Cytokinin과 auxin이 상호의존적으로 각각 다른 기작을 통해 하배축 혹은 줄기 부위에서 ethylene 생합성을 조절한다는 이론을 확인하기 위하여 본 연구에서는 옥수수 뿌리를 실험대상으로 선정하였고, 옥수수 뿌리에 특정 농도의 BA와 IAA를 각각 혹은 따로 처리를 통해 Ethylene 생합성량 측정을 진행하였다. BA와 IAA를 각각 두 가지 농도로 분리하여 처리 후 차이를 비교하고자 했다. 8시간의 배양 후에 실험 결과를 분석했을 때, BA가 증가할 수록 ethylene 생성량이 유의미하게 증가하였고, IAA와 동시 처리 시에도 상승적인 증가를 관측할 수 있었다. 더불어 이러한 결과를 통하여 본 연구는 BA가 옥수수 뿌리에서의 신장을 조절할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 더불어 해당 실험 결과를 통하여 BA와 굴증성 반응 간에도 상관관계가 있을 것으로 추측하였다.
<h1>결과 및 고찰</h1> <h2>Ethylene 생합성 조절에 미치는 BA와 IAA의 작용</h2> <p>Cytokinin과 auxin은 세포 내에서 세포 분열을 촉진하기 위해 상호의존적으로 작용하며, 하배축이나 줄기에서 각각 다른 기작으로 ethylene 생합성을 조절한다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 옥수수 뿌리에서 cytokinin과 auxin에 의한 ethylene 생합성의 조절 관계를 알아보기 위해 BA \( \left(10^{-6}\right. \) \( \mathrm{M} \) and \( \left.10^{-4} \mathrm{M}\right) \) 와 IAA \( \left(10^{-7} \mathrm{M}\right. \) and \( \left.10^{-4} \mathrm{M}\right) \) 를 각각 혹은 함께 처리하여 ethylene의 생합성량을 측정하였다.</p> <p>8시간 배양 후, \( 10^{-6} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 는 대조구와 비교하여 ethylene 생성을 \( 26 \% \) 촉진시켰으며, \( 10^{-4} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 는 \( 87 \% \) 를 촉진시켰다. 한편 ethylene 생성을 촉진한다고 알려진 IAA 를 처리한 경우\( 10^{-7} \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 는 35\%, \( 10^{-4} \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 는 \( 173 \% \) 촉진시켰다(Fig. 1). \( 10^{-7} \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 와 \( 10^{-6} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 를 함께 처리하면 ethylene 생성은 약 \( 83 \% \) 정도 촉진되었으며, \( 10^{-7} \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 와 \( 10^{-4} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 를 함께 처리하면 ethylene 생성은 \( 153 \% \) 가 촉진되었다. 이와 같이 함께 두 호르몬을 함께 처리하면 각각 단독으로 처리하여 생성되는 ethylene 생성량을 합한 경우보다 더 증가하였다. 이러한 상승효과(synergistic effect)는 IAA의 농도가 높으면 더 급격하게 나타났다. Fig. 1 에서 \( 10^{4} \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 와 \( 10^{-6} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 혹은 \( 10^{-4} \) \( \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 를 함께 처리하면 \( 400 \% \) 이상의 ethylene 생성량이 증가하였다. 이 결과는 BA에 의한 ethylene 생성은 IAA와 함께 처리하면 상승적으로 증가한다는 것을 나타낸다. 그리고 BA 의 농도가 증가할수록 ethylene 생성량은 증가하였다.</p> <h2>ACC synthase (ACS)와 ACC oxidase (ACO) 활성에 미치는 BA와 IAA의 효과</h2> <p>식물체에서 ethylene은 methionine으로부터 S-adenosyl-L-methionine (AdoMet)으로 전환되고, 다시 1-aminocyclopropane-1-carboxyl acid (ACC)를 거쳐 생합성 된다. AdoMet으로부 터 ACC가 합성되는 단계는 pyridoxal 효소인 ACC synthase(ACS)에 의해 조절되고, ACC synthase는 ethylene의 생성을 조절하는 주요 효소로서 세포질에 존재하며 pyridoxal phosphate-mediated 효소 작용의 억제제로 알려진 AVG (L-a (2-aminoethoxyvinyl)-glycine)에 의해 강하게 억제 된다. 