식물의 생장, 발달 및 노화 과정에서 싸이토키닌을 포함한 다양한 식물 호르몬들의 상호작용과 그 생리적 역할 doc_id PCY_201412090925020191_6

ipt 유전자의 과발현에 의한 노화 지연의 효과는 관상용 식물과 채소 그리고 과일의 저장 기간을 증가 시킬 수 있을 것이라 생각되었다. Li 등(1992)은 ipt 유전자가 과발현시킨 담배의 잘려진 잎이 오랫동안 엽록소를 유지하는 것을 확인 할 수 있었다. Pogány 등(2004)은 CaMV 35S:ipt 유전자로 형질전환시킨 싸이토키닌 과발현 담배의 tobacco necrosis virus(TNV) 감수성을 조사하였다. ipt 도입유전자로 인한 과량의 싸이토키닌은 식물의 노화를 크게 지연시켰다. 바이러스로 인한 necrotic lesion의 수 및 coat protein 함량은 비교식물보다 크게 낮았다. TNV 접종시 싸이토키닌 유전자 발현 담배의 leaf disc는 에틸렌과 에탄(ethane)을 덜 발생시켰는데 이는 높은 스트레스 내성과 낮은 수준의 lipid peroxidation이 일어남을 가리킨다. 대조계통과 비교할 때 형질전환체는 TNV를 감염 시킨 것이나 시키지 않은 것 모두 H2O2 축적이 거의 일어나지 않았다. McCabe 등(2001)은 애기장대의 노화 특이 SAG12 프로모터의 조절을 받게한 ipt유전자(PSAG12-Iipt) 형질전환 유전자의 동형접합체 상치의 성숙한 head에서 발달단계와 수확 후 잎이 노화를 크게 늦추었음을 보고하였다. 잎의 노화의 지체 말고도 성숙한 60일 된 식물은 정상적인 형태를 보여 상추머리의 둘레, 잎과 뿌리의 생중량에서 아무런 차이도 보이지 않았다. 질소결핍으로 인한 노화 유도는 형질전환 및 비교식물의 전체 질소량, 질산태 질소의 양 및 생장을 빠르게 감소시켰으나 엽록소는 형질전환 식물의 하층부 잎에서 유지되었다. 수확된 PSAG12-ipt 식물의 head 역시 그 하부 잎에 엽록소를 유지하고 있었다. 형질전환체의 꽃대가 올라오고 (bolting) 꽃이 피기 전(preflowering)까지의 후기 생장 기간 동안 잎의 엽록소, 총단백질, 광합성효소 rubisco 함량의 감소가 없어져서 이러한 요소들이 식물 전체에 골고루 분포하게 만들었다. 식물 노화는 에틸렌, ABA 그리고 싸이토키닌의 변화에 의하여 부분적으로 조정되는 프로그램의 조절을 받는다. 노화가 지연되는 형질전환 식물은 이러한 신호간의 상호작용을 연구하는데 유용하다. 아그로박테리아의 싸이토키닌 합성 유전자 ipt를 노화관련 유전자(SAG12)의 프로모터의 조절을 받게 하여 발현시켜 노화를 지연시키는 데 이용되고 있다. Chang 등(2003)은 petunia(Petunia xhybrida cv V26)를 PSAG12-ipt로 형질전환시켰다. 꽃의 수명이 길어진 두 형질전환 계통을 이용하여 증가된 싸이토키닌의 함량이 페튜니아 꽃잎의 에틸렌 합성과 감수성 그리고 ABA 축적에 미치는 영향을 조사하였다. 이 계통들에서 꽃의 노화는 야생형에 비하여 6~10일 지체되었다. 전사체는 수분(pollination) 후에 증가되었는데 이때 싸이토키닌 축적도 함께 일어났다. 내부 에틸렌 생산은 야생형이나 형질전환체의 꽃 모두에서 수분에 의하여 증가되었으나 이 증가는 ipt 형질전환체에서는 지체되었다. 오랫동안 식물 호르몬은 스트레스에 반응하는 것으로 알려져 왔다. 이러한 것의 전형적인 예는 수분 스트레스에 의한 세포내 ABA 수준의 변화이다. 