식물 내 싸이토키닌의 합성 장소, 이동 기작, 대사 과정 및 항상성 유지 원리에 관한 종합적 이해 doc_id PCY_201412090925020191_3

색소체에서 싸이토키닌이 합성된다는 증거는 더 많이 볼 수 있다. Sakakibara 등(2005)은 아그로박테리아의 T-DNA에서 암호화된 싸이토키닌 생합성 효소가 감염된 식물의 엽록소로 지향되고 거기서 기능을 하는 것을 증명하였다. Tmr 유전자는 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-diphosphate(HMBDP)을 기질로 사용하여 새로운 싸이토키닌 생합성 bypass를 만들어내는 일종의 adenosine phosphate-isopentenyl transferase(ipt)이다. 보통 식물의 싸이토키닌 생합성 회로와는 다르게 P450 monooxygenase-mediated hydroxylation이 필요없이 trans-zeatin-type 싸이토키닌들이 직접 만들어진다. Tmr이 색소체에 존재하는 것과 일치하여 HMBDP는 색소체에 위치한 공통적인 isoprenoid 전구물질들을 만드는 통로인 methylerythritol phosphate pathway의 중간 생성물이다. 이 결과는 아그로박테리아가 기주식물의 색소체에 중요한 효소를 보내서 싸이토키닌 생산을 변경시켜 종양을 발생케 한다는 것이다. 식물에서 원래 주요한 싸이토키닌 합성장소는 뿌리 끝으로 알려져 있으나 최근 이러한 이론은 바뀌고 있다. 즉, 줄기 끝부분, 어린 잎, 꽃의 원기, 과실 안에서 발달 중인 종자 등 여러 곳에서 합성되며 장거리 신호와 국부적인 신호 모두에서 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 뿌리에서 생산된 싸이토키닌은 꼭지방향과 줄기 끝으로 수송되어 절단된 줄기에서 배어 나오는 물관액에서 분리해낼 수 있으며 이것은 활성이 적은 zeatin riboside의 형태를 띠고 있는 것으로 밝혀졌다. Salama과 Wareing(1979)은 식물체에 붙어있는 잎은 뿌리로부터 분비되는 싸이토키닌에 의존하며 떨어진 잎은 인위적인 영양분이 공급될 때 싸이토키닌 합성이 가능하다고 보고하였다. 식물에서 싸이토키닌 분포 유형을 조사하기 위하여 Emery 등(2000)은 GC-MS를 이용하여 생장하고 있는 루핀(Lupinus albus)의 물관과 체관 조직의 다양한 싸이토키닌을 정량화하였다. 싸이토키닌은 특정 세포 및 조직에서 합성된 후 작용부위로 이동하여야 한다. 싸이토키닌의 이동은 싸이토키닌 특이적인 운송체계에 의하여 이동되거나 확산으로 이동되는 것으로 생각된다. 선택적인 싸이토키닌 운송 시스템이 존재한다는 증거는 trans-zeatin이 목부조직에 축적되고 iP가 사부조직에서 과량 발견된다는 점 때문이다. 식물에서 싸이토키닌은 퓨린이나 nucleoside들을 운반하는 같은 수송체계를 이용한다는 것을 보여준다. 색소체에서 세포질로 어떻게 싸이토키닌이 수송되는지에 대한 기작은 잘 밝혀지지 않고 있다. 수송되는 싸이토키닌의 주요 형태는 nucleoside인 것으로 생각되고 있다. 싸이토키닌의 생합성과 항상성 유지는 질소나 다른 호르몬 농도에 크게 의존하는 것으로 알려져 있다. 1955년 발견 이후 싸이토키닌에 대하여 많은 연구가 진행되어 그 구조와 기능에 대하여 많이 밝혀졌다. 싸이토키닌 대사는 싸이토키닌의 세포내 농도 유지 문제와 세포내 활성 유지의 측면에서 생각할 필요가 있다. 이미 알려진 장거리 수송 등도 세포 및 조직의 싸이토키닌 농도를 변화시키는 요인이지만 다른 물질과의 결합(conjugation)이나 cytokinin oxidase에 의한 분해(degradation)가 세포내 활성 및 그에 따른 반응에 끼치는 영향이 더 큰 것으로 알려지고 있다. 