애기장대에 납을 농도별로 처리하였을 때 식물의 생장과 종자 발아에 미치는 영향을 조사하였다. 환경부고시 오염물질 배출기준치를 기준 농도로 하고 이보다 10배 및 50배 높은 농도의 납을 각각 처리한 애기장대의 줄기생장을 조사한 결과 오염물질 배출기준 농도와 이보다 10배 높은 농도에서는 줄기 생장이 정상식물보다 약 18%정도 감소되었다. 또한 오염물질 배출기준 농도보다 50배 높은 농도를 처리한 식물에서는 정상식물보다 약 41% 줄기생장이 감소하였다. 3가지 농도의 납을 애기장대에 처리한 후 식물의 뿌리 생장을 조사한 결과 오염물질 배출기준농도를 처리한 식물의 뿌리 생장은 정상식물과 거의 유사하였으나 오염물질 배출기준농도의 10배 이상이 되면 뿌리 생장이 전혀 되지 않았다. 3가지 농도의 납을 처리한 배지에서 애기장대의 종자 발아율을 측정한 결과 오염물질 배출기준 농도와 이보다 10배 높은 농도를 처리한 배지에서는 종자 발아율이 100%로 나타나 정상배지에서의 발아율과 차이가 나타나지 않았으나 오염물질 배출기준 농도보다 50배 높은 농도를 처리한 배지에서는 발아율이 0%로 나타나 종자 발아가 전혀 되지 않았다. 이러한 결과는 토양 속에 침적된 납은 애기장대의 생장과 종자 발아에 영향을 미치어 줄기 및 뿌리의 생장을 감소시켰으며, 또한 종자 발아에도 매우 치명적인 영향을 미치는 것으로 생각된다.
애기장대를 실험재료로 사용하여 인공산성비의 주요 성분인 황산과 질산 중 어느 성분이 식물 생장과 종자 발아에 영향을 미치는가를 조사하였다. 질산과 황산성분이 모두 첨가된 인공산성비를 처리한 애기장대는 정상식물에 비하여 줄기와 뿌리 생장이 각각 28%, 30% 정도 감소되었고, 잎 표면에는 많은 괴사반점이 관찰되었다. 인공질산비를 처리한 식물은 정상식물에 비하여 줄기와 뿌리 생장이 각각 14%, 17% 정도 감소된 반면 인공황산비를 처리한 식물은 각각 24%, 25% 정도 감소되었다. 종자의 발아율은 인공산성비 배지에서는 80%, 인공황산비 배지에서는 88%, 인공질산비 배지에서는 93%로 나타났다. 이와 같이 성분이 다른 3 종류의 인공산성비를 애기장대에 처리하였을 때 식물 생장과 종자발아율은 질산보다 황산성분에 의해서 더 큰 영향을 받는 것을 확인하였다.
토양 속에 첨가된 납의 농도가 증가하면 애기장대 식물체 내에 축적된 납의 농도도 증가하였는데, 특히 오염물질 배출기준농도보다 50배 높은 납이 첨가된 토양에서 생장한 식물체내에 축적된 납 농도는 정상식물보다 약 2.6배 증가하였다. 이러한 결과는 토양 속에 오염된 납은 식물의 줄기나 일보다는 뿌리에 더 많이 축적되며, 줄기와 잎에 축적되는 납농도는 토양 속에 오염된 납 농도에 비례하여 증가하지 않으나 뿌리에서는 농도에 비례하여 매우 증가하였음을 나타내고 있다.
담배 (Nicotiana tabacum L cv. Xanthi) 및 애기장대 (Arabidopsis thaliana cv. Col-0)에서 다양한 발달단계의 잎으로부터 원형질체를 분리하여 세포 크기와 엽록체의 크기 및 수의 관계를 조사하였다. 담배 원형질체의 지름이 15.6 $\mu\textrm{m}$ 이하인 작은 세포는 20여 개 이하의 엽록체를 가지고 있었는데, 엽록체의 평균 크기는 두께 0.93 $\mu\textrm{m}$, 길이 3.3$\mu\textrm{m}$로 나타났다. 잎이 신장되어 원형질체의 지름이 평균 30 $\mu\textrm{m}$에서 45 $\mu\textrm{m}$로 증가함에 따라, 엽록체는 두께 1.57 $\mu\textrm{m}$, 길이 5.55 $\mu\textrm{m}$의 크기로 일정하게 유지되었으나 엽록체의 수는 평균 42개에서 101개로 증가하였다. 이와 같이 담배에서 잎의 크기 또는 세포의 크기와 엽록체의 수 또는 부피는 비례관계를 나타냈고 동일한 경향이 애기장대에서도 관찰되었다. 세포 부피에 대한 총 엽록체의 부피의 비는 다양한 발달단계에서 담배는 10.5%, 애기장대는 32.5%로 일정하게 유지되었다.
