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이웃집과학자

‘Orange 신 단백질’ 황금고구마

By 이웃집과학자

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국내 연구진이 선행 연구를 통해 개발한 카로티노이드 축적을 유도하는 고구마 Orange(Or) 단백질보다, 그 기능이 월등히 향상된 신규 단백질(IbOr-R96H)을 개발하고 원리를 규명했습니다. 향후 기후변화와 고령화에 대응하는 카로티노이드 고축적 산업식물에 활용이 기대됩니다. 한국생명공학연구원 식물시스템공학연구센터 김호수, 곽상수 박사 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 'Antioxidants'에 게재됐습니다.


형질전환 고구마 식물체 제작 모식도.

출처한국생명공학연구원
카로티노이드 고축적ㆍ환경스트레스 내성 관여하는 단백질 기능 규명

고구마(Ipomoea batatas)는 세계 7대 식량작물로 최근 최고의 건강식품과 척박한 토양의 최고의 탄수화물을 생산할 수 있는 바이오에너지 산업식물로 재평가됐습니다. 고구마가 최고의 건강식품으로 척박한 토양에 잘 자라는 이유는 비타민C, 베타카로틴(카로티노이드의 대표적인 황색 항산화물질) 등의 항산화물질이 풍부하기 때문입니다. 고구마는 단순한 구황작물이 아니라 최고의 건강식품으로 최근 확인돼 기후위기시대 구원투수 작물로 부상되고 있습니다. 

고구마.

출처Pixabay

카로티노이드는 모든 식물에 존재(주로 엽록체)하며 빛을 수용하는 광합성의 보조색소로서(주색소: 엽록소) 높은 빛 등에 의한 산화스트레스 피해로부터 엽록체를 보호하는 황색계열의 항산화물질입니다. 카로티노이드계 항산화물질로는 황색고구마의 베타카로틴, 토마토의 라이코펜, 메밀의 루테인 등이 있습니다. 고구마에는 비타민C, 베타카로틴 등이 많이 함유되어 인간에게는 노화와 질병예방에 중요한 역할을 합니다. 특히 고구마 카로티노이드 축적관련 IbOr 유전자를 황색고구마에서 처음으로 분리하고 IbOr 단백질의 기능을 규명하는 것은 식물의 환경스트레스 내성기작을 이해할 뿐만 아니라 카로티노이드 축적을 통한 기능성 산업식물 개발에 도움이 될 것이라 생각하고 본 연구를 진행했습니다.


형질전환 고구마 식물체와 저장뿌리의 표현형

출처한국생명공학연구원

이번 연구 성과는 김호수․곽상수 박사팀이 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스 내성에 관여하는 Orange 신규 단백질(IbOr-R96H)이 기존의 단백질(IbOr)과 비교해 카로티노이드 축적과 고온에 대한 내성 기능이 월등히 향상되는 것을 고구마 식물체에서 처음으로 밝혔습니다.

형질전환 고구마 저장뿌리의 카로티노이드 함량분석 결과.

출처한국생명공학연구원

연구팀은 선행연구에서 고구마 Orange 단백질(IbOr)이 스트레스 조건에서 단백질의 변성을 막아주는 활성이 강하며 스트레스 조건에서 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스에 내성을 갖는 것을 확인하여 논문을 발표 한 바 있습니다(Scientific Reports 2016, Frontiers in Plant Science 2017). 연구팀은 고구마 IbOr 유전자를 고구마, 감자, 알팔파(콩과 사료작물)에 도입하여 카로티노이드를 많이 생산하고 건조, 고염분 등 스트레스에도 강함을 확인했습니다. 또한 연구팀은 실험을 통해 IbOr-R96H 신규 단백질을 과발현한 고구마 배양세포에서, 카로티노이드 고축적이 유도되고 스트레스에 내성을 갖는 것이 확인됐습니다(Plant Cell Reports 2019).


IbOr-R96H 과발현 형질전환 고구마 식물체의 잎에서 고온(47°C) 스트레스 저항성 증가.

출처한국생명공학연구원

이번 연구에서 고구마 괴근에서 Orange 단백질(IbOr)은 전체 카로티노이드 함량을 3배 증가를 유도한 반면 신규 개발 단백질(IbOr-R96H)은 19배 이상의 카로티노이드 고축적을 유도함을 알 수 있었습니다. 특히 베타카로틴 함량은 IbOr-R96H 신규 단백질이 186배 이상이 고축적 됨을 확인했습니다. 이러한 카로티노이드 고축적은 하얀색 고구마 괴근 색깔을 주황색 고구마 괴근으로 변화시키는 결과를 얻을 수 있었습니다.

이번 연구는 중국 내몽고 사막화지역에 잘 자라는 흰색계 품종(Xushu 29)에 IbOr-R96H 신규 단백질을 도입한 것으로 향후 고위도 척박한 토양에 고구마 재배에 도움이 될 것으로 기대됩니다.


연구진.

출처한국생명공학연구원

한국생명공학연구소 김호수 박사는 "이번에 특성이 규명된 IbOr-R96H 단백질은 모든 식물에 적용 가능하며 카로티노이드계 항산화물질(베타카로틴 등)을 고생산하고 고온, 건조 등 각종 스트레스에 강한 산업식물을 개발하는데 활용할 수 있다"며 "이번 성과를 통해 식량문제, 보건문제 해결뿐만 아니라 향후 국내외 조건 불리지역(사막화지역, 오염지역 등)에 대량으로 식재하면 바이오매스 증대를 통한 탄소배출권 확보도 기대된다. 또한 고부가가치 고구마 신품종 개발로 활용될 수 있어 국가 식량과 영양안보 뿐만 아니라 농가소득 증진에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.


##참고자료##

  • Kim, So-Eun, et al. "Overexpression of the Golden SNP-Carrying Orange Gene Enhances Carotenoid Accumulation and Heat Stress Tolerance in Sweetpotato Plants." Antioxidants 10.1 (2021): 51.


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