생물학적 이중 내부시계로 일정에 따른 식물의 면역 방어체계 유지

모든 생명체는 시간관리가 중요한가 봅니다. 듀크대학교(Duke University)의 새로운 연구에서는 식물에 대하여 연구하였습니다. 내부에 있는 두 개의 생물학적 시계가 협동적으로 작용하여, 곰팡이 감염과 같은 문제도 처리하면서 동시에 성장 활동과 같은 매일의 일정도 지키게 하고 있습니다. 이중으로 관리를 하여 면역 방어체계와 일상적 활동을 동시에 유지시키고 있습니다.

연구원들은 하나 시계가 내는 똑딱똑딱(tick-tock) 소리를 감지하여 다른 시계가 시간표를 더 철저히 유지하게 유전자도 확인하였습니다. 이러한 놀라운 연구결과는 학술지 Nature 최근호에 게재되었습니다.

매일 잠자는 것과 일어나는 활동, 체온의 변동부터 식물 성장과 광합성까지 모든 살아있는 생명체 내부에는 시계가 있습니다. 생물의 행동과 생리가 낮과 밤의 24 시간 주기와 연동하게 됩니다. 식물도 예외가 아닙니다. 듀크대학교 연구진은 많은 곰팡이가 포자를 날리며 공격을 개시하는 아침에 식물은 자신의 방어 능력을 증대시켜 곰팡이 감염의 위험을 물리친다는 사실을 발견했습니다.

생물학적 이중 내부시계

이러한 여러 리듬들은 아침 유전자와 저녁 유전자의 활성화로 생기는 진동(oscillations)에 의한 것으로 생각됩니다. 아침 유전자가 만드는 단백질은 하루가 시작될 때에 저녁 유전자를 억제합니다. 하지만 단백질이 세포 내부에 쌓이게 되면서 결국 스스로 생성이 멈추게 됩니다. 하루가 끝날 때면 아침 단백질은 감소하며 저녁 유전자가 활성화되어 연속적인 24시간의 회로가 만들어집니다. 그러나 생명체는 시간에 따른 주기적 유전자 발현에만 의존하지 않고, 물질대사의 부산물인 활성산소 분자의 증감도 이용합니다.

그동안 이러한 두 가지 시간측정 메커니즘이 알려졌왔습니다. 하지만 이 두가지 시계가 서로 연결되는 방법도 알 수 없었고, 왜 두 가지가 동시에 존재하며 필요로 하는지 모르고 있었습니다.

연구팀은 애기장대(Arabidopsis thaliana)를 살리실산(salicylic acid)으로 처리하여 실험했습니다. 이것은 식물이 감염에 대항하기 위해 사용하는 아스피린과 유사한 성분의 물체입니다. 살리실산 처리로 식물 세포에서 활성산소 분자의 정상적인 하루 변동(daily fluctuation)이 붕괴되었습니다. 그러나 식물의 시계 유전자들은 동일하게 규칙적 리듬을 유지하며 더 많은 단백질을 만들었습니다.

일정에 따른 식물의 면역 방어체계 유지

공저자인 Buchler 교수는 수학적 모델로 현상을 설명했습니다. 살리실산이 처리된 식물은 빨라지거 느려지기 보다는 오히려 아침과 저녁 유전자를 더욱 강화시키고 활성화시킨다는 사실을 발견했습니다. 또한 두 시계를 연결시키고 협력할 수 있게 하는 유전자 NPR1도 확인하였습니다. NPR1이 식물의 활성산소의 변화를 감지하여 다른 시계의 아침과 저녁 유전자의 발현을 증가시키는 반응을 했습니다.

최종적으로 식물 면역시스템은 아침에 곰팡이 공격에 더 잘 대비된 상태가 되었으며, 저녁의 감염에는 취약하게 되었습니다. 아마도 주로 동트기 전에 일어나는 병원균의 간섭을 최소화시키는 것으로 보입니다. 잘못된 시기에 방어를 활성화시키면 식물 성장에 안좋은 영향을 주게 됩니다.