카오스 재단 - 식물 행성 강연회 - 8강 "꽃은 어떻게 피는가?" 서울대 이일화 교수 강연 요약
2022년 5월 4일 수요일 19:30-21:30
카오스재단 식물행성 강연회 8강 - 꽃이란 무엇인가? -서울대 이일화 교수
1)식물의 환경인식과 개화
- 광주기와 온도(겨울저온)
- 지구공전이라는 천문학적 현상으로 만들어지는 낮의 길이의 변화를 식물이 인지하여 개화 시기를 결정
- 1920년대 가너와 엘라드 박사 메릴랜드 맘모스 담배 연구 (자연 발생적인 돌연변이로 개화하지 않고 계속해서 잎을 생산)
- 광주기는 빛과 주기(생물 시계에 의한 리듬)
- 장일식물(밤이 짧은) vs. 단일식물(밤이 긴) vs. 중일식물
- 광주기 : 빛 + 주기
- 식물이 빛을 인식하기 위한 광수용체 : 파이토크롬 (적생광, 청색광, UV광 ) : 식물은 3 개의 눈을 "잎"에 가짐 ^^
- Night Break : 밤의 길이가 일정 길이가 있어야하는데, 5분 정도 중간에 빛을 쬐면 꽃이 안핌(단일 식물: 16시간 밤)
- 개화 억제하는 적색광을 주고 원적색광을 주면 개화로 빠르게 전환시킬 수 있음 (광전환성)
- 광주기 -> 식물은 생물시계를 가짐
2)광주기와 개화호르몬
- 나팔꽃은 단일 식물: 여름(장일 조건)에 알루미늄 호일로 잎 한 장을 감싸고 이틀이 지나면 꽃이 핀다.-> 잎 한 장이 꽃을 피울 조건이 만들어짐
- 접목 실험 : 단일 식물-> 장일 식물로 접부치기를 하면 단일 조건에서 꽃이 핀다. => 잎에서 만들어진 호르몬(개화 유도 물질: 플로리겐)이 정단분열 조직으로 이동하면서 꽃이 피게 됨
- 분자유전학적 연구 : 돌연변이체를 만들어서 원인이 되는 유전자를 찾고 기능을 분석하는 기술
3)개화는 생식생장의 시작
- 개화는 발달단계의 전이를 뜻함
- 영양생장 -> 생식생장
- 정단분열조직에서 영양생장 시기에는 잎을 만들어내고, 개화유도 물질을 만나면, 화분열조직에서 꽃을 만들어 냄
- 많은 식물이 나선형 잎의 배열을 보임, 꽃은 환형 배열을 이룸
- 꽃기관 형성의 순서
- 화분열조직 : 꽃받침 -> 꽃잎 -> 수술 -> 암술 순차적으로 형성
- 모델식물과 LEAFY유전자
- 생식생장을 추동하는 유전자
- 야생형 (정상) 개체 -> 개화지연 돌연변이
- Leafy 유전자가 망가지면 꽃대가 올라오면서 2차 줄기가 야생 줄기보다 많이 형성되고 꽃잎과 수술이 없는 꽃기관이 나선형으로 만들어짐 =>꽃과 잎의 형태가 결합된 형태의 표현형을 보임
- Leafy유전자가 있어야 꽃기관이 형성됨을 확인
- ABC 모델 : 꽃기관이 어떻게 형성되는지 설명하는 가설
- 유전자 혹은 유전자 조합을 통해서 꽃받침, 꽃잎, 암술, 수술을 만들어 짐
- ABC유전자가 없으면 괴테(식물 형태에 관한 에세이 -식물의 꽃기관은 잎이 변형된 형태이다.)가 예측했듯이 3중 돌연변이를 했더니 잎의 형태를 띈 꽃기관이 만들어짐
- LEAFY(전사유전자)는 꽃기관 발달을 명령
- LFY->AP1 (A)
- LFY ->(+UFO)->AP3(B)
- LFY->(+WUS-정단분열조직을 크게하는 유전자)->AG(C)
- AG--| AP1
- LEAFY 유전자 과발현으로 꽃을 피우게 할수 있다.
