것을 확인했습니다. 놀랍게도, 단백질 자체는 지베렐린에 의해 분해될 수 없음에도 불구하고, 식물에 호르몬을 살포했을 때 유전자의 활성이 증가했는데, 이는 식물이 성장을 미세하게 조정하기 위해 피드백 메커니즘을 사용하고 있음을 시사합니다.
이 유전자가 실제로 어떻게 작용하는지 보기 위해, 연구진은 이 영구 브레이크를 과다하게 생성하도록 강제된 빠른 성장 모델 종인 포플러 나무에 PmDELLA-like 유전자를 도입했습니다. 결과는 극적이었습니다. 변형된 포플러는 일반 포플러보다 현저히 작게 자랐으며, 잎 사이의 거리도 훨씬 짧았습니다. 단일한 높은 줄기 대신, 나무는 빽빽한 측지 네트워크를 틔우며 덤불처럼 변했습니다. 현미경 아래에서 변형된 나무의 줄기 세포들은 눈에 띄게 작고 더 촘촘하게 밀집되어 있었는데, 이는 해당 유전자가 세포 확장과 분열을 성공적으로 억제하고 있음을 나타냅то. 과학자들은 또한 이 나무들의 호르몬 수치를 측정하였고, 내생 지베렐린 함량이 감소했다는 것을 발견했습니다. 이는 영구 브레이크의 존재가 식물로 하여금 스스로 성장 호르몬 생산을 줄이도록 유도하여, 콤팩트한 형태를 만드는 자기 강화적 순환을 만든다는 것을 시사합니다.
이 유전자에 의해 유발된 유전적 변화를 더 깊이 파고들기 위해, 연구팀은 변형된 포플러 줄기 내의 활성화된 전체 유전자 세트를 분석했습니다. 그들은 이 유전자가 단순히 '정지 표지판' 역할만 하는 것이 아니라, 식물의 내부 시계와 빛에 대한 반응을 재배선한다는 것을 발견했습니다. 일주기 리듬을 조절하는 유전자와 빛의 강도를 감지하는 데 도움을 주는 유전자들이 유의미하게 변화되었습니다. 이는 PmDELLA-like 단백질이 시간과 빛의 질에 대한 신호를 호르몬 신호와 통합하여 나무가 어떻게 자라야 할지를 결정하는 중앙 허브 역할을 한다는 것을 나타냅니다. 이러한 서로 다른 시스템을 연결함으로써, 이 유전자는 식물이 환경에 완벽하게 적응할 수 있도록 높이와 가지치기를 조절할 수 있게 합니다. 연구는 결론적으로, 고전적인 DELLA 단백질이 성장의 주요 스위치 역할을 한다면, 이 DELLA-like 변이체는 호르몬 수치를 빛 및 시간 단서와 균형을 맞춤으로써 식물의 구조를 미세하게 조정하는 정교한 조절자 역할을 한다고 밝히고 있습니다. 이러한 발견은 전통적이고 종종 예측 불가능한 육종 방식에 의존하지 않고도 목본 식물의 형태를 조절할 수 있는 구체적인 유전적 목표를 제공함으로써, 콤팩트하고 덤불 형태를 가진 관상용 나무를 개발하고자 하는 육종가들에게 새로운 로드맵을 제시합니다.
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