- 외부 대기온도에 따라 섬세하게 반응하는 단백질 상분리 현상
- 기후 변화에 따른 농작물 생산성 저하에 대응전략 개발에 기여
[연구필요성]
지구 온난화 및 이상기후에 따라 농작물의 개화 및 수확 시기가 변화하고 있으며, 이는 식량 생산성과 품질에 심각한 영향을 미침. 기후 변화에 대응하여 안정적인 식물 생장 및 생산성을 유지하기 개화 시기를 정밀하게 제어할 수 있는 기술이 필요함
식물의 온도 센싱 및 신호전달 기작에 대한 이해는 여전히 식물학계의 핵심 난제로 남아있음. 기후 변화에 효과적으로 대응하기 위해서는 식물의 환경 감지 및 발달 메커니즘에 대한 근본적 이해가 필요함
자연계에서는 광주기(photoperiod)와 외부 온도가 자연스럽게 연동됨. 식물의 외부 온도 인지에 광주기 인자들이 밀접하게 연관되어있을 것으로 예상하며, 두 가지 환경 신호가 어떤 방식으로 통합되는지에 대한 원리 규명이 필요함
특히, 섬세하게 변화하는 빛과 온도 조건을 정교하고 빠르게 인지할 수 있는 생물학적 반응 메커니즘에 대한 이해가 절실한 시점임
[연구성과/기대효과]
서울토토사이트 러쉬교 화학부 서필준 교수, DGIST 이종찬 교수, 성균관토토사이트 러쉬교 정재훈 교수 공동 연구팀은 식물 세포 내 액체 상분리 현상 (liquid–liquid phase separation, LLPS)이 외부 온도 변화에 따라 섬세하고 가역적으로 일어나며, 이 현상은 식물이 꽃을 피우는 시기를 결정하는 핵심 기전임을 규명하였음
식물 개화시기 핵심 결정인자인 GIGANTEA (GI) 단백질은 온도에 따라 특징적인 상분리 현상을 보임. 저온에서는 식물세포 핵 내에서 비활성화 형태의 응축체 (condenstes)를 형성함. 반면 고온 조건에서는 핵 내에 전반적으로 해체되어 (dispersion) 활성화됨. GI 단백질은 해체된 상태에서만 개화 촉진 기능을 수행함
FLAVIN-BINDING, KELCH REPEAT, F-BOX1 (FKF1) 단백질은 청색광과 고온의 조건에서 활성화됨. 활성화된 FKF1 단백질은 GI 단백질의 무질서 영역(intrinsically disordered region, IDR)에 결합하여 핵 내부의 GI 응축체를 해체해 활성화시킴
이는 외부 대기온도가 조금씩 상승할 때 식물의 개화가 빨라지는 상황을 근본적으로 설명할 수 있는 온도 센싱 및 신호전달에 대한 분자 메커니즘을 제안함
향후 식물학 분야에서 세포 내 상분리 조절을 기반으로 한 식물 생장과 발달의 정밀 제어 기술 개발 가능성을 제시함. 이는 기후 변화 대응 안정적인 식량 생산 및 농업 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대함
4외국어교육프로그램
기후 변화의 위협이 커지는 상황에서 식물의 개화 시기를 예측하고 제어할 수 있는 기술 개발의 필요성이 커지고 있음. 특히 작물의 수확 시기와 생산성을 좌우하는 개화 시기의 조절 메커니즘은 미래 식량 안보를 위해 반드시 풀어야만 하는 난제임. 현재까지 대기 온도 변화에 따른 식물이 개화시기 조절 원리는 미지의 영역으로 남아 있음
서울토토사이트 러쉬교 화학부 서필준 교수, DGIST 이종찬 교수, 성균관토토사이트 러쉬교 정재훈 교수 공동 연구팀은 식물 세포 내 액체 상분리 현상 (liquid–liquid phase separation, LLPS)이 외부 온도 변화에 따라 섬세하고 가역적으로 일어나며, 이 현상은 식물이 꽃을 피우는 시기를 결정하는 핵심 기전임을 규명하였음
식물 개화시기 핵심 결정인자인 GIGANTEA (GI) 단백질은 온도에 따라 특징적인 상분리 현상을 보임. 저온에서는 식물 세포 핵 내에서 비활성화 형태의 응축체 (condenstes)를 형성함. 반면 고온 조건에서는 핵 내에 전반적으로 해체되어 (dispersion) 활성화됨. GI 단백질은 해체된 상태에서만 SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP) 단백질 분해 및 FT 유전자 활성화를 동반함으로써 개화 촉진 기능을 수행함.
