21 장 시토키닌 : 세포분열 조절물질
시토키닌의구조및특성 아미노퓨린 ( 아데닌 ) 의유도체
시토키닌의구조및특성 시토키닌 : 트랜스제아틴과유사한생물학적활성을갖는화합물 옥신이존재할때캘러스세포의세포분열유도 옥신과적당한몰비로존재할때캘러스배양으로부터눈이나뿌리형성의촉진 잎의노쇠화지연 쌍자엽식물의자엽확장촉진 시토키닌활성을갖는합성화합물 상업적활용
식물병원성박테리아, 곰팡이, 곤충, 선충류의 유리형시토키닌분비 그림 21.1 근두암종박테리아인 Agrobacterium tumefaciens 에감염된토마토줄기의종양. 그림 21.3 전나무빗자루녹병곰팡이인 Melampsorella caryophyllacearum 에의해발생한전나무 (Abies sp.) 위의빗자루병. 곤충에의한혹, 충영 (gall) 뿌리혹선충에감염된당근
시토키니의생합성 이소펜테닐기전이효소 (isopentenyl transferase; IPT) ATP/ADT와디메틸알릴이인산 ( 이소펜테닐피로인산 ) 반응촉매 시토키닌생합성속도결정 색소체에주로존재 시토키닌생합성주요장소 ( 식물체다양한장소 ) 활성형 그림 21.5 시토키닌생합성의간략화된생합성경로.
시토키닌의합성장소와장거리신호및국소적신호작용 뿌리는중요한시토키닌생합성장소 물관부수액에서발견 분리된잎의잎자루에부정근형성시잎의생존유지현상 이동성신호전달요소 장거리신호증거 : IPT 유전자돌연변이체를이용한접붙이기실험 국소적신호전달 : 정아의휴면타파는근처에서만들어진시토키닌의조절 활성형의유리된시토키닌의세포내함량조절
시토키닌수용체와신호전달 박테리아의환경변화감지반응경로 (2- 성분계 ) 와유사 수용체는센서히스티딘키나아제 입력도메인신호탐지 전달자도메인의히스티딘잔기자가인산화 반응조절자의수신자도메인에있는아스파르트산잔기인산화 촐력도메인에의한활성의변화 그림 21.6 2- 성분신호전달계의단순형대인산전달형.
시토키닌수용체 : CRE1, AHK2, AHK3 막관통키나아제로시토키닌이결합하는 CHASE 도메인함유 시토키닌종류에따른친화도차이 종류에따른독특한신호전달출력 그림 21.7 시토키닌수용체 (cre1, ahk2, ahk3 ) 중 2 개혹은 3 개모두가돌연변이된애기장대의표현형.
시토키닌에의해조절되는반응조절자 (ARR) 박테리아 2-성분반응조절자의수신자도메인과상동성 A형 ARR: 시토키닌에의한빠른전사와단백질안정성증가 -시토키닌신호전달음성적조절 B형 ARR: DNA 결합도메인과전사활성자도메인포함 -A형 ARR 전사및다른유전자전사증가시킴 그림 21.8 A 형 ARR 과 B 형 ARR 의구조비교. 히스티딘인산기전달단백질 (Hpt: AHP) 센서키나아제와반응조절자사이에서인산기전달을매개
그림 21.9 시토키닌신호전달의모델.
시토키닌의생물학적역할 경정분열조직에서세포분열양성적조절 슈트의생장촉진 유관속형성층의세포증식촉진 음성조절자 (A형 ARR) 파괴시 >> 슈트발달저해및왜소생장 시토키닌산화효소과발현 IPT유전자의돌연변이 시토키닌수용체돌연변이 그림 21.10 시토키닌산화효소유전자를과발현시킨담배. 그림 21.12 로제트형의야생형애기장대 (A) 와시토키닌수용체 3 중차단 (knockout) 돌연변이체인 ahk2 ahk3 cre1(b).
