배현숙 교수팀, 피틴산 결합력이 증가된 핵공단백질 Gle1 변형체를 이용한 피틴산 저함유 고생산성 식물 개발

생명시스템대학 시스템생물학과 배현숙 교수팀이 피틴산 결합력이 증가된 핵공단백질 Gle1 변형체를 이용하여 피틴산 저함유 고생산성 식물을 개발하는데 성공했다. 이번 연구는 배현숙 교수팀의 이호석 석·박사 통합과정생이 주도하였고, 농촌진흥청이 주관하는 차세대바이오그린사업의 지원으로 수행되었다.

연구 결과는 식물생명과학분야 최고 권위지인 「Plant Cell」지에 2015년 2월 10일발표되었다(이호석 외, InsP6-sensitive variants of the Gle1 mRNA export factor rescue growth and fertility defects of the ipk1 low-phytic-acid mutation).

피틴산(Phytic acid/myo-inositol-1,2,3,4,5,6-hexakisphosphate)은 현미, 옥수수, 보리, 밀 등 곡류와 콩류, 유채의 종자에 고농도로 존재하는데 인의 저장고 역할을 하며 종자발아 시 분해되어 사용된다. 피틴산은 강한 음이온이며 섭취 시 소화기 내에서 Ca++, Fe++, Zn++ 등 필수미네랄과

흡착하여 불용성인 피틴을 형성한다. 인간과 되새김위를 가지고 있지 않은 돼지, 닭 등 가축과 어류 등은 피틴을 소화시킬 수 없으며 대부분 그대로 배설된다. 그러므로, 피틴산은 사람과 동물에 필수미네랄 결핍증을 일으키며 소화되지 않은 피틴산은 배설되어 물을 오염시켜 하천과 바다의 부영양화 등 환경문제를 야기하고 있다.

이런 이유로 종자 내의 피틴산 함량이 감소된 옥수수, 밀, 보리, 벼, 대두의 피틴산 저함유 돌연변이체(lpa mutant)들이 수십 년간 육종되었는데 이들 lpa 돌연변이체는 종자 크기가 작고 종자발아율이 낮으며 식물생장도 저해되는 등 나쁜 농업형질을 보여 실제로 사용되지 못했다.

식물 Gle1 단백질은 핵공에 존재하는 mRNA export factor로서 피틴산을 보조인자로 사용한다. Gle1의 피틴산 결합 부위는 전체 식물 종에 잘 보존되어 있는데, 식물 Gle1 단백질은 공통적으로 피틴산에 대한 친화력이 동물이나 효모에 비하여 크게 떨어진다는 것을 확인하였다.

유전공학을 이용하여 피틴산 결합 포켓을 변화시켜 피틴산 결합력이 증진된 식물 Gle1 단백질의 변이체를 제조하였다. 놀랍게도 이들 변이체를 피틴산이 결핍된 피틴산생합성 돌연변이체(ipk1)에 과대발현 시키면 이 돌연변이체의 mRNA export defect를 구제하므로서 식물생장과 종자생산성이 크게 증진된다는 것이 관찰되었다.

위의 결과들은 피틴산 함량 감소에 따른 식물생장과 생식작용에 대한 부정적인 영향을 피틴산 결합능이 증진된 Gle1 단백질의 변이체를 발현시켜 극복할 수 있다는 것을 증명하며, 간단하며 효율성 높은 피틴산저함량 고생산성 작물 개발 전략을 제시하고 있다.

현재 옥수수, 콩, 밀, 보리, 벼 등에 피틴산 저함량 품종이 육종되어 있으나, 농업형질이 나빠 실제로 상업화되지 못했다. 이들 품종에 Gle1 단백질의 변이체를 발현시키므로 종자생산성과 발아율을 크게 개선할 수 있을 것으로 기대된다.