비타민 C를 이용해 식물이 빛으로부터 자신을 보호하는 방법

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-08

식물의 엽록체에 존재하는 비타민 C는 식물이 과도한 빛에 노출되는 경우 식물의 생장이 억제되는 광억제(photo inhibition) 기능을 막아주는 것으로 알려져 있지만 엽록체에서 이러한 과정이 어떻게 진행되는지는 알려져 있지 않다. 이제, 일본 지속가능한 자원을 위한 리켄 연구센터(RIKEN Center for Sustainable Resources)의 한 연구팀과 오카야마대(Okayama University)의 연구팀이 공동으로 비타민 C가 엽록체에 들어갈 수 있도록 도와주는 수송 단백질인 PHT4;4를 발견하는데 성공했다. Nature communication지에 게재된 이번 논문에서, 연구자들은 PHT4;4가 비타민 C가 엽록체에 들어가는 것을 도와준다는 사실을 보여주고 있다. 연구자들은 PHT4;4를 제거하는 경우 엽록체에 있는 비타민 C가 줄어들고 과도한 빛에 의해 유도되는 광억체 효과가 증가한다는 사실을 발견했다. 연구자들은 이를 이용해 과도한 환경적인 스트레스에 높은 저항성을 지니며 강한 빛이 내려쬐는 지역에서 데미지를 덜 받는 작물을 생산해낼 수 있었다. 우리는 건강을 유지하기 위해 비타민 C를 필요로 하지만 식물들은 자기 자신의 이익을 위해 이를 만들어낸다. 스트레스에 대한 반응으로 미토콘드리아에서 생산되는 비타민 C는 엽록체와 같이 항산화작용이나 식물을 보호하는 것을 도와주는 대사 반응에 관여하는 기관으로 들어가게 된다. 일반적인 식물 모델인 Arabidopsis thaliana를 대상으로 한 실험에서, 연구자들은 PHT4 관련 단백질들이 아스코르브산(ascorbic acid)이라고 알려진 비타민 C가 엽록체로 옮겨지는 것에 관여한다는 자신들의 가설을 테스트해 보았다. 우선, 그들은 프로테오리포솜(proteoliposome)이라고 불리는 인공 멤브레인에 4개의 PTH4 단백질을 삽입해 멤브레인에 대한 이들의 부정적인 효과를 테스트해 보았다. 그리고 그들은 비타민 C만이 PHT4;4를 포함하고 있는 멤브레인을 통과한다는 사실을 발견했다. 이러한 사실은 이러한 종류의 단백질들이 그들이 찾고 있는 수송체라는 것을 보여준다. 다음으로, 연구자들은 PHT4;4가 정확하게 식물체의 어디에 존재하는지를 찾아내는데 성공했다. 정량 PCR(quantitative PCR)결과는 이들이 뿌리가 아닌 잎 부분에 대부분 존재한다는 것을 보여주고 있으며 면역 형광 현미경(immunofluorescence microscopy) 결과는 식물의 세포 내에 이들이 내부 틸라코이드 멤브레인(thylakoid membrane)에 존재하는 것이 아니라 엽록체로 둘러싸인 멤브레인 내에 존재한다는 사실을 보여주었다. 연구자들은 정상적인 식물과 돌연변이가 일어난 식물을 대상으로 이들 사이에서 환원되거나 산화된 비타민 C의 양을 비교했다. 빛이 과한 조건에서, 빛이 약한 조건보다 정상적인 식물 엽록체에서 환원된 형태의 비타민 C가 보다 많이 발견되었다. 이러한 결과는 돌연변이가 일어난 식물에서도 동일하게 발견되었지만 그 양은 정상적인 식물의 35%에 불과했다. 이러한 사실은 돌연변이가 일어난 식물의 잎에서 발견된 환원된 비타민 C의 양이 감소한다는 연구 결과와 일치한다. 식물이 과도한 빛으로부터 자신들을 보호하는 방법 중 하나는 이를 열로 바꾸어 엽록체 내부에서 일어나는 크산토필(xanthophyll) 사이클이라는 연속 반응을 통해 날려버리는 것이다. 비타민 C는 이 과정에 있어서 핵심적인 역할을 하는 코엔자임이며 분석 결과는 돌연변이가 일어난 식물들이 정상적인 식물들이 하는 것에 비해 과도한 빛 에너지를 분산시키지 못한다는 사실을 보여주었다. 오카야마대의 Takaaki Miyaji은 이에 대해 "나는 이번 연구가 보다 효과적으로 비타민 C를 엽록체에 전달할 수 있는 작물을 만드는데 PHT4;4가 하나의 타깃이 될 수 있다는 것을 보여주었다고 믿는다"고 말했다. 또한 리켄 연구팀의 Takahashi Kuromori 역시 "이러한 식물들은 정상적인 광보호 속성을 지닌 식물에 비해 보다 뛰어난 속성을 지닐 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 [Takaaki Miyaji, Takashi Kuromori, Yu Takeuchi, Naoki Yamaji, Kengo Yokosho, Atsushi Shimazawa, Eriko Sugimoto, Hiroshi Omote, Jian Feng Ma, Kazuo Shinozaki & Yoshinori Moriyama, AtPHT4;4 is a chloroplast-localized ascorbate transporter in Arabidopsis. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms6928]을 참고하기 바란다. 그림1: 광스트레스 하에서 비타민 C가 식물의 미토콘드리아에서 방출되어 PHT4;4의 도움으로 엽록체로 들어가게 된다. 그림2: PHT4 류의 계통도와 PHT4;4의 역할 그림3: 엽록체 내에서 탐지된 PHT4;4 C3.png C33.png C333.png http://phys.org/news/2015-01-vitamin-sun.html