본 연구에서는 돼지감자 구근에서 효소인 1-sst와 1-fft 유전자를 분리했으며, 1-sst와 1-fft 유전자가 도입된 형질전환 벼를 이용해 프럭탄의 합성 및 생리적 기능을 알아보고자 했다. 형질전환된 벼는 저온에서도 지속해서 프럭탄이 생성됐으며 저온에 내성을 나타냈다. 따라서 프럭탄 생합성 관련 유전자가 도입된 형질전환 벼는 탄수화물대사 및 환경 스트레스에 대한 내성이 좋은 육종 소재로 이용이 가능할 것으로 보인다.
<h2>Fructan 합성 생리생화학적 구명</h2> <p>1-sst와 1-fft 유전자의 도입이 확인된 형질전환 벼를 이용하여 fructan의 합성 및 생리적인 기능을 알아보고자 실험을 수행하였다. 우선 1-sst와 1-fft 유전자가 생육에 미치는 영향을 관찰하기 위해 형질전환된 벼와 보급 벼 품종들 간에 온도 조건에 따른 생육정도를 알아보았다. 온도 조건에 따른 초장을 살펴본 결과 모든 품종에서 온도가 높아질수록 초장이 길었으며, 분얼수의 경우 내냉성이 강하다고 보고된 상주벼, 운봉벼, 운두벼는 온도가 높은 수록 많은 분얼수를 나타내었으나, 이와 달리 1-sst와 1-fft 유전자가 형진전환된 벼에서는 온도가 낮은 처리구에서 가장 많은 분얼수를 보였다 (Table 1).</p> <p>1-sst와 1-fft 유전자가 저온 처리 시 fructan 및 수용성 탄수화물의 함량 변화에 주는 영향을 살펴본 결과는 Table 2와 같다. 형질전환 벼와 보급 품종들을 이용해 저온 처리에 따른 출수기의 식물체 부위별 수용성 탄수화물(WSC) 함량의 변화를 비교해 본 결과 형질전환 벼 개체에서 보급 품종들에 비해 현저하게 높은 WSC 함량을 나타났으며, 온도 조건이 낮을수록 높은 WSC 함량을 보였다. 또한, 식물체 부위별로 WSC 함량을 비교했을 때에도 다른 보급종들보다는 형질전환 벼에서 더 높게 나타남을 알 수 있었다. TLC를 이용하여 당의 DP별로 분리한 후 벼의 생육 시기별, 식물체 부위별, 온도 수준별, 품종별로 fructan의 합성 및 존재 여부를 확인한 결과(Fig. 6) 단당류로부터 DP5까지 fructan이 존재하고 있는 것으로 관찰되었으며, 특히, 저온에서 높은 함량을 나타냈고, 식물체 부위에 따른 분석 결과 경 부위에서 단계별로 고르게 fructan이 존재하는 것으로 나타났다. 또한 형질전환 식물체의 경우 낮은 온도 처리구에서 다양한 fructan이 고르게 발현되었다. 내냉성이 높은 상주벼와 1-fft 유전자가 형질전환된 벼를 이용하여 식물체 부위별, 온도 수준별로 furctan 함량을 비교해 본 결과 (Fig. 7) 형질전환 벼가 상주벼에 비해 높은 수용성 탄수화물 함량을 나타내는 것으로 나타났으며, 특히 벼 잎 내에 존재하는 fructan의 함량은 형질전환 벼가 대조구인 상주벼에 비해 \( 3.5 \sim 4 \)배 높은 것으로 나타났다. 또한, TLC를 이용하여 fructan을 분리한 결과 모든 처리구에서 형질전환 벼가 더 많은 fructan을 합성하는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과를 통해 1-sst와 1-fft 유전자가 형질전환된 벼는 저온에서도 지속적인 fructan 생성이 가능하며 이를 통해 저온에 내성을 나타낼 수 있을 것 으로 생각된다.</p> <h1>적요</h1> <p>Fructan은 식물이 저온에 노출되었을 때 다양한 조직에 축적됨으로써 여러 스트레스에 저항을 나타내는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 fructan 생합성 경로에 관여하는 효소인 1-sst와 1-fft 유전자를 돼지감자 구근으로부터 분리하였다. 분리한 1-sst와 1-fft 유전자는 Ti-plasmid vector인 KJG V-B2 vector에 35S promoter에 의해 발현할 수 있도록 형질전환용 벡터를 구축하였다. Agrobacterium tumefaciens 법에 의해 1-sst와 1-fft 유전자의 형질전환 벼를 육성하였고, 1-sst, 1-fft 및 HPT 유전자 특이적인 primer를 사용하여 PCR 분석한 결과 유전자가 벼의 callus 게놈 내에 안정적으로 삽입되었음을 확인하였다. 또한 Southern 및 RT-PCR 분석에서도 같은 결과를 얻었다. 형질전환 벼의 후대에서도 안정적으로 유전자가 발현되는 homo 계 통을 선발하였고 이를 이용해 1-sst와 1-fft 유전자의 삽입이 확인된 형질전환 벼에서 유전자의 발현양상을 알아보기 위해 RT-PCR 및 Real-Time PCR를 수행한 결과 형질전환 벼에서 1-sst와 1-fft 유전자 모두 안정적으로 발현되고 있음을 확인하였다. 또한 1-sst와 1-fft 유전자가 삽입된 형질전환 벼를 이용한 기능 분석 연구를 통해 식물체가 저온에 노출되었을 때 1-sst와 1-fft의 작용에 의해 fructan 생합성량이 증가됨을 알 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 얻어진 fructan 생합성 관련 유전자가 삽입된 형질전환 벼는 탄수화물 대사 및 저온, 건조 등의 환경 stress에 대한 내성에 대해 좋은 육종 소재로 이용 가능할 것으로 사료된다.</p>