Ranunculus flowers produce numerous carpels via evolutionarily rewiring of the canonical AGAMOUS-WUSCHEL developmental module

대부분의 꽃은 정교하고 반복적인 리듬을 가지고 만들어집니다. 꽃은 줄기 끝에 있는 '꽃 분생 조직(floral meriment)'이라고 알려진 작고 돔 형태인 세포 집단에서 시작됩니다. 이 세포 집단은 일종의 건설 현장으로서, 특정 순서에 따라 꽃의 부품들을 만들어냅니다. 먼저 외부 보호 잎이 나오고, 그다음으로 화려한 꽃잎, 이어서 수술, 마지막으로 가장 중심부에 암술이 차례로 나타납니다. 대다수의 속씨식물에서 이 건설 현장은 암술 부분이 형성되는 즉시 가동을 중단합니다. 그 결과, 많은 수의 수술을 가졌지만 암술은 몇 개뿐인 꽃이 만들어지는데, 이는 수백만 년 동안 지속되어 온 패턴입니다. 과학자들은 건설 현장을 유지하는 단백질과 이를 멈추게 하는 단백질이 관여하는 특정 유전적 스위치가 이 타이밍을 조절한다는 것을 오랫동안 이해해 왔습니다. 정지 신호가 도착하면 건설 현장은 평평해지며, 더 이상 새로운 부품을 추가할 수 없게 됩니다.

하지만 자연은 때때로 규칙을 깨뜨립니다. 어떤 식물들은 건설 현장이 닫히는 것을 거부합니다. 암술이 몇 개 형성된 후 멈추는 대신, 계속 성장하며 수십 개 또는 수백 개의 심지어 더 많은 암술을 만들어냅니다. 이는 일반적인 꽃이라기보다 빽빽하고 솜털이 많은 원뿔처럼 보이는 꽃을 만들어냅니다. 오랫동안 연구자들은 이러한 식물들이 어떻게 다른 식물들처럼 건설 현장을 닫지 않고 열린 상태로 유지할 수 있는지 알지 못했습니다. 이것이 단순한 유전 코드의 실수였는지, 아니면 지침의 더 복잡한 재배선(rewiring)이었는지 말입니다. 미나리아재비과 식물을 대상으로, 특히 Ranunculus sceleratus라는 종을 조사한 새로운 연구가 마침내 그 답을 밝혀냈습니다. 연구진은 이 식물이 단순히 정지 신호를 어긴 것이 아니라, 건설 현장을 계속 열어두어 엄청난 수의 암술을 생산할 수 있도록 정지 신호를 진행 신호로 완전히 재배선했음을 발견했습니다.

연구진은 150개 이상의 암술을 만드는 Ranunculus sceleratus와 약 5개만을 만드는 가까운 친척 종인 Nigella damascena의 세포 행동을 비교하는 것으로 시작했습니다. 살아있는 세포가 분열하고 확장하는 모습을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 사용하여, 그들은 놀라운 차이점을 목격했습니다. 암술이 적은 식물의 경우, 꽃 끝의 세포들은 암술이 나타나자마자 분열과 확장을 멈추어 건설 현장이 평평해지고 닫히게 됩니다. 반면 암술이 많은 식물의 경우, 세포들은 첫 암술이 형성된 후에도 활발하게 분열하고 확장합니다. 이러한 지속적인 활동은 건설 현장을 돔 형태와 넓은 공간으로 유지하여, 수백 개의 새로운 암술이 발달할 수 있는 공간을 제공합니다. 연구는 고암술 식물의 세포들이 단순히 더 자주 분열하는 것뿐만 아니라, 더 크게 성장하여 추가적인 기관을 담을 수 있는 훨씬 더 큰 표면적을 만든다는 것을 보여주었습니다.