초기 연구는 신호 분자들이 수분 결핍시 감지와 지상부로 전달하는 전달자로서의 역할에 집중되어 연구 되었다. Itai 등(1991)은 가뭄, 염분, 홍수 그리고 뿌리의 산소 결핍과 같은 여러 스트레스를 식물이 감지하여 뿌리와 줄기 사이의 정보교환이 중요한 요소라고 보고하였으며 이러한 스트레스로 줄기에서 ABA 함량이 증가되며 뿌리로부터 줄기로 이동되는 싸이토키닌은 감소되어 호흡과 생장을 억제함을 발견하였다. 이러한 결과들로 미루어 싸이토키닌이 신호물질 임을 제시하였다. Davis와 Zhang(1991)은 식물 호르몬 ABA, IAA 그리고 싸이토키닌이 기공 개폐를 조절하여 수분 스트레스에 대한 반응을 조절한다. 이 경우에도 싸이토키닌은 신호물질과 조절물질로 작용한다고 하였다. 에텔렌은 과실의 성숙과 관련이 있으며 유일하게 가스(gas) 상태의 호르몬이다. 고등식물에서 에틸렌은 메티오닌(L-methionine)에서 부터 비롯된다. 메티오닌이 ATP에 의하여 S-adenosyl methionine으로 전환되고 이것이 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid(ACC)를 거쳐서 에틸렌이 된다. 에틸렌이 ACC로부터 만들어지는 반응은 완전히 산소 의존적이어서 공기(산소)가 없는 경우에 에틸렌 합성은 완전히 억제된다. 식물에서 에틸렌의 농도는 생합성되는 속도와 이 가스(gas)의 확산속도에 따라 달라진다. 에틸렌은 활발하게 수송되지도 않고 잘 분해되지도 않는다. 죽거나 상처받거나 병든 잎이 건강한 잎을 가리거나 병을 옮기기 전에 빨리 떨어뜨려 수분손실을 막거나 병드는 것을 방지시키는 것도 에틸렌의 역할이다. 이 결과는 잎의 생장에 싸이토키닌이 절대적으로 필요하며 싸이토키닌이 뿌리와 줄기에서 반대의 역할을 하면서 식물의 분열조직의 활성과 형태형성에 중요한 조절 요인임을 알려준다. 이외에도 많은 다른 식물 종들을 이용하여 cytokinin oxidase 유전자의 분리와 그 발현양상이 보고되었으나 그 결과는 일관성 있는 싸이토키닌에 의한 유도와 싸이토키닌의 생리적 효과를 억제하는 경향이다. 여기에는 벼(OsCKX1 및 OsCKX5, Sasaki 등, 2002) 서양난(DSCKX1, Dendrobium, Yang 등, 2003)등이 포함된다. 그러나 같은 종에서 나타나는 많은 homolog들은 식물체에서 그 각각의 역할을 궁금하게 만든다. 최근 Massonneau 등(2004)은 여러 가지의 CKO 유전자들을 (CKO2～CKO5) 분리하고 이들의 조직 특이적 발현을 확인하였다. 그 결과 CKO1 유전자는 옥수수의 낱알에서 가장 높게 발현되는 반면 CKO2～CKO5의 4개의 유전자는 영양조직에서 가장 높게 발현 되는 것이 확인되었다. 여러 식물 호르몬들이 식물의 생장과 발달과정에서 상호작용을 한다. 특정 형태의 조직 혹은 특정 발달 단계에서 다양한 호르몬들의 역할을 밝히는 것은 외부에서 처리를 하든지 항시적으로 발현시키는 방법으로는 어려운 일이다. Huang 등(2003)은 싸이토키닌 분해 유전자 CKX1과 GA 신호전달에 관여하는 유전자 gai을 조직 특이적으로 발현시키는 프로모터를 이용하여 웅성기관(male organ) 발달에서 싸이토키닌과 GA의 역할을 연구하였다. 형질전환 옥수수의 생식조직에서 CKX1의 축적은 웅성불임 식물을 만들어 내었다. 이 식물들의 웅성발달은 kinetin과 thidiazuron을 처리함으로써 회복되었다. 이와 비슷하게 담배 및 애기장대의 약과 화분에서 gai의 발현은 이러한 조직의 발육부전을 야기시켰다. gai로 유도된 형질전환 식물의 웅성불임 표현형은 외부에서 kinetin을 처리함으로써 역전시킬 수 있었다. 이 결과는 웅성발달에서 싸이토키닌과 지베렐린이 관련 있다는 증거로서 웅성발달은 다양한 호르몬의 협력하에 조절된다는 가설을 지지한다.