생화학분자생물학회

The Special Crop Science Laboratory 

(전남대학교 특용작물학 실험실)

이옥란

​전남대학교 농업생명과학대학

[연구실소개] 

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  본 연구실은 특용작물연구실로 고려인삼을 활용 사포닌 생합성유전자의 분자 및 생화학적 수준에서의 조절관계 이해를 통한 기능성 세포주 및 작물을 생산하고자 한다. 이는 웰빙을 추구하는 흐름에도 부합되며, 인삼 작물의 근본적인 생리/생태 및 이차대사산물 생산 기작의 이해를 높여 다양한 방면의 응용으로도 활용될 수 있는 분야이다. 대표적인 식량작물 및 기능성 작물을 활용 인삼의 사포닌으로 알려진 진세노사이드를 생산하는 시스템을 구축하고자 한다. 기본 모델 식물인 애기장대를 활용, 기초적인 기작을 이해하고 특용 작물을 통한 응용의 학문에까지 범위를 넓혀 산업과의 연계도 도모하고자 한다. 또한 식물 호르몬 옥신 수송의 조절기작 및 이의 조절인자로 본 연구책임자에 의해 보고된 인지질가수분해라는 효소군의 특성을 생리적 특성 및 식물 발달에 미치는 영향에 대한 분자수준에서의 기작을 이해하고자 한다. 유전자 편집기술 및 다양하게 변화하는 융·복합형 기술의 접목을 통한 새로운 작물육종의 패러다임 구축이 최종 목표이다​.

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​[연구내용] 

(1) 고려인삼 사포닌생합성유전자 조절기작 규명을 통한 대사재설계 원천기술 개발​

  인삼제품에 대한 시장 잠재수요는 2009년 기준 12억 1,500만 달러 규모이며, 인삼제품의 수요는 참살이(Well-Being)와 건강에 대한 관심이 높아지는 최근의 경향에 따라 꾸준히 증가하여 2014년에는 1,749백만 달러 규모가 될 것으로 전망하고 있다. 이에 안정적이고 효율적인 고부가 특정 산물의 효율적인 조달은 국가 경쟁력 확보에 도움이 될 것이다. 인삼 사포닌의 생합성에 관여하는 대표적 유전자인 HMGR(HMG-CoA Reductase), SQS(Squalene Synthase), SQE(Squalene Epoxidase), bAS(Beta-Amyrin Synthase), 그리고 DDS(Dammarenediol II Synthase)가 그림 1에 나타나 있다. 인삼 사포닌의 함량을 증가시키기 위해 다양한 생명공학적 기법을 활용하여 이들 유전자 발현에 영향을 주는 연구가 진행되었다. 인삼 식물체에 RNAi(RNA Interference)를 유도하여 대표적인 인삼 사포닌의 함량에 변화가 있음을 보여준다거나, 과발현체를 유기하고자 하는데 많은 연구가 이루어져 왔다. 

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그림 1. 인삼에서의 식물스테롤 및 인삼 사포닌 생합성 경로

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  하지만 단순 생합성에 관여하는 유전자 조작만으로는 괄목할만한 성과를 보여주지 못했으며, 가장 큰 문제점은 안정된 형질전환체 선발에 어려움이 많아서 부정근 유기에 국한된 연구 결과들이 대부분이다. 이러한 문제점을 근본적으로 해결하고자, 이옥란 교수 연구실에서는 각 인삼에서 밝혀진 생합성관련 유전자들의 세포 소기관내의 발현 위치를 파악하고, 각 유전자의 조절양상을 파악하고자 유전학, 분자생물학, 생화학적 기술들을 도입하여(그림 2), 대사경로 조절양상에 대한 명확한 해답을 얻고자 한다. 이옥란 교수는 이를 활용하여 인삼 자체를 개량하거나 유용 농․원예작물에 도입할 예정이다. 

