- 표피 운명 결정자로서의 습도 규명 - - Humidity shapes reproductive development in Arabidopsis thaliana by modulating epidermal identity and cell wall dynamics
[머스트잇 토토필요성]
기후변화는 더 이상 먼 미래 이야기가 아니다. 계절에 맞지 않는 장기간의 폭우와 잦아진 이상기후가 해마다 반복되면서 쓰러진 작물과 병충해 피해 뉴스가 이어지고 있다. 이러한 현상이 식물에서 어떤 생리·발달적 이유로 벌어지는지에 대한 과학적 이해는 여전히 부족하다.
상대적으로 가뭄이나 침수와 같은 극단적인 스트레스 상황은 많은 머스트잇 토토가 이루어졌지만, 대기 중 습도 변화가 식물에 미치는 영향, 특히 열매 생산과 직결된 꽃과 생식기관의 발달에 미치는 영향은 거의 알려져 있지 않다.
이러한 지식 공백은 기후변화 시대의 생식 안정성 확보와 작물 생산성 유지를 위해 반드시 해결해야 할 중요한 과학적·농업적 과제로, 고습 환경에서 식물이 어떻게 반응하고 왜 발달에 실패하는지를 밝히는 머스트잇 토토가 절실하다.
[머스트잇 토토성과/기대효과]
본 머스트잇 토토는 꽃의 각 발달 단계에서 고습이 미치는 영향을 포괄적으로 규명하였다. 고습은 꽃밥 열림(anther dehiscence)과 화분·암술머리의 생존성을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 비교적 안전하다고 여겨졌던 꼬투리 내부의 종자 발달까지 심각하게 교란하는 것으로 나타났다. 이는 고습이 식물의 번식 성공을 위협하는 실질적 요인임을 처음으로 명확하게 보여준다.
고습 반응의 양면성도 발달생물학적 관점에서 제시하였다. 평소에는 이로운 적응 특성이지만 장기간 지속되면 회복하기 어려운 손상으로 이어질 수 있음을 규명하여, 기후변화 시대에 식물이 직면하는 취약성을 설명하는 새로운 해석 틀을 제공한다. 또한 습도를 조절 신호로 통합하는 핵심 분자기작을 밝혔다. 고습은 식물 호르몬인 에틸렌을 통해 표피 정체성 조절자 ATML1을 빠르게 억제하며, 이는 표피 분화, 조직 패터닝, 호르몬 균형 전반에 변화를 유도한다. 이러한 결과는 고습이 단순한 스트레스가 아니라 발달 신호(developmental positional cue)로 작용함을 보여주며, 습도에 대한 기존의 관점을 재정립한다.
종합적으로, 본 머스트잇 토토는 고습이 생식 발달을 흔드는 주요 지점을 밝혀내고, ATML1 중심의 표피 가소성이 이러한 변화를 설명하는 핵심 축임을 제시한다. 이는 고습 환경에서 식물이 보이는 취약성과 적응 전략을 이해하는 데 새로운 관점을 제공하며, 기후변화 시대의 생식 생리 머스트잇 토토를 향해 나아가는 중요한 첫걸음이 될 것이다.
[본문]
토토사이트 자연과학대학 이유리 교수 연구팀, 습한 환경이 꽃과 열매 형성을 망치는 핵심 기작 규명 “때아닌 장마가 식물에 치명적인 이유”
토토사이트 생명과학부 이유리 교수 연구팀은 높은 습도(고습 환경)가 식물의 생식 과정 전반을 무너뜨리는 핵심 원리를 규명했다. 이번 머스트잇 토토는 기후변화로 인해 계절을 벗어난 장마·긴 장기간의 고습 환경이 왜 식물 재배에 큰 피해를 주는지를 분자·세포 수준에서 처음으로 체계적으로 설명한 결과이다. 머스트잇 토토팀은 모델식물 애기장대를 이용해 꽃밥 열림, 꽃가루·암술머리의 기능유지, 꼬투리 발달, 종자 형성, 꽃차례 발달이 고습에서 단계적으로 붕괴되는 현상을 관찰했다. 특히 그동안 비교적 안전하다고 여겨지던 꼬투리 내부의 종자조차 고습에 취약하다는 점을 보여 식물 생식 단계의 전반적인 민감성을 드러냈다.