시토키닌과다른호르몬및전사인자와의상호작용 KNOX 전사인자 ( 분열조직의기능조절에중요 ) 와양성피드백루프관계 지벨렐린과의관계 -KNOX 단백질에의한 GA20-산화효소의발현억제, 시토키닌에의한 GA2-산화효소발현유도 시토키닌 :GA 비율증가 분열조직세포의증식유도 A형 ARR 유전자들이 WUS( 줄기세포의운명유도 ) 와의결합에의해직접적으로억제 시토키닌에매우민감한환경 세포의차별화된운명
그림 21.13 시토키닌은뿌리의생장을억제한다. 시토키닌의뿌리생장저해 근단분열조직을음성적으로조절 -시토키닌산화효소과발현, 시토키닌수용체부분적파괴 근단분열조직크기증가 뿌리생장증가 근단에서유관속분화과정가속화 근단분열조직의크기감소 옥신과의길항작용에의한세포분열및세포분화 -옥신은세포분열촉진, 시토키닌은세포분화촉진 -AUX/IAA 리프레서단백질 (SHY2) 매개로가능 : 시토키닌->ARR1(B형 ARR 일종 ) 에의한 AUX/IAA 합성촉진옥신->AUX/IAA 분해유도 : 시토키닌생합성 IPT5 유전자발현촉진, 옥신수송 PIN 단백질합성억제
세포주기의특정성분을조절 세포분열주기의진행좌우하는제어에영향 세포분열조절 D형사이클린 (CycD) 유전자발현증진 세포분열촉진 옥신과시토키닌의사이클린의존적단백질키나아제 (CDK) 의활성제어 : 옥신-CDK유전자발현조절시토키닌-저해적인산기제거 그림 21.15 CYCD3 를발현하는캘러스세포들은시토키닌없이도분열할수있다.
옥신 : 시토키닌의비가배양조직에서형태형성을조절 높은옥신 : 시토키닌비 뿌리형성촉진 낮은옥신 : 시토키닌비 슈트형성유도 중간정도의수준 미분화된캘러스의발달 그림 21.16 서로다른농도의옥신과키네틴에서배양한담배캘러스의생장과기관형성의조절.
정단우성탈피하여측아생장촉진 액아에직접처리한시토키닌 : 세포분열활성과눈싹틈촉진 시토키닌과발현돌연변이체 : 지나치게가지가무성 정아로부터극성수송된옥신의액아생장저해 : 시토키닌생합성유전자발현억제시토키닌분해산화효소발현증가 정아의제거 : 인접한마디에서합성되는시토키닌의농도증가 눈으로이동하여휴면타파 뿌리유래호르몬 ( 스트리고락톤 ) 또한액아생장억제제로작용 그림 21.18 슈트분지 (shoot branching) 의조절에있어서옥신과시토키닌의상호작용.
잎의노쇠화지연과영양소이동촉진 성숙잎은뿌리에서유래한시토키닌에의존-> 노쇠화지연 시토키닌에의한영양소이동유도 영양상태에따른시토키닌에의한식물반응조절영양부족 시토키닌감소 뿌리발달 그림 21.20 오이유식물에서아미노산의이동에미치는시토키닌의효과. 그림 21.19 노쇠화유도성프로모터에융합된 Agrobacterium 의시토키닌생합성유전자 ipt 를포함하는형질전환담배에서잎의노쇠화가지연된다.
엽록체의발달촉진 암조건에서생장한식물의전색소체는엽록체가아닌에티오플라스트로발달 시토키닌처리시광합성색소와단백질합성촉진 엽록체발달 : 광합성색소와광합성단백질합성조절 A형반응조절자 피토크롬B의 Pfr형 ( 활성형 ) 안정화 산화효소에의한시토키닌분해 음지반응 : 엽원기에서옥신신호전달증가 산화효소유전자발현증가 엽원기세포증식감소 그림 21.21 암조건에서자란야생형애기장대유식물에서엽록체의발달에미치는시토키닌의영향.
유관속발달을조절 시토키닌불감성돌연변이체및산화효소발현체의유관속발달및기능저하 농업을위한시토키닌조절 시토키닌과다생산식물 잎의노쇠화지연 광합성생산증가 벼의시토키닌산화효소의기능감소 수확량증가 그림 21.22 노쇠화와함께시토키닌생합성유전자인 ipt 가발현되기시작하는형질전환식물은잎의노쇠화가저지된다. 그림 21.23 시토키닌은벼의낟알수확량을조절한다.