세포가 왜 계속 성장하는지를 이해하기 위해, 연구팀은 건설 현장을 관리하는 유전자들을 살펴보았습니다. 대부분의 식물에서 WUS라는 유전자는 현장을 활성 상태로 유지하는 엔진 역할을 하는 반면, AG라는 유전자는 브레이크 역할을 하여 암술이 준비되었을 때 WUS를 꺼버립니다. 암술이 적은 식물에서는 브레이크가 완벽하게 작동합니다. 암술이 시작되면 AG 유전자가 WUS 유전자를 침묵시키고 건설은 중단됩니다. 그러나 암술이 많은 식물에서 연구진은 이 식물이 하나의 WUS 유전자 대신 두 개의 WUS 유전자를 가지고 있다는 것을 발견했는데, 이는 고대의 중복 사건(duplication event)의 결과였습니다. 더 중요한 것은, 이 유전자들의 행동 방식이 변했다는 점입니다. 한 개의 유전자는 꽃 중심부에서 계속 작동하여 현장을 열린 상태로 유지했습니다. 그러나 다른 한 개의 유전자는 꽃의 수술 부분으로 그 활동 영역을 옮겼습니다.

가장 놀라운 발견은 브레이크 유전자인 AG가 이 새로운 WUS 유전자 복사본들과 어떻게 상호작용하느냐는 것이었습니다. 일반적인 식물에서 AG는 WUS를 억제합니다. 하지만 이 미나리아재비에서는 AG 유전자가 오히려 하나의 WUS 복사본을 활성화했습니다. 건설 현장을 폐쇄하는 대신, 수술의 존재가 이제 현장을 계속 진행하라는 신호를 보낸 것입니다. 연구진은 이 변화를 유전자가 시작되기 직전의 DNA 서열까지 추적했습니다. 이 식물의 조상에서 이 영역은 AG 단백질을 위한 특정 결합 부위를 가지고 있지 않았습니다. 하지만 고암술 미نا리아재비로 이어지는 계보에서, 이 영역에 두 개의 새로운 결합 부위가 나타났습니다. 이 새로운 부위들은 AG 단백질이 유전자에 달라붙어 유전자를 끄는 대신 켜도록 허용했습니다. 이 단 한 번의 변화가 두 유전자 사이의 관계를 정지 신호에서 진행 신호로 뒤집어 놓았습니다.

이 연구는 이러한 재배선이 꽃의 독특한 형태를 만드는 핵심임을 확인해 줍니다. 연구진이 고암술 식물의 AG 유전자를 억제했을 때, 꽃은 그렇게 많은 암술을 생산하는 것을 멈추고 암술이 적은 친척 종과 유사하게 작아졌습니다. 반면 WUS 유전자를 억제했을 때는 건설 현장이 완전히 붕괴되어 꽃이 제대로 발달하지 못했습니다. 이 증거는 이 식물의 진화가 유전 시스템의 완전한 개조를 필요로 하지 않았음을 시사합니다. 대신, 유전자의 단순한 중복과 그 뒤를 이은 DNA 내의 두 작은 결합 부위의 추가만으로도 근본적인 발 developmental 루프를 재배선하기에 충분했습니다. 이를 통해 꽃은 나머지 식물 부분이 멈춘 후에도 훨씬 더 오랫동안 암술을 계속 만들어낼 수 있었습니다.

이 발견은 복잡한 새로운 형질이 유전 코드의 작고 구체적인 변화를 통해 어떻게 발생할 수 있는지에 대한 명확한 사례를 제공합니다. 이는 우리가 자연에서 보는 꽃 모양의 다양성이 단순히 무작위적인 돌연변의 문제가 아니라, 성장을 조절하는 스위치를 정교하게 만지는 진화적 손질의 결과임을 보여줍니다. 정지 신호를 진행 신호로 바꿈으로써, 이 미나리아재비는 드물고 매우 특화된 꽃 구조를 만들어냈습니다. 이 연구는 식물이 몸을 구축하는 규칙이 유연하며, DNA 서序列의 몇 글자 추가가 생명체의 최종 형태를 극적으로 변화시킬 수 있음을 강조합니다.