본 연구에서는 국내산 토양의 염분 농도가 높은 곳에서도 생장할 수 있는 칠면초를 이용해 식물의 세포벽의 성질 변화와 연관된 expansin 유전자를 분리하여 특성을 밝히는 한편, 토양환경의 염분 농도에 따른 생장정도와 expansin 유전자 발현양상과의 연관성을 확인하고자 하였다.
<h1>서론</h1> <p>식물 세포벽은 다당류인 cellulose와 hemicellulose 간의 수소결합으로 복잡하게 얽혀있는 견고한 기본 구조를 가지고 있다. 따라서 식물 세포의 생장과 분열이 일어나기 위하여 우선 세포벽의 구조가 느슨하게 풀려야 한다. Expansin은 식물 고유의 세포벽 단백질로서 식물 세포벽을 느슨하게 함으로써 식물세포가 신장하도록 유도하므로 식물의 생장에 있어서 반드시 필요한 단백질이라고 할 수 있다. Expansin은 산성 조건 하에서 C-말단 부위를 cellulose에 고정한 채 N - 말단 부위에 있는 활성부위를 이용하여 cellulose와 hemi-cellulose 사이의 수소결합을 분쇄함으로써 세포벽을 느슨하게 하고 팽압의 증가에 따라 세포가 팽창할 수 있도록 한다. Expansin은 단백질의 구조에 따라 EXPA, EXPB, EXLA 및 EXLB의 4개의 subfamily로 나뉜다.</p> <p>Expansin은 세포벽의 물리적 성질에 변화를 줌으로써 식물생장과 발달 전반에 걸쳐 영향을 준다. 특히 벼의 일종인 부도(deepwater rice)에서 expansin 유전자가 절간의 생장과 깊이 관련되어 있다는 사실이 밝혀지면서 expansin이 식물생장을 직접적으로 유도하는 중요한 역할을 수행할 것이라는 가설이 지지를 얻고 있다. Expansin은 또한 뿌리의 생장과 발달에도 직접적으로 관여하는 것으로 알려져 있다. 애기장대의 expansin 유전자 중 AtEXPA7와 AtEXPA18의 발현이 뿌리털 형성과 밀접하게 연관되어 있다는 것이 확인된 바 있으며, 대두 유식물체의 뿌리를 사용한 실험에서는 오직 뿌리의 생장 부위에서만 expansin 유전자가 강하게 발현된다는 것이 확인되었다. 토마토, 벼, 바나나 같이 다양한 식물 종에서 ex-pansin은 세포벽의 연화 과정에 영향을 미치거나, 열매가 발달하는 동안 열매의 크기가 증가하는데 중요한 역할을 하기도 한다.</p> <p>최근에는 세포의 팽창(expansion), 열매 조직의 연화(softening), 탈리(abscission), 발아, 스트레스 반응 및 기생 관계(parasitism) 등의 다양한 생리 및 생태적 현상에 있어서 expansin의 기능에 대한 연구가 수행되고 있다. 일련의 연구 결과에 따르면 expansin의 활성이 호르몬 작용에 의하여 영향을 받는 것으로 나타났다. 이와 같이 expansin은 식물의 생장과 분화에 필요한 세포벽의 변화를 유도하는 중요한 요소라고 할 수 있다.</p> <p>염생식물은 일반 육상식물이 생장할 수 없을 정도로 토양의 염분농도가 높은 바닷가, 호숫가 및 암염이 농축되어 있는 내륙의 토양환경에서 효과적으로 생장할 수 있는 식물을 말한다. 생육지의 수분 함량에 따라서 건염생식물과 습염생식물로 구분하지만 모두 세포 내에 많은 용질을 함유하고 있어 삼투압이 높기 때문에 토양의 염분농도가 높은 경우에도 물을 흡수할 수 있다. 우리나라에 자생하는 염생식물에는 퉁퉁마디(Salicornia herbacea), 갯질경이(Limonium tetragonum), 통보리사초(Carex kobomugi), 나문재(Suaeda asparagoides), 칠면초(Suaeda japonica) 및 해홍나물(Suaeda maritima) 등이 있다.</p> <p>염생식물은 염분이 많은 해안의 염생습지에서 서식하면서 먹이 연쇄의 기초 생산자 역할을 하는 식물이다. 이들은 세립질 토양 입자에 뿌리를 단단히 내리므로 조류로 인한 해안 침식 활동을 억제하며, 조간대의 염분농도에 따라 서식지를 이동하는 특징을 가지므로 염생식물 서식지의 분포 변화를 통한 조간대의 환경변화를 파악할 수 있는 적절한 환경 요소로도 이용되고 있다. 최근 들어 염생식물이 오염물질의 정화 능력이나 다양한 약리적인 효과를 가지고 있는 것으로 밝혀져 관심의 대상이 되고 있으며 재배를 통한 이용 가능성이 날로 증가하고 있다.</p> <p>칠면초는 명아주과 나문재속에 속하는 일년생 초본식물로 Salicornia와 Atriplex와 더불어 높은 염분 농도에서 생장할 수 있는 대표적인 내염성 식물로서 한국 서해안 조간대에 광범위하게 분포하고 있으며 중국-일본 간의 해안 식생을 대표하는 종이다. 나문재속 식물에 대한 국내외 연구는 주로 생리적 특성, 분포특성, 생육에 미치는 환경요인이나, 지역에 따른 형태적 차이 등에 집중되고 있으며 분자생물학적 연구는 시작단계에 있다.</p> <p>최근에는 expansin이 염분을 비롯한 각종 스트레스 반응에 밀접하게 관련되어 있다는 연구 결과들이 보고되고 있다. Expansin 과다발현 애기장대를 이용한 스트레스 실험에서 염분 스트레스와 ABA를 처리한 곳에서의 유식물의 크기와 야생형의 유식물의 크기가 차이가 없는 것이 확인되었다. 내염성 옥수수를 이용한 연구에서 염분농도에 따른 옥수수 expansin 단백질의 발현양상을 분석한 결과, 염분 처리구와 대조구에서 모두 expansin이 발현될 뿐만 아니라 내염성 옥수수에서 야생형 옥수수보다 더 많은 양의 expansin이 발현된다는 사실이 보고된 바 있다.</p> <p>본 연구에서는 분자생물학적인 연구가 미진한 국내산 염생식물 중에서 칠면초를 재료로 expansin 유전자를 분리하여 특성을 밝히는 한편, 토양환경의 염분 농도에 따른 생장정도와 expansin 유전자 발현양상과의 연관성을 확인하고자 하였다.</p>