그림 21.17 Agrobacterium Ti 플라스미드의 T-DNA 지도. 근두암종 (crown gall) 종양유발 아그로박테리아의 Ti 플라스미드 : 옥신, 시토키닌, 오파인 ( 박테리아의질소원아미노산 ) 생산효소유전자포함 콩과식물질소고정혹의형성에관여
22 장 에틸렌 : 기체호르몬
에틸렌에의한 3 중반응 : 줄기신장감소, 측부생장증가 ( 팽창 ), 비정상적인수평생장 식물거의모든부위에서생산 : 과일성숙, 잎의탈리나꽃의노쇠화, 생리적스트레스, 병원체감염시 그림 22.1 황백화된완두유식물의 3 중반응.
에틸렌의구조, 생합성, 측정 에틸렌은메티오닌으로부터합성 ACC 합성효소 :1-아미노시클로프로판-1-카르복실산 (ACC) 전구체생성 ACC 산화효소 : ACC 의에틸렌전환 ACC 복합물형성및 ACC 분해 (ACC 탈아미노효소의작용 ) 로 에틸렌생합성조절 그림 22.2 에틸렌생합성경로와양회로. 아미노산인메티오닌은에틸렌의전구체이다.
에틸렌생합성촉진 열매의성숙 : ACC산화효소활성증가 스트레스에의해유도 : ACC합성효소 mrna 전사증가 에틸렌생성의일주기성 : 한낮최고 / 한밤중최저 옥신에의해 ACC 합성효소유전자전사증가 브라시노스테로이드, 시토키닌 : ACC 합성효소단백질의안정화 그림 22.3 골든딜리셔스 (Golden Delicious) 사과가익는동안 ACC 의농도, ACC 산화효소의활성, 에틸렌의변화. 데이터는수확후의경과일수를함수로하여도시되어있다.
에틸렌생합성경로및생리적역할연구를위한에틸렌생합성차단 합성저해 : ACC 생성또는 ACC의에틸렌전환저해 작용저해 : 은이온, 고농도이산화탄소, 에틸렌수용체경쟁자 -과일및절화유통기한증가용 그림 22.4 에틸렌이수용체에결합하는것을차단하는두종류의저해제.
에틸렌의신호전달경로 에틸렌수용체 아미노말단도메인 : 3회이상막관통에틸렌결합부위카르복시말단 : 박테리아의 2-성분시스템히스티딘키나아제촉매도메인과상동적인도메인포함 에틸렌의결합 26S 프로테아좀에의한수용체의분해유도 원형질막이아닌소포체상에위치 에틸렌고친화적결합에구리보조인자필요 그림 22.5 애기장대의 3 중반응. 그림 22.6 애기장대 etr1 돌연변이체의선발. 그림 22.7 5 가지에틸렌수용체단백질및이들의기능적도메인의모식도.
음성조절자로서에틸렌수용체 에틸렌결합 수용체의불활성화 에틸렌반응 : 음성조절자기능 결합부위돌연변이 : 에틸렌불감성표현형 항시적에틸렌반응억제 수용체완전불활성화식물 항시적에틸렌반응 수용체의수준 에틸렌감수성 조절 그림 22.8 수용체돌연변이체의표현형에기초한에틸렌수용체의작용모델.
세린 / 트레오닌단백질키나아제 : CTR1 에틸렌수용체와작용하여에틸렌신호전달에관여하는음성조절자 돌연변이 항시적에틸렌반응 막관통단백질 EIN2 12개의막관통도메인갖는단백질로빠른분해가에틸렌에의해저해됨 돌연변이 모든에틸렌반응차단 그림 22.9 항시적으로 (constitutively) 3 중반응을나타내는애기장대돌연변이체의선발.
에틸렌의유전자발현조절 에틸렌에의한다양한유전자발현 에틸렌유도유전자들 : 에틸렌반응요소 (ERE) 조절서열가짐 EIN3 전사인자단백질 ERF1 전사인자작용 ERE 결합단백질합성 에틸렌반응유전자들의활성화 EIN3 단백질의안정성조절 : 에틸렌신호에의한인산화로분해저해 에틸렌조절유전자의발현유도 유전적상위를이용한신호전달순서 이중돌연변이체의표현형이용 그림 22.10 애기장대에서에틸렌신호전달의모델.