FLAVIN-BINDING, KELCH REPEAT, F-BOX1 (FKF1) 단백질은 청색광과 고온의 조건에서 활성화됨. 활성화된 FKF1 단백질은 GI 단백질 내 무질서 영역 (intrinsically disordered region, IDR)에 선택적으로 결합하여 GI 응축체를 가역적으로 해체해 활성화시킴
식물 개화 핵심결정인자의 상분리 현상은 작은 외부 대기온도의 변화에도 빠르고 정교하게 식물 발달을 조절할 수 있는 핵심 기전임을 제시함. 중요 결정인자 (decision-making) 단백질의 물리화학적 상태가 환경유도성 발달제어를 정교하게 해낸다는 사실을 증명한 최초 사례임
이는 외부 대기온도가 조금씩 상승할 때 식물의 개화가 빨라지는 상황을 근본적으로 설명할 수 있는 온도 센싱 및 신호전달 메커니즘을 제시함. 나아가 향후 식물학 분야에서 세포 내 상분리 조절을 기반으로 한 식물 생장과 발달의 정밀 제어 기술 개발 (개화시기 제어, 생장 패턴 제어, 기후 적응성 강화 등) 가능성을 제시함. 이는 기후 변화 대응 안정적인 식량 생산 및 농업 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대함
본 연구는 한국연구재단 (NRF), 한국과학기술정보통신부 (MSIT), 농촌진흥청 등의 지원을 받아 수행되었으며, 해당 분야 저명 국제학술지 Nature Plants에 게재되었음
4국가지원연구센터
High-temperature-induced FKF1 accumulation promotes flowering through the dispersion of GI and degradation of SVP
Hong Gil Lee, Jinkwang Kim, Kyung-Ho Park, Hongwoo Lee, Sol-Bi Kim, Ji-Yul Jung, Eunha Gwak, Ji Hoon Ahn, Jae-Hoon Jung, Jong-Chan Lee & Pil Joon Seo
(Nature Plants, https://www.nature.com/articles/s41477-025-02019-4)
외부 대기온도는 식물의 성장과 발달 과정 전반에 걸쳐 큰 변화를 유도한다. 특히 온도 변화에 따른 개화시기의 변화는 작물의 생산성과 직결되는 핵심 단계로, 기후 변화에 대응할 수 있는 작물 개발을 위해 반드시 풀어야 할 과제로 여겨져 왔다. 공동연구팀은 이번 연구에서 온도 변화에 따라 가역적으로 조절되는 액체 상분리 현상 (liquid–liquid phase separation, LLPS)이 꽃이 피는 시기를 결정하는 핵심 메커니즘임을 규명했다. 연구결과에 따르면, 청색광 수용체로 알려진 F-box 단백질 FLAVIN-BINDING, KELCH REPEAT, F-BOX1 (FKF1)은 고온 인지에도 동시에 관여하며, 고온에 활성화된 FKF1 단백질은 개화 핵심 조절인자인 GIGANTEA (GI) 단백질과 결합한다. 저온 환경에서 응축체 형태로 비활성화되어있던 GI 응축체는, FKF1 결합에 따라 빠르게 세포 내로 해체되어 활성화된다. 세포핵 내에 해체된 GI 단백질은 SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP) 단백질 분해 및 FT 유전자 촉진을 통해 개화를 앞당긴다. 이번 연구는 식물이 온도 변화를 감지하고, 환경에 맞는 정교한 개화 시기를 결정하는 메커니즘을 분자 수준에서 최초로 명확하게 제시한데 큰 의의가 있으며, 이는 기후 변화에 대응하여 식물 생장과 발달을 정밀하게 제어할 수 있는 가능성 및 유용 작물 개발의 중요한 기초를 제공한다.
- 4산학협력단개화 (Floral transition) : 식물이 영양 생장(vegetative growth) 단계에서 생식 생장(reproductive growth) 단계로 전환하는 생물학적 과정으로, 꽃 등의 생식 기관이 형성되기 시작하는 시점
- 4산학협력단광주기 (Photoperiod) : 하루 중 식물이 빛(광)을 받는 시간의 길이를 의미하며, 식물의 생리적 반응(개화, 휴면, 발아 등)을 조절하는 중요한 환경 신호로써 식물은 광주기의 길이를 감지하여 계절 변화를 인식하고 이에 대응하는 생장 및 발달 프로그램을 조절함
- 4산학협력단액체 상분리 현상 (liquid–liquid phase separation, LLPS) : 세포 내 특정 단백질이나 RNA 분자가 상호작용하여, 액체 상태 내에서 서로 다른 두 액상으로 분리되는 현상. 이 현상을 통해 세포는 막이 없는 소기관 (membraneless organelles)을 형성하며, 이는 신호전달, 유전자 발현 조절, 스트레스 반응 등 다양한 생물학적 기능을 수행함
- 4산학협력단응축체 (condensate) : 세포 내에서 특정 단백질, RNA, 혹은 이들의 복합체가 고농도로 응집되어 형성된 구조물. 세포 안에서 정보를 전달하거나 반응을 조절하는 데 중요한 역할을 함
- 4산학협력단무질서 영역 (intrinsically disordered region, IDR) : 단백질 서열 중 구조적으로 정형화된 3차원 구조를 형성하지 않고 유연하고 역동적인 상태로 존재하는 영역. 해당 영역은 정형화된 3차원 구조를 가지지는 않지만 다양한 파트너 단백질이나 핵산과의 상호작용을 통해 상 분리 현상 (LLPS)에 중요한 기능을 수행함
[그림설명]
그림 1. 고온에 의한 개화에서 FKF1-GI 돌연변이의 개화 억제 효과
그림 2. 고온에서 FKF1에 의한 GI LLPS 변화
그림 3. GI LLPS 분산에 의한 SVP 단백질 분해 및 FT 유전자 발현 조절 기능