한편, auxin은 ACC synthase 유전자의 발현을 증가시킴으로써 ethylene 합성을 자극한다고 알려졌다. ACC가 ethylene으로 전환되는 단계는 ACC oxidase (ACO)에 의해 조절 된다.</p> <p>BA 와 IAA를 함께 처리하였을 경우, 두 호르몬의 농도가 각각 증가할수록 ethylene의 생성량은 상승적으로 증가하였다(Fig. 1). 이러한 결과를 바탕으로 BA와 IAA가 ethylene 생합성 과정의 어느 단계를 조절하는지 알아보기 위해, ACS와 ACO 활성을 조사하였다.</p> <p>Fig. 1에서와 같이, 두 가지 농도의 BA\( \mathrm{}\left(10^{-6} \mathrm{M}\right. \) and \( \left.10^{4} \mathrm{M}\right) \) 와 \( \operatorname{IAA}\left(10^{-7} \mathrm{M}\right. \) and \( \left.10^{4} \mathrm{M}\right) \) 를 각각 혹은 함께 처리한 후 in vitro에서 ACS 활성 수준을 측정하였다. 8 시간 동안 배양한 후 ACS 의 활성 수준을 측정하여 대조구와 비교한 결과 (Fig. 2), \( 10^{-6} \) \( \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 처리 시에는 \( 10 \% \) 정도의 활성 증가를 보였으나, \( 10^{-7} \) \( \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 와 \( 10^{-6} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 를 함께 처리하였을 경우 약 \( 38 \% \) 의 활성 증가를 나타내었다. 그러나 옥신의 농도를 높여 \( 10^{4} \mathrm{M} \mathrm{IAA} \) 를 \( 10^{-6} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 와 함께 처리하였을 경우 약 \( 140 \% \) 정도의 활성 촉진 을 나타내었다. \( 10^{-4} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 를 처리하면 ACS의 활성은 \( 18 \% \) 증 가하며, \( 10^{-7} \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 를 함께 처리하면 \( 47 \% \) 증가하며 높은 농도인 \( 10^{-4} \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 를 함께 처리하면 ACS 의 활성이 \( 270 \% \) 정도 급격하게 증가하였다. 그러므로 ACS 의 활성은 IAA와 BA를 각각 처리하여 나타난 증가율을 합한 것 보다 함께 처리하여 나타난 증가율이 상승적으로 증가하였다.</p> <p>이상의 결과에서 BA는 ethylene 생합성 경로에서 IAA와 마찬가지로 ACS 의 활성을 촉진시켜 조직 내부의 ACC 양을 증가시키며 이로 인하여 ethylene 생성을 증가시킨다는 것을 제시한다. 또한, RT-PCR의 결과, BA와 IAA를 동시에 처리할 때 ZmACS6의 유전자 발현 수준이 증가하였다(Fig. 3). BA와 IAA 를 처리할 때, Ethylene 생성의 상승효과, ACS 활성, ACS 유전자 발현이 모두 유사한 양상으로 증가하는 결과에 따라, IAA 에 의한 BA의 상승작용이 ACS 활성 수준을 증가시키고, 증가된 ACS 활성으로 인하여 ethylene의 생합성이 크게 상승한다는 것을 제시하고 있다.</p> <p>Ethylene 생합성 과정의 또 다른 효소인 ACC oxidase(ACO)의 활성을 측정하였다(Fig. 4). 8 시간 배양 후 측정한 ACO 활성 수준을 대조구와 비교한 결과, \( 10^{-7} \mathrm{M}, 10^{-4} \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 와 \( 10^{-6} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 를 각각 함께 처리하였을 경우에는 별다른 효과가 나타나지 않았으며, 고농도의 \( 10^{-4} \mathrm{M} \mathrm{} \) BA 를 \( 10^{-4} \mathrm{M} \mathrm{} \) IAA 와 함께 처리하였을 경우 약 \( 23 \% \) 정도의 활성 증가를 보였다. 이러한 결과로 보아 BA와 IAA는 ethylene 생합성 경로에서 ACO 활성에는 영향을 거의 미치지 않는 것을 확인하였다.</p> <p>Aloni 등은 아기장대(Arabidopsis thaliana)에 BA를 처리한 실험에서 BA가 뿌리 신장을 억제한다는 것을 확인하였으며, 또 다른 실험에서는 줄기와 뿌리의 형성 및 생장 저해, 잎의 복잡성 감소와 색소형성 증가, 자엽의 노화 감소, 정단우성 감소 등의 현상이 관찰되었다. 한편 하배축의 신장도 억제하며, 이러한 억제 작용은 ethylene 생성의 조절과 관련이 있다고 보고되었다.</p> <p>본 연구를 통하여 BA는 옥수수 일차뿌리에서 IAA와 함께 작용하여 또 다른 식물호르몬인 ethylene의 생성을 촉진한다는 것을 알게 되었으며 이러한 결과는 BA가 옥수수 뿌리의 신장도 조절할 가능성을 제시하며, 더 나아가 굴중성 반응에도 영향을 미칠 것으로 기대된다.</p>