에틸렌의생물학적역할 일부열매의숙성촉진 후숙과일 (climacteric fruit): 호흡급등전에에틸렌급등 -에틸렌처리에의해내생적에틸렌합성및미숙과의숙성 비호흡급등과일 : 에틸렌증가없음 -에틸렌처리로호흡속도증가하나내생적에틸렌생산없으며과실숙성촉진되지않음 그림 22.11 에틸렌생산과호흡.
잎의상편생장촉진 잎자루의윗부분세포들이더길게자라면서잎이아래로처지는현상보임 스트레스조건에서발생 : 뿌리에서환경조건감지 줄기로신호전달 : ACC 물관부통해이동 그림 22.12 토마토잎의상편생장. 그림 22.13 토마토식물의침수후물관수액내의 ACC 함량변화와엽병내의에틸렌생산의변화.
세포의측부팽창유도 신장속도저하와함께측부팽창으로부피생장을유도 세포벽셀룰로오스미세섬유 (microfibril) 의방향변화 : 세포벽침적이세로방향으로보강 그림 22.14 완두줄기의표피세포가상처에반응하여미세소관을가로배향에서수직배향으로재배열하는모습.
에틸렌에의한생장저해 2 단계 에틸렌에민감한첫단계 관여전사인자의차이 에틸렌반응의빠른차단 에틸렌제거시결합수용체의빠른분해 새로운수용체의합성및대체 그림 22.15 암조건에서자란애기장대유식물의하배축신장에미치는에틸렌첨가와에틸렌제거의효과에관한키네틱스.
암조건식물의정단후크 (hook) 유지 에틸렌에의해유도되는비대칭적생장때문 암상태에서후크조직에의해생산되는에틸렌이안쪽면세포신장저해 적색광 에틸렌형성저해, 안쪽면생장촉진 후크의열림 옥신불감성돌연변이, 옥신의극성수송저해제 정단후크의형성이차단 : 에틸렌의존적옥신기울기에의한후크구조유지 물에잠긴수생식물의신장생장촉진 침수처리에의한절간및엽병의빠른신장 : 에틸렌처리유사 절간분열조직세포의지베렐린함량또는지베렐린감수성증가유도 절간신장촉진 : 지베렐린감수성증가는지베렐린의강력한길항제인앱시스산함량의감소에의해유발
뿌리와뿌리털의형성유도 부정근형성을유도 : 에틸렌불감성돌연변이체는옥신의영향을받지않음 부정근형성에미치는옥신의효과는에틸렌을통해일어남 뿌리털분화의양성조절자 : 피층세포들연접부외의표피세포도뿌리털발달 그림 22.16 상추유식물에서에틸렌에의한뿌리털형성의촉진.
잎의노쇠화속도증진 외부에서에틸렌이나 ACC 첨가 잎의노쇠화가속화시토키닌첨가 잎의노쇠화지연 에틸렌생산의증가 엽록소소실및색조의퇴색 에틸렌합성저해제및에틸렌작용저해제 : 잎의노쇠화지연 잎의노쇠화는에틸렌과시토키닌의균형에의해조절 : 앱시스산도잎의노쇠화조절에관여 그림 22.17 에틸렌작용저해에의한꽃노쇠화의억제.
잎의탈리촉진 이층 (abscission layer) 에서세포벽의분해로탈리일어남 옥신은에틸렌효과의억제자 : 잎및열매의탈리억제 에틸렌수용체돌연변이 에틸렌처리에도탈리일어나지않음 그림 22.18 물봉선화 (jewelweed, 학명은 Impatiens) 의이층형성. 그림 22.19 자작나무 (Betula pendula) 의탈리에미치는에틸렌의영향.
잎의탈리에대한호르몬의조절모델 이층세포의에틸렌감수성조절은옥신의기울기에좌우됨 그림 22.20 잎탈리시옥신과에틸렌의역할에관한모식도. 에틸렌의상업적이용 에틸렌방출화합물 : 열매숙성, 개화및착과동기화, 낙과및적과, 암꽃발현및수확량증가등 에틸렌결합저해제및합성저해 : 과일저장및유통기한연장