이상열 교수팀. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교(GNU) 이상열 교수 연구팀은 저온지역에서 생육 가능한 유용작물 개발의 가능성을 밝힌 논문을 식물생명과학 분야 세계 최고 학술지인 ‘네이처 플랜트(Nature Plants)’(IF: 13.297) 6월 22일자(한국시각) 온라인판에 게재했다.

경상국립대 식물생명공학연구소 이은선 박사, 박정훈 박사, 위성동 박사과정생과 이상열 교수팀은 ‘식물체가 저온감지 센서 단백질의 활성조절을 통해 냉해 적응능력을 증진시킨다’는 새로운 사실을 밝혀냈다. 이는 식물의 냉해 적응 조절 기전을 밝힌 매우 중요한 사례로, 이 결과를 활용하면 추위에 강한 내한성 작물(골프장용 잔디, 저온지역 생육가능 알팔파 사료, 내한성 옥수수 및 고구마 등)의 개발이 가능하다는 것이다.

연구팀은 “이 연구결과의 실질적인 활용을 위해 연구성과 결과물을 국제특허 출원했다”며 “이 단백질과 유전자의 활용 가능성이 무한하기 때문에 산업적 가치가 대단한 것으로 평가되고 있다”고 설명했다.

이번 연구는 농촌진흥청 ‘바이오그린 연계 농생명 혁신기술 개발’ 연구비 지원으로 진행됐다. 논문명은 ‘Redox-dependent structural switch and CBF activation confer freezing tolerance in plants(산화 환원에 의존적인 CBF의 구조적 변화 및 활성화 조절기전 연구)’다.

특히, 이 연구결과는 순수하게 경상국립대에서 이뤄낸 ‘토종 국내 연구성과’다. 경상국립대의 연구자들의 연구역량이 세계 최고 수준이라는 것을 입증한 사례이다. 주도적으로 연구를 수행한 이은선 박사와 박정훈 박사, 위성동 박사과정생(BK21, 박사과정 3년차)은 이상열 교수 연구팀에서 석사·박사 학위를 취득, 현재 식물생명공학연구소 연구원으로서 다른 독창적 연구를 수행하며 매우 우수한 성과를 도출하고 있다.

또 이상교수는 약학과 김민갑 교수, BK21 FOUR 채호병 박사와 공동연구한 결과를 ‘몰레큘러 플랜트(Molecular plant)’(2020년 식물과학 분야 랭킹 5위, IF=12.084) 5월 4일자 온라인판에 게재한 바 있다.

냉해 스트레스는 식물의 생장·발달을 제한해 작물의 생산성을 급격하게 감소시킨다. 식물체는 냉해 스트레스에 저항하기 위한 다양한 방어 기작을 보유하고 있으며, 전사인자를 통한 냉해 스트레스 관련 유전자들의 발현으로 식물체를 방어하고 있다. 하지만 이러한 전사인자들은 식물의 생장·발달에 부정적인 영향을 미치기 때문에 이들의 발현은 매우 정교하게 조절돼야 한다. 이번 연구에서는 식물의 환경변화에 따라 예민하게 발현이 조절되는 냉해 관련 전사인자 단백질의 활성화 매커니즘을 식물체의 생육발달과 관련해 글로벌하게 연구, 특정 스트레스 상황에서만 기능하는 식물의 냉해 스트레스 저항성 기전을 밝혀낸 것이다.

냉해 스트레스에 의해 생성된 세포 내 활성산소종(ROS)은 식물의 생육과 발달을 조절하는 신호전달 과정에 매우 중요하지만, 활성산소종의 항상성(Homeostasis)이 무너지면 세포들은 심각한 손상을 받아 고유의 기능을 손실하게 된다. 따라서 세포에는 산화·환원 준위 변화를 인지하며 활성산소종의 농도를 조절하는 항산화 시스템이 절대적으로 필요하며 또한 잘 구축돼 있다.

연구팀은 환경 변화에 따른 산화·환원 준위에 따라 식물체의 냉해 스트레스 저항성을 나타내는 핵심 전사인자인 CBFs의 구조 변화와 활성화가 조절됨으로써 식물체가 냉해 스트레스 저항력을 가지게 된다는 사실을 최초로 규명한 것이다. 중요한 것은 산화·환원 조절 기능을 하는 세포질 단백질인 티오레독신 h2(Trx-h2)가 핵 내부로 이동해 전사인자인 CBFs를 환원과 단백질 구조의 변화를 유도, 전사인자로서의 CBFs 기능을 활성화시킨다는 정교한 조절기전을 밝혀낸 점이다.

산화·환원 단백질이 냉해 스트레스 반응을 조절한다는 사실을 밝힌 것은 중요한 학술적 의미를 갖는다. 이는 식물의 냉해 스트레스 저항성 강화 연구를 위한 원천기술을 제공하는 결과로서 작물 수확량 증진과 스트레스 저항성 작물개발 등 후속 연구를 진행하는 데 중요한 발판을 마련한 것이기 때문이다.

연구팀은 “현재는 모델식물에서 냉해 스트레스 조절기전을 밝혔지만, 향후 이러한 정보를 저온 적응성 잔디, 알팔파, 배추, 토마토, 고구마, 옥수수 등과 같은 주요 작물들의 생산과 연계하여 더욱 심도 있고 실질적인 연구를 할 수 있을 것”이라고 설명한다.

이 연구결과는, 지금 인류가 직면한 심각한 환경 변화로 인한 식량자원의 확보가 요구되는 상황에서 작물의 생육을 증진하거나, 식물을 통한 유용한 물질의 생산 기술을 개발하는 등 다양한 응용기술 개발로 연결될 수 있는 기초 기반 정보로, 날로 치열해지는 생명과학 기술 개발에 매우 중요한 원천기술을 확보는 발판을 마련하는 계기가 됐다.

논문을 지도한 이 교수는 “연구를 주도한 이은선 박사와 박정훈 박사, 위성동 박사과정생들은 연구에 대단한 집중력과 뛰어난 분석력을 보이는 매우 우수한 연구자”라며 “협동으로 연구하고 그 과정을 활발하게 토의하는 등 공동연구를 수행해 이 같은 성과를 이뤘으며 모두 성격도 활발하고 팀워크로 연구하는 자세 등도 뛰어나 앞으로 더 큰 성과가 기대된다”고 전했다.