식물의 생장과 발달에 미치는 호르몬의 역할과 싸이토키닌의 특성 및 연구 역사 doc_id PCY_201412090925020191_1

모든 생명체는 하나의 세포에서 시작되어 분열되며 그 세포는 발달하여 다양한 역할을 하는 세포 혹은 조직으로 분화된다. 이러한 식물의 생장과 발달은 유전적 요인, 외부환경 요인 그리고 식물 내부의 화학적 호르몬의 영향을 받는다. 식물은 빛, 중력, 수분, 무기양분 및 온도와 같은 많은 환경적인 요인들에 대하여 반응한다. 식물의 호르몬은 식물로 하여금 그 환경에 반응하는 능력에 영향을 끼치는 화학적인 신호이다. 호르몬은 저농도에서 효과가 나타나는 유기화합물이다. 보통 식물의 한쪽에서 합성되어 다른 곳으로 수송되어 작용한다. 이들은 특별한 표적 조직과 상호작용을 하여 생장이나 과실 성숙 같은 생리적인 반응을 일으킨다. 이러한 각 생리적인 반응들은 두 가지 이상 호르몬의 상호작용의 결과인 경우가 많다. 따라서 이러한 호르몬들은 필요한 시기에 필요한 곳에 필요한 양만큼 존재해야 식물이 정상적으로 발달할 수 있다. 싸이토키닌은 식물의 분화와 발달에 가장 중심적인 역할을 하는 호르몬이다. 미생물 및 식물에 존재하는 다양한 합성경로와 관여되는 많은 효소들은 진화의 과정에서 잘 보존된 이 호르몬의 기능이 생명현상의 필수 요소임을 말해준다. 조직배양실험에서 최초로 그 기능이 알려지게 되어 인공합성에 이르면서 그 이용의 폭은 넓어졌으나 그 다양한 작용기작에 대한 이해는 분자 유전학적 기술의 발달로 이제 겨우 어떻게 연구를 해야 할 지 그 도구를 찾아낸 정도라고 할 수 있다. 식물의 생장과 발달이 싸이토키닌의 생산, 생산지로부터 작용부위로의 수송, 작용지점에서 작용원리, 세포나 조직 내의 적정농도유지, 미세조직에서의 작용 등이 다양한 유전자와 효소들의 적절한 시기에 적절한 부위에서 적절한 수준으로 발현이 유지되고 있음이 이번 자료집에서 어느 정도 정리되었다. 이 자료를 통하여 이 분야에 현재 어떤 문제점들이 미해결로 남아있는지 많은 고민으로 찾아내고 내 것으로 만드는 노력이 필요할 것이다. 싸이토키닌은 식물의 세포분열을 촉진시킨다. 싸이토키닌은 발달하는 잎, 뿌리, 과실, 종자 등에서 생산된다. 천연적으로 나타나는 싸이토키닌은 adenine에서 유래된 것으로 추정되고 N6 말단에 방향족 혹은 이소프렌(isoprenoid)에서 유도된 측쇄를 가지고 있다. 여기에 반해 인공 싸이토키닌은 기본적으로 diphenylurea 계통이다. 현재 싸이토키닌은 2종류로 분류되는데 그 하나는 방향족(aromatic)이며 두 번째가 이소프렌 계통의 싸이토키닌이다. 식물에서 가장 흔한 천연 싸이토키닌은 trans-zeatin 이며 지금까지 식물 조직은 인공 싸이토키닌보다 zeatin 같은 천연 싸이토키닌에 더 잘 반응하는 것으로 알려지고 있다. 싸이토키닌은 조직배양에 없어서는 안 될 생장조절제이다. 옥신과 싸이토키닌의 비율에 따라 뿌리, 캘러스 및 줄기발생이 결정된다. 1950년대 부터 주목을 받은 조직배양 기술은 생물체의 조직의 일부를 떼어내어 무균적으로 배양하는 기술이다. 배양이란 결국 세포분열을 유도시켜 생물체의 일부를 원래 생물과 단절된 환경에서 계속 자라게 유도하는 기술이다. 그 당시 이 기술이 주목을 받은 이유는 이를 이용하여 조직이나 기관의 영향을 받지 않으면서 세포의 생장 및 분화 과정을 연구할 수 있으라는 기대 때문이었다. 