한국콩연구회

콩의 개화시기조절에 관한 분자 메카니즘 구명

Verification of Molecular Mechanism of Flowering Time Control in Soybean

주관연구기관 : 경상대학교

연구책임자 : 김민철

발행년월 : 2014-05

주관부처 : 미래창조과학부

원문

http://www.ndsl.kr/ndsl/commons/util/ndslOriginalView.do?dbt=TRKO&cn=TRKO201500002654&rn=&url=&pageCode=PG18

초록

1. 연구의 목적

○ 본 연구에서는 국내 주요 작물 중의 하나인 콩에서 유전체, 비교유전체, 전사체 및 상호작용체 연구 를 통하여 개화시기조절에 관여하는 주요 조절 유전자를 동정하고, 그 기능을 규명함으로써 환경에 반응한 콩의 개화시기조절 네트워크를 분자수준에서 이해하고자 하였다.

2. 연구의 범위

○ 유전체 및 비교유전체 기법을 이용한 콩 개화조절 관련 유전자 동정 및 기능 분석

○ 전사체 연구를 통한 신규의 콩 개화조절 유용유전자 동정 및 기능 규명

○ 국내 재래종 콩 유전자원을 이용한 고유의 개화조절 유전자 확보 및 환경적응 메카니즘 규명

3. 연구내용 및 성과

○ 콩의 genome database 분석을 통하여, 콩의 개화시기에 관여하는 10개의 FT homolog, 4개의 TFL1, 2개의 BFT, 및 1개의 MFT homolog가 존재하고 있다는 사실을 확인하였고, RT-PCR을 통하여 이들 유전자들의 cDNA 17종을 클로닝하였다. 콩의 발달단계별, 부위별 발현양상 및 낮의 길이에 반응한 GmFT homolog 유전자 들의 발현양상을 RT-PCR을 통하여 분석하였다. 대부분의 GmFT 유전자들은 콩의 개화를 촉진하는 단일 조건에 반응하여 발현이 증가된 반면 GmFT1a와 GmFT4는 콩의 개화를 억제하는 장일조건에 반응해서 그 발현이 증가하였다.

○ 개화시기 조절에 있어서 GmFT 유전자들의 기능을 조사하기 위하여 35S::GmFT 유전자를 도입한 애 기장대 형질전환체를 제조하고 개화시기를 조사하였다. GmFT2a, GmFT3a, GmFT5a를 과발현한 애기장대 형질전환체는 개화가 촉진되는 표현형을 보인 반면, GmFT1a, GmFT1b, GmFT4, GmFT6를 과 발현한 애기장대 형질전환체는 개화가 지연 되었다. 이 결과를 통해서 GmFT2a, GmFT3a, GmFT5a 유전자들은 개화촉진인자의 역할을, 반대로 GmFT1a, GmFT1b, GmFT4, GmFT6 유전자들은 개화억 제자로써의 기능을 하고 있음을 알 수 있다.

○ 유전자 발현 양상과 과발현 애기장대 형질전환체의 개화시기 표현형 결과를 종합해 볼 때 콩에 존재하는 10개의 FT homolog들 중에서 일부는 개화촉진 인자로써의 기능을 가지지만 GmFT1a, GmFT1b, GmFT4, GmFT6 유전자들은 개화억제 인자로써의 기능을 가지는 것을 확인하였다. 이 결과를 통해서 GmFT1a, GmFT1b, GmFT4, GmFT6 유전자들이 콩의 genome duplication 과정 및 진화 과정동안에 새로운 기능을 획득(Neofunctionalization)하게 되었음을 알 수 있었다.

○ 기존에 식물체에서 보고된 FT 단백질과 동일한 기능을 가지는 GmFT2a 유전자와 본 연구를 통해서 개화억제 기능을 가지는 것으로 확인된 GmFT4 유전자간의 특이적 기능을 결정하는 구조적차이를 규 명하기 위하여 ‘Exon swapping’ 및 ‘Homology modeling’ 분석을 실시하였다. Exon swapping 실험결 과, GmFT2a 및 GmFT4의 4번째 exon에 존재하는 ‘B-segment region’이 이들 두 유전자의 상반된 기능을 결정하는 중요한 부위임을 규명하였다. 또한 Homology modeling 분석을 통해서 GmFT4의 Asn67 및 Met78 아미노산이 GmFT4의 기능을 결정하는 주요 아미노산임을 규명하였다.

○ 100여종의 콩 유전자원을 이용하여 개화시기 표현형 및 주요 콩 개화조절 유전자들의 발현을 분석하였다. GmGI 및 GmCOL 유전자들의 발현양은 개화시기와 상관관계가 없었으나 GmFT2a와 GmFT5a 유전자의 발현 수준은 개화가 빠른 계통에서 높게 나타났고 개화가 늦은 계통에서는 낮게 나타나는 경향을 보였다. 반면 GmFT4 유전자의 발현 양상은 GmFT2a와 GmFT5a 유전자들과는 반대의 경향을 보 였다.

○ 본 연구를 통하여 GmFT 유전자들의 발현 수준이 콩의 개화시기와 높은 상관관계를 가짐을 확인하였고 GmGI 및 GmCOL 유전자들의 경우는 mRNA의 발현 수준 보다는 유전자 구조변이를 통한 단백질 의 기능변이가 콩의 개화시기 결정에 보다 큰 영향을 미친다는 사실을 확인하였다.