고습은 종자 형성의 첫 단계부터 이상을 일으킨다. 종자가 만들어지려면 꽃밥에서 꽃가루가 나와 적절한 시기에 암술머리에 묻어야 한다. 그러나 습도가 높아지면 꽃가루가 나오는 꽃밥이 제대로 열리지 않고, 꽃가루와 암술머리가 물에 젖어 생존성을 잃는다. 이는 단순한 물리적 젖음의 문제가 아니라, 조직의 막 안정성·세포벽 특성이 무너지는 생물학적 손상에 의한 것임이 밝혀졌다.
종자 형성에도 치명적… 내부에 물이 스며들어 ‘종자 미라화’ 머스트잇 토토팀은 고습이 꼬투리 표면의 큐티클(방수막) 형성을 방해해 물이 내부로 침투하고, 결국 종자가 발달하지 못하고 ‘미라화’되는 현상을 규명했다. 이는 기후변화 시대에 과수·채소류에서 보고되는 고습기 수량 감소 현상과도 맞닿아 있다.
‘적응적 특성(adaptive traits)’의 양면성 규명 고습 반응은 본래 일시적·가역적 환경변화에 대응하기 위한 특성이다. 예컨대, 꽃밥 열림을 위한 humidity-sensitive cell wall loosening은 빠른 습도 변동에 적응한 진화적 장점이지만, 장기간 지속될 경우 되돌릴 수 없는 손상으로 이어진다. 본 머스트잇 토토는 이러한 적응적 특성의 양면성을 발달 생물학적 관점에서 최초로 체계적으로 설명하였다.
핵심 분자 스위치 ATML1… 고습은 표피 정체성을 무너뜨린다 머스트잇 토토의 가장 중요한 발견은, 고습이 ATML1이라는 표피 정체성 조절자를 빠르게 억제한다는 사실이다. ATML1은 식물의 표면을 이루는 세포가 제 기능을 유지하도록 하는 핵심 유전자다. ATML1이 억제되면 큐티클 생성, 조직 패턴 유지, 호르몬 균형이 일시에 무너지고, 그 결과 꽃차례가 성장하지 못하고 멈춰 버리는 현상까지 나타났다. 머스트잇 토토에서는 ATML1의 억제가 에틸렌 신호에 의해 매개된다는 점, 반대로 사이토키닌이 스트레스 이후 회복을 돕는다는 점도 함께 확인하였다.
큐티클이 무너지면 ‘응급 장벽’으로 리그닌이 대체 큐티클 형성이 저해될 경우, 종자 꼬투리 표면에서 lignin이 대체 장벽으로 축적되는 새로운 보상 메커니즘을 발견했다. 이는 리그닌이 전통적으로 2차 세포벽 구성 요소로 알려져 있음에도, 표면 수준에서 큐티클과 유사한 기능을 수행할 수 있음을 최초로 제시한 사례로서 학문적 의미가 크다. 머스트잇 토토진은 새롭게 규명한 리그닌을 ‘Carapace lignin’이라 명명했는데, 이는 거북이나 갑각류가 몸을 보호하기 위해 가진 단단한 외갑(carapace)에서 착안한 것으로, 표면을 감싸 외부 스트레스로부터 조직을 지키는 기능적 유사성과 내부 조직에서 유래했다는(endoskeletal origin) 기원적 유사성을 반영한다.
이번 머스트잇 토토성과는 국제 학술지 Cell Reports에 “Humidity shapes reproductive development in Arabidopsis thaliana by modulating epidermal identity and cell wall dynamics”라는 제목으로 2025년 12월 17일 온라인 게재되었다.
본 머스트잇 토토는 서경배 과학재단(SUHF), 중견머스트잇 토토자지원사업(한국머스트잇 토토재단), 한국머스트잇 토토재단 선도머스트잇 토토센터(SRC, 식물가소성 머스트잇 토토센터)의 지원을 받아 수행되었다.