현대 식물생명공학은 그 뿌리가 단연 이 조직배양기술이라고 할 수 있다. 그러나 세포나 조직은 그냥 자라는 것이 아니라는 사실이 곧 밝혀지면서 세포나 조직의 분열을 야기할 여러 가지 무기양분과 생장촉진 화학물질이 탐색되기 시작하였다. 따라서 식물유전공학의 바탕이 된 이러한 기반기술도 오랜 시도와 실패 끝에 얻어진 경험의 산물이다. 이러한 시도는 조직배양 연구의 초기부터 오늘날까지 계속되고 있지만 지금처럼 많은 자료가 축적되지 않았던 초기에는 대단히 어려운 도전이었을 것이다. 1950년대 초반 Skoog 교수의 그룹은 화학물질 처리로 배양중인 담배줄기의 절편에서 새로운 줄기를 발생시키는 연구를 하고 있었다. 이들은 온실에서 자란 식물의 줄기조각을 무균으로 건전한 상태로 얻는데 어려움을 많이 겪은 것 같다. 우리는 지금도 야외에서 자란 포플러나 자작나무의 무균배양체를 얻는데 상당한 주의를 기울여야 한다. 그 당시에는 아마 야외 재료의 선택, 소독 방법, 배양환경 등이 지금처럼 잘 확립되지 않아서 더 어려웠을 것이다. 이들은 배양 조직들을 한정된 시간 동안 자라게 할 수는 있었으나 꾸준한 생장이나 유지, 혹은 완전한 식물체의 재생에는 실패하였다. 많은 첨가물이 시험되었는데 그 중 코코넛 밀크가 배지에 첨가되었을 때 까마중(Solanum nigrum)의 어린 배가 생장하는 것이 다른 그룹에 의하여 그 이전에 확인된 바 있었다(van Overbeek 등, 1941). 이후 코코넛 밀크에 식물의 생장을 자극하는 물질이 있음을 인식한 Miller 등(1956)에 의해 이 물질이 싸이토키닌 임이 확인되었다. 곧이어 van Staden(1974)은 yeast와 malt extract로 부터 생장촉진 활성물질을 분리하고 이물질이 zeatin riboside임을 확인하였다. 그는 1974년 Physiologia Plantarum의 논문에서 “몰트 추출물 및 코코넛 우유에서 지극히 활성이 있는 알려지지 않은 물질이 존재함이 밝혀졌다. 이 화합물이 diphenylurea가 아니라는 징후가 있다”라고 쓰고 있다. 그 당시의 증거는 거기까지였던 것 같다. 이러한 선구적인 연구들이 싸이토키닌 연구의 길을 열었다고 할 수 있다. Skoog 박사는 2001년 92세를 일기로 세상을 떠났고 학술지 Journal of Plant Growth Regulation은 2002년 그를 추모하기 위하여 Cytokinin Biology 특집호(Vol. 21)를 발행하여 그의 업적을 기렸다. 자연계에서 싸이토키닌의 효과가 극대화되어 나타난 경우는 토양세균(Agrobacterium tumefaciens)에 감염된 쌍자엽 식물이 만들어내는 근두암 종병의 증상인 crown gall이라는 tumor라고 할 수 있다. 이 박테리아로 감염되면 종양조직이 잎, 줄기, 뿌리 등 식물의 어느 부위에서도 발생된다. 아그로박테리아에 의한 쌍자엽식물에 tumor가 형성되는 이유는 T-DNA라는 박테리아 DNA의 특별한 조각이 식물체의 DNA로 이전되면서 일어난다. 이 T-DNA는 식물 세포에서 활성이 있는 프로모터와 유전자를 함유하고 있어서 세포의 호르몬 균형을 깨뜨리는 호르몬 생산 효소를 암호화한다. 이러한 현상은 고등식물의 분화가 이미 끝난 조직의 세포들이 다시 분열조직이 될 수 있는 전형성능(totipotency)을 가지고 있음을 보여준다.