포르말린과 톨루엔 처리에 의한 애기장대의 표현형 변화 및 포르말린에 의한 단백질의 발현변화를 관찰하였다. 톨루엔의 휘발량이 포르말린보다 많음에도 불구하고 포르말린 처리구에서 애기장대의 표현형 변화가 더욱 현저한 것을 확인하였다. 포르말린에 의한 표현형의 변화가 미비한 6h 처리구에서도 애기장대 단백질의 발현에 많은 변화가 나타났으며 이러한 발현변화는 처리시간이 길어질수록 더욱 뚜렷하였다. 포르말린에 의하여 발현량이 변하는 단백질의 분자량을 automated gel electrophoresis system을 이용하여 예측한 후, 그 결과를 토대로 formaldehyde-responsive proteins을 분리하였다. 분리한 5개의 단백질은 전사수준에서 formaldehyde-dependent expression을 나타내었으며 formaldehyde-responsive proteins (FRP)으로 명명하였다. FRP5를 제외한 네 개의 단백질은 그 기능이 밝혀지지 않은 novel protein으로 식물의 방어기작에 관여하는 단백질과 높은 상동성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 식물뿌리의 굴중성 반응에 있어서 식물호르몬과 AtEXPA3 유전자와의 관계를 밝히고자 하였다. AtEXPA3 유전자의 RT-PCR을 통한 발현분석 결과 잎, 근출엽, 뿌리 꽃 등 생장이 활발한 조직에서 발현률이 높게 나타났으며, 굴중성 자극과 BRs, IAA에 의해서도 발현이 증가되었다. 또한 ethylene 생합성 저해제인 AVG를 처리하면 굴중성 반응이 현저히 억제되었는데 이는 ethylene 그 자체도 BR과 IAA처럼 굴중성을 촉진시키는 활성을 갖고 있음을 의미한다. 한편 호르몬을 처리하지 않은 AtEXPA3 RNAi mutant에서 굴중성 반응이 억제되는 현상은 애기장대 뿌리의 생장에 관여하는 AtEXPA3의 조절 인자로 BRs, auxin, ethylene 등의 식물호르몬이 관여하고 있음을 나타낸다. 아울러 BRs signaling mutant에서 변화된 굴중성(bri1-301, bak1에서 감소, BRI-GFP에 서 증가) 반응의 감소와 증가는 굴중성 반응이 BRs의 신호전달 과정을 통하여 일어남을 의미한다. 결론적으로 애기장대 뿌리의 굴중성 반응은 식물호르몬에 의한 AtEXPA3 유전자의 발현 증가의 결과로 인해 애기장대 뿌리의 생장이 촉진되어 나타나는 결과라 하겠다.
식물호르몬인 abscisic acid (ABA)는 식물의 비생물학적 스트레스의 적응과정에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 또한 ABA는 종자휴면, 발아, 세포분열의 저해, 기공개폐와 같은 중요한 과정에 관여하고 있다. OsABF2(Oryza sativa ABRE Binding Factor2)는 벼에서 비생물학적 스트레스와 ABA 신호전달 과정에 양성적으로 관여하는 bZIP 형태의 전사인자이다. OsABF2 유전자의 발현은 ABA와 다양한 스트레스 처리에 의해 유도된다. 본 논문에서는 OsABF2 유전자를 과발현한 애기장대가 가뭄, 고염, 고온 상태에서의 생존율이 야생형보다 증가하는 것을 확인하였다. 또한 ABA가 존재하는 상황에서 OsABF2 유전자를 과발현한 애기장대의 발아율이 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과로 미루어 OsABF2 유전자를 과발현한 애기장대는 비생물학적 스트레스에 대한 내성이 증가하고 ABA 감수성은 증가하는 것으로 확인되었다.
SA와 온도가 애기장대의 안토시아닌 생성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 여러 농도의 SA와 다양한 온도를 처리하여 시간적 경과에 따른 안토시아닌 함량변화와 PAL 환성을 조사하였다. 10 ${\mu}$M 이하의 SA 처리구에서는 안토시아닌 함량에 있어서 큰 변화가 없었으나 100 ${\mu}$M 이상의 처리구에서는 크게 증가하였다. 25 ${\mu}$M SA처리구에서 안토시아닌 함량이 가장 높았으며 5일째에는 약 3.3배 증가하였다. 그러나 100 ${\mu}$M의 고농도 SA 처리구에서는 감소하는 경향을 나타내었다. PAL 활성은 25 ${\mu}$M SA 처리시 점차 증가하여 3일째에 가장 높은 활성을 보였다가 이후 서서히 감소하였다. 그러나 100 ${\mu}$M 이상의 SA 처리구에서는 PAL활성이 점차 감소하는 경향을 보여 주었다. 온도조건에 따라 안토시아닌 축적은 다소 차이를 보여 주었는데, 10$^{\circ}C$ 및 15$^{\circ}C$ 에서 안토시아닌 생성이 촉진되었으나, 온도가 상승함에 따라 점차 감소되어 30$^{\circ}C$의 고온에서는 현저하게 저하되었다. 따라서 본 연구결과로부터 애기장대의 안토시아닌 축적현상은 SA의 외적 처리와 온도요인에 의해 형성된 스트레스에 반응하여 유도된 것으로 추측되며 일종의 보호기능과 관련이 있음을 시사해 준다.
현대 과학자들은 식물정화공정과 같은 새로운 기술로 중금속을 제거하려고 한다. 이런 최첨단 기술 중 하나는 토양의 특정 중금속을 제거하는 형질 전환 식물을 개발하는 것이다. 본 연구자는 T. goingense Metal Transport Protein 1 유전자와 TgMTP1 : GFP 유전자를 발현하는 형질 전환 벡터를 구축했다. 형질전환체 식물을 선택하여 형질 전환 된 유전자를 애기 장대 게놈에서 확인했다. 발현은 Arabidopsis 세포, 조직 및 기관의 여러 부분에서 확인되었다. Arabidopsis thaliana에서 TgMTP1 과발현하는 식물에 중금속이온이 처리되었을 때 형질 전환 식물체는 비 형질 전환 체보다 중금속 내성이 높았다. 추가 연구를 위해 4 (Zn, Ni, Co, Cd.)가지 중금속에 대한 내성이 향상된 형질 전환 식물을 선택했다. 선택된 T3 TgMTP1 과다 발현 애기 장대 식물은 중금속에 내성이 증가된다. 이 식물은 액포 내에 중금속을 축적하고 동시에 원형질막에 발현되는 MTP1 유전자의 발현을 특징으로 한다. 결론적으로, 이러한 식물은 식물 정화 응용 분야 및 내성이 증가 된 식물로 사용될 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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