[머스트잇 토토결과]
Humidity shapes reproductive development in Arabidopsis thaliana by modulating epidermal identity and cell wall dynamics Woo-Taek Jeon, Joohyun Kang, Jung-Min Lee, Kyungyoon Kim, Ahyeon Cheon, Shawn S. Y. Lee, Minsoo Han, Hoon Jung, Sujeong Je, Yasuyo Yamaoka, Yuree Lee# (Cell Reports, In Press)
식물은 환경 변동에 대응하기 위한 다양한 기작을 진화시켜 왔지만, 기후 변화로 인해 점점 더 장기간 지속되거나 극단적인 조건에 노출되고 있다. 본 머스트잇 토토에서는 습한 환경이 애기장대의 생식 기관 발달에 미치는 영햐을 보여준다. 습한 환경은 꽃밥 열림을 억제하고 화분과 암술머리의 기능을 저하시켜 종자 형성을 감소시킨다. 또한 꼬투리에서는 새로운 큐티클 형성을 억제하여 물이 내부로 스며들게 하여 종자가 죽는다. 분자 수준에서 습한 환경은 에틸렌 신호를 통해 표피 조절자인 ATML1의 발현을 가역적으로 낮추며, 꼬투리와 꽃차례 분열조직 모두에서 표피 지정 분화를 방해한다. 이러한 표피 정체성의 상실은 분열조직의 분열 정지와 꽃차례 구조의 변화를 유발하며, 그 과정에는 사이토키닌 신호의 변화가 일부 관여한다. 종합적으로 대기 중 습도는 단순한 환경 스트레스 요인에 그치지 않고 가역적인 발달 신호로도 작용한다. 습도는 표피 정체성과 호르몬 균형을 조절함으로써 식물 생식에 대한, 그동안 과소평가되어 온 새로운 조절 층위로 떠오르며, 이는 기후 변화 상황에서 작물의 회복탄력성에 직접적인 시사점을 제공한다.
그림설명 (©Cell Press, CC BY-NC-ND 4.0 License)
▲ 애기장대에서 습도가 생식 과정에 미치는 영향에 대한 그림
식물은 습하지 않은 일반 조건에서는 꽃밥이 정상적으로 벌어져 꽃가루가 나오고 (A), 이에 따라 수정이 된 종자와 그것을 보호하고 있는 꼬투리가 발달하며 (B), 개체 단위에서는 꽃차례가 일정하게 발달한다 (C). 그러나 습한 환경에서는 꽃밥이 열리지 않게 되며, 그 환경이 오래되면 꽃밥 내부가 물로 차 꽃가루가 죽어가고 암술머리 또한 죽어간다 (A). 꼬투리에서도 습한 경우에는 큐티클(방수막)이 정상적으로 발달하지 못하지만, 그에 대한 대응으로 리그닌을 대체재로써 만든다 (B). 꽃차례의 경우엔 기존에 가장 활발하게 자라는 주요 꽃차례는 꽃 만들기를 멈추고, 습하지 않은 환경으로 돌아왔을 때 곁가지가 대신하여 꽃을 만들기 시작하도록 적응한다 (C). ©Cell Press (CC BY-NC-ND 4.0 License)
□ 용어설명
큐티클(Cuticle): 표피의 가장 바깥을 덮고 있는 층으로, 외부 환경으로부터 내부 조직을 보호하는 기능을 한다. 식물에서는 표피 세포 외측에 왁스 성분으로 형성되어 수분 증발을 억제하고 병원균의 침입을 차단하는 역할을 한다.
리그닌(Lignin): 일반적으로 셀룰로오스와 함께 세포벽 구조를 이루며, 세포벽을 단단하게 만들어 식물의 기계적 강도를 높이고 물관을 통한 수분 이동을 돕는다. 또한 외부 병원균에 대한 방어 기능을 수행하며, 주로 나무와 같은 목본식물에서 많이 나타나 줄기와 뿌리를 단단하게 만드는 원인이 된다.