생명환경화학과 김유진 교수 연구팀이 벼의 씨앗을 만들기 위해 꼭 필요한 꽃가루 신호 전달에 OsPRK 유전자들이 필수적인 기능을 한다는 연구 결과를 발표했다. OsPRK 유전자군을 제거하면 꽃가루가 작동하지 않아 수컷 불임이 됐는데, 이들 유전자가 화분 내 활성산소종(ROS) 수준을 조절해 화분관 발달에 역할했기 때문이다.

* 활성산소종(ROS, Reactive Oxygen Species): 산소 원자를 포함하면서 화학적 반응성이 높은 분자들을 의미한다. 세포 내 과한 활성산소종의 축적은 세포사멸에 이르게 하지만, 적정한 수준이 유지되면 신호분자로서 활용될 수 있다.

식물의 화분은 동물의 정자와 달리 운동성이 없기 때문에 화분관을 형성해 정핵세포를 이동시킴으로써 수정한다. 이 과정은 정교한 신호경로를 통해 이뤄지지만, 지금까지 벼에서는 이에 관여하는 유전자들에 대한 기초연구가 부족했다. 

연구팀은 이 신호를 받아들이는 데 PRK(Pollen-specific Receptor-Like Kinase) 유전자군인 OsPRK1, OsPRK2, OsPRK3 유전자가 필요함을 확인했다. 이 유전자들은 ‘수용체 유사 키나아제’로, 세포가 신호를 받아들이고 전달하는 데 쓰는 단백질이다. 이 세 유전자를 유전자 가위 기술(CRISPR/Cas9)로 제거하면 꽃가루가 암술에 붙지 않고, 잘 자라지 않는다. 결과적으로 씨가 맺히지 않아 수컷 불임이 유발됐다.

벼의 감수 분열 후 화분이 꽃가루관으로 성장해 정자를 암선으로 운반하는 과정은 식물의 유성 생식에서 핵심이다. 연구팀은 이 과정에서 활성산소종이 세포벽 확장을 유도하는 신호 활성 인자로 작용한다는 점에 주목했다.

연구팀이 벼에서 처음 발굴한 PRK 유전자군은 화분 특이적 발현이 특징인 수용체 단백질*의 특징을 가진다. 유전자 가위 CRISPR/Cas9에 의해 이들의 기능을 모두 잃은 3중 돌연변이체는 화분관 발아**를 하지 못하며, 이는 낮은 활성산소종 수준과 관련 있다. 돌연변이체에 활성산소종의 일종인 과산화수소 (H₂O₂)를 처리하면 화분관 발아율이 일부 회복된다. 이를 통해 OsPRK 유전자군이 화분관 발아에 필수적이며, 이 기작은 활성산소종과 관련 있음을 이해할 수 있다. 

* 수용체 단백질(receptor protein): 세포막에 존재하며, 세포 밖의 신호를 감지해 세포 내로 전달하는 역할을 하는 세포막 단백질의 일종이다.

** 화분관 발아(pollen tube germination): 웅성(male) 생식기관인 수술(anther)로부터 나온 화분(꽃가루, pollen)이 정핵 세포(sperm cell)를 전달하고자 한 방향으로 극성 생장(polar growth)을 시도하는데, 이러한 생장을 ‘화분관 발아’라고 표현한다.

【벼 화분관 내에서 OsPRK 유전자군이 매개하는 신호경로 모델】 

한편, OsPRK1/2/3이 모두 기능을 잃은 3중 돌연변이 라인은 웅성(雄性)에 의해서만 불임(sterility) 표현형을 보이는 식물체로, 제웅(除雄) 과정을 생략하고도 교배에 활용해 품종 개발을 더 효율적으로 할 수 있다.

이 같은 내용을 담은 연구팀의 논문은 국제 학술지 『Journal of Integrative Plant Biology』 5월 9일자에 게재됐다.

- 논문 제목: OsPRK1/2/3-mediated reactive oxygen species signaling is required for pollen tube germination in rice(OsPRK1/2/3이 매개하는 활성산소종 시그널링은 벼 화분관 발아에 필수적이다)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1111/jipb.13921 

이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업과 기초연구실지원사업 지원을 받아, 부산대 생명환경화학과 김유진 교수가 교신저자, 손예진 연구원(석사과정 졸업)이 제1저자로, 경희대 정기홍 교수팀과 공동으로 수행했다. 해당 연구는 부산대 LMO(Living Modified Organisms) 격리 포장 시설에서 진행했다.

김유진 교수는 “이번 연구를 통해 벼에서 처음으로 PPK를 찾았고, CRISPR/Cas9을 이용해 3개의 기능중복적 유전자를 동시에 knock-out 시킨 돌연변이를 제작함으로써, 화분관의 수화, 발아에 기능함을 발견했다. 특히, 활성산소 시그널링에 관여함을 확인하고, 웅성불임을 회복할 수 있는 방법을 모색해 응용가치가 높을 것으로 기대한다”고 말했다.

* 상단 인물 사진: 앞줄 왼쪽 세 번째 김유진 교수와 연구실 학생들.

[Abstract]

Pollen hydration, germination, and tube growth are vital processes for the successful fertilization of flowering plants. These processes involve complex signaling pathways. Reactive oxygen species (ROS) generated in apoplast involves signaling for the cell wall expansion during tube growth, however molecular regulators are less known. We identified pollen-specific receptor-like kinase (OsPRK) family genes from rice (Oryza sativa), which have conserved leucine-rich repeat (LRR) and kinase domains. To understand the function of these genes, we produced single and triple mutations for OsPRK1, OsPRK2, and OsPRK3 using the clustered regularly interspaced palindromic repeats (CRISPR/Cas9) system. Among these mutants, triple knockout (KO) lines (osprk1/2/3) exhibited the male-sterile phenotype with normal vegetative growth and floret formation. Through cytological analysis, we confirmed that the reduced seed fertility was due to defects in pollen hydration and germination with low ROS accumulation. This defect of pollen germination was partially recovered by treatment with exogenous H2O2. We also confirmed that OsPRKs could interact with the LRR extension protein. Our results suggest that rice PRKs redundantly play a role in ROS signaling for pollen hydration and germination, and fertility can be controlled by exogenous application.

- Authors (Pusan National University): Yu-Jin Kim, Ye-Jin Son(Department of Life Science and Environmental Biochemistry)

- Title of original paper: OsPRK1/2/3‐mediated reactive oxygen species signaling is required for pollen tube germination in rice

- Journal: Journal of Integrative Plant Biology

- Web link: https://doi.org/10.1111/jipb.13921 

- Contact e-mail: yjkim2020@pusan.ac.kr