4)개화의 액셀과 브레이크
- 개화유전자들(LUMINIDEPENDENS)의 발견
- 유전자 : 단백질의 염기서열(GATC)
- 생명현상 Central Dogma : DNA->RNA(전사), RNA->단백질(번역) : 염기서열에서 아미노산 서열로 변환
- 아미노산 서열에 의해 단백질의 3차원 구조가 결정
- 단백질의 3차원 구조가 결정되면 해당 단백질의 기능이 결정됨
- 염기서열에 들어 있는 정보가 2만개의 유전자 정보 = 2만개의 단백질을 만들어 낼 수 있는 정보
- 수 백 조개의 세포에 2만개의 단백질을 만들어 낼 수 있는 정보가 있고, 각 세포마다 10~20%의 유전자만 이용해서 단백질을 만듬
- 유전자의 기능적 구조
- 프로모터 : 유전자를 켤 지 끌 지를 결정
- 발달과정을 조절하는 방법 : 4진법 체계 ( 엑셀과 브레이크 스위치 )
- 개화시기를 결정하는 액셀과 브레이크
- CO (Constant ) 영양생장 ---> 생식생장 : 엑셀
- FLC( Flowering Locus C) 영양생장 ---| 생상생장 : 브레이크
- 개화시기를 결정하는 유전자 계층구조
- 액셀과 브레이크 : CO, FLC
- 개화신호통합인자 -유전자 발현 양 조절: FT, SOC1
- 영양생장 -> 생식생장 : LFY, AP1
- 식물의 개화 신호 인지
- 광주기, 호르몬 GA, 발달단계 모니터링, 춘화처리, 연령
- 장일 신호를 CO가 인지, mRNA량으로 CO 유전자 발현량을 조사해보면 생물시계의 리듬을 보여줌
- 장일조건하에서는 CO유전자의 양이 Peak가 될 때, 빛이 있고 단일조건하에서는 CO가 Peak일 때 밤이 됨으로 계절(=장일/단일 조건)을 인지함
- FT 단백질이 플로리겐임이 2007년에 밝혀짐 : 접목을 통해 만들어짐
- CO가 직접 FT에 붙어서 개화의 스위치를 켬
- 벼와 같은 단일 식물에서는 CO(HD1)이 FT(HD3)를 억제함
5)밀, 보리 겨울종의 춘화처리
- 라이센코와 에피유전학
- 춘화처리가 필요한 식물 : 배추, 당근, 사탕수수, 밀, 보리, 귀리
- 겨울 저온을 유식물 상태로 남아 있다가 성채가 될 때까지 잎을 충분히 만들어지면 꽃을 피움
- 분자 수준의 기억장치가 식물에 있다 -> 후성유전학
- FLC 유전자는 크로마틴 구조로 되어 있음. FLC 가 겨울저온을 거치면 유전자가 빽빽하게 감겨 있어 FLC가 발현이 되어 있지 않아 꽃이 빨리 피게 됨
- 라이센콘 (러시아 과학자) : epi 유전학
- CO, FT(광주기 조절 유전자)는 진화적으로 잘 보존되어 있음
- FLC 유전자(춘화처리)는 수렴진화됨
6)못다한 이야기
- 이른 봄의 개화
- 목련은 겨울 눈이 늦여름(장일 조건)에 형성 : 장일 식물
- 벗꽃은 꽃눈이 늦가을(단일 조건)에 형상 : 단일 식물
- 개화 시기를 조절하는 법
- 개화시기를 조절하는 동물들
- 벌이 식물의 잎에 상처를 내면 한 달 안에 꽃을 핌
- 벌의 침을 통해 화학물질 분비 -> 개화에 영향
- 광주기와 온도를 인위적으로 조절하기도 함
- 유전적 조절을해서 개화 유도
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