싸이토키닌 대사의 많은 단계들이 퓨린 재활용(Purine salvage) 대사회로와 공유되고 있어서 외부에서 싸이토키닌을 식물에 처리하면 이것들이 nucleotide와 nucleoside로 들어간다고 한다. 퓨린 재활용 대사회로에 관여하는 많은 효소들이 아데닌 외에도 싸이토키닌도 인지하고 상호작용을 할 수 있다고 알려졌다. 싸이토키닌 대사는 크게 아데닌 부분을 변형하는 것과 측쇄 부분을 변형하는 두 가지로 나눌 수 있다. 싸이토키닌 항상성(homeostasis)의 기작은 생합성 연구와 대사 작용에 대한 이해가 높아지면서 비교적 자세하게 밝혀지고 있다. 이러한 항상성은 합성(증가), 다른 부위에서의 수송(증가), 당화(감소) 그리고 분해(활성 감소)기작에 의하여 유지된다. 먼저 당화(glycosylation: 싸이토키닌에 당이 붙는 것)에 의한 싸이토키닌 구성부분 및 측쇄의 변경이 싸이토키닌 대사에서 중요한 역할을 한다. 여기서는 이렇게 다른 물질과 결합한 싸이토키닌을 그냥 편의상 싸이토키닌 conjugate라고 부르기로 한다. 당화는 N3 , N7 및 N9 위치에서 상호작용을 함으로써 싸이토키닌의 구성부분에 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 측쇄와 관련되어서는 당화는 trans-zeatin, cis-zeatin 및 dihydrozeatin의 OH기에 영향을 끼치는 것이 밝혀졌다. 식물에서 싸이토키닌의 농도는 싸이토키닌 conjugate들의 방출 속도와 싸이토키닌의 분해속도를 조절함으로써 항상성에 맞추어 유지되는 것으로 알려졌다. 싸이토키닌이 뿌리에서 합성되어 상층부로 이동한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 그러나 식물체 전체 혹은 일부 조직의 싸이토키닌 항상성이 어떻게 유지가 되는지는 아직 확실한 증거가 부족하다. 목부수액(xylem sap)의 싸이토키닌 농도조절은 거꾸로 줄기로부터 뿌리로 이동하는 장거리의 피드백에 의지한다는 가설이 있다. Foo 등(2007)은 싸이토키닌 생산 돌연변이체를 정상식물체와 접목함으로써 이 가설을 조사하였다. 목부수액에서 주요 싸이토키닌인 zeatin riboside, zeatin 그리고 isopentenyl adenosine이 야생종의 식물과 비교하여 감소된 식물체를 야생종에 접목하면 야생종 뿌리의 유전형에도 불구하고 수액의 농도는 똑같이 유지됨이 확인되었다. 이러한 긴 피드백 매카니즘은 적어도 완두콩(pea)과 애기장대(Arabidopsis)에서는 보존된 것으로 보인다. 뿌리에서 생성된 싸이토키닌이 상부로 이동되는 것을 조절하는 것은 억제신호가 상부에서 내려오는 것으로 판단되고 이러한 신호는 각 줄기들 모두에서 비롯되어 아래로 전달되는 것으로 보인다. 무기양료도 식물체의 싸이토키닌 함량에 영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다. Salama와 Wareing(1979)은 해바라기를 이용한 실험에서 식물의 체내 싸이토키닌 함량의 농도에 끼치는 무기양료의 효과를 연구하였다. 그 결과 저농도의 질소는 잎, 뿌리 및 뿌리 삼출액에서 추출가능한 싸이토키닌의 농도를 급격하게 감소시켰고 인산결핍 상황에서도 비슷한 효과가 관찰되었으나 싸이토키닌 농도에 대한 칼륨 결핍 효과는 뚜렷하지 않았다. 식물의 잎의 싸이토키닌 함량은 질소를 암모니아태(ammonium sulphate 나 ammonium nitrate)로 공급할 때보다 질산태(nitrate) 형태로 공급할 때 더 높았다. Takei 등(2001)은 질소가 결핍된 상태에서 재배된 옥수수에 질소가 공급될 때 목부수액 그리고 뿌리 등에서 여러 가지 싸이토키닌의 시간적 공간적 분포를 조사하였다. 뿌리와 줄기간의 의사소통 물질의 관점에서 축적되고 있는 증거들은 질산자체가 일차적인 신호분자로서 질산 동화 유전자들 및 그 관련 유전자들의 전사가 활성화되도록 촉발시킨다는 것이다.