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그림 2. 전남대 특용작물학 실험실에서 사용하고 있는 연구방법

 

 

(2) 식물유래 인지질분해효소의 기능에 의한 병충해 저항성 작물 육종

  식물은 끊임없는 생물학적, 화학적 환경 스트레스와 같은 위험에 노출되어 살아야 하지만 동물에서 볼 수 있는 적응적 면역체계를 지니지 않는다. 대신 식물은 다양한 환경 스트레스로부터 자신을 보호하기 위해 외부 신호를 인지한 후에 자가 시스템을 발동시켜 적절한 생리적인 변화를 일으켜서 적응해 간다. 분자 수준에서 외부 자극을 인지하면 다양한 방어기작이 복잡한 신호전달체계를 통하여 활성화된다. 지질가수분해는 식물 스트레스 반응 및 생장과 밀접한 관련이 있다. 식물의 막은 인지질로 구성되어 있으며, 인지질 가수분해효소에 의해 분해되고, 분해 산물은 다양한 생물학적 활동에 참여한다. 지금까지 밝혀진 식물유래 인지질 가수분해효소의 경우 주로 식물 세포막에 존재하는 다양한 글리세로지질(Glycerolipid)를 가수분해하는 것으로 보고가 되어 있는데, 각각의 동류형(Isoform)마다, MGDG(Monogalactosyldiacylglycerol)나 PG(Phosphatidylglycerol) 등에 따라 특이적인 반응을 나타낸다. 서로 다른 PLA 효소에 의해 분해된 서로 다른 분해 산물은 식물 방어기작에 중요한 자스몬산(JA, Jasmonic Acid) 생합성을 통한 옥시리핀(Oxylipin, Oxygenated Polyunsaturated Fatty Acid) 생성에도 서로 다른 효과를 나타낸다. 이에 본 연구실에서는 식물 방어기작에 있어서 인지질 분해효소의 각 특이적 분해산물이 식물 방어기작에 미치는 영향 및 방어기작 신호전달에 영향을 미치는지를 알아보고, 궁극적으로 유용작물 육종에 활용하고자 한다. 이는 식물방어기작의 새로운 학문 분야를 개척한다는 데 의의가 있으며 더 나아가 국내 농업 경쟁력 향상에도 기여한다는데 그 필요성이 있다. 

 

 

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(3) DNA 바코드 활용을 통한 약용작물 기원 및 품종 판별 

2015년 가짜 백수오 파동으로 건강기능성제품 관련 시장이 떠들썩 했다. 한약재는 주로 가공된 상태로 판매가 많이 되기 때문에 형태적으로 비슷한 저가의 제품이 혼용되는 사례가 있다. 국제적으로도 나고야 의정서 대응 생물다양성 연구, 생물산업소재 및 품질관리, 불법유통 등 학계 및 산업계의 생물동정 관련 수요가 증가함에 따라, 본 특용작물학 실험실에서도 DNA 바코드를 활용한 분류동정 및 형태학적 분석도 진행 중에 있다.

 

 

 [연구책임자] 

 

​이옥란 교수

주소: 광주광역시 북구 용봉로 77 전남대학교 농업생명과학대학

식물생명공학부 응용식물학과

전화: 062-530-2054

Fax: 062-530-2059

E-mail: mpizlee@jnu.ac.kr

 [연구진구성] 

      

Ngoc Quy Nguyen 석사 후 연구원​

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 장진훈 석사과정​

  주수지 박사과정​

​   

이제광  석ㆍ박사 통합 과정​

​
   

김가현  석사과정​

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장진훈, 주수지, 이옥란, 김규태, Ngoc Quy Nguyen​

 

 

 

[대표논문] 

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1. Petrásek, J. et al (2006). PIN Proteins Perform a Rate-Limiting Function in Cellular Auxin Efflux.

    Science. 312: 914-918.

2. Blakeslee, J.J., Bandyopadhyay, A., Lee, O.R. et al (2007) Interactions among PIN-FORMED (PIN) and P-glycoprotein

   (PGP) Auxin transporters in Arabidopsis thaliana. Plant Cell. 19: 131-147.

3. Lee, O.R. et al (2010) Phospholipase A₂ is required for PIN-FORMED protein trafficking to the plasma membrane in

   the Arabidopsis Root. Plant Cell 22: 1812-18255.

4. Lee, O.R., Kim, Y.J., Devi, B.S.R., Khorolragchaa, A., Sathiyaraj, G., Kim, M.K., Yang, D.C. (2012) Expression of

   the ginseng PgPR10-1 in Arabidopsis confers resistance against fungal and bacterial infection. Gene 506:85-92.

5. Kim, Y.J., Lee, O.R., Oh, J.Y., Jang, M.G., Yang, D.C. (2014) Functional Analysis of HMGR Encoding Genes in

   Triterpene Saponin-Producing Panax ginseng Meyer. Plant Physiol. 165:373-387.

6. Han, J.H., Lee, J.H., Lee, O.R. (2015) Leaf-specific pathogenesis-related 10 homolog, PgPR-10.3, shows in silico

   binding affinity with several biologically important molecules. Journal of Ginseng Research 39(4): 406-413 

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