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- 세포잡촉을 통해 유전물질과 엽록체 서로 교환
- 관다발 식물에서 새로운 형태 수평 유전자 전달 발견

식물은 엽록체를 서로 교환한다.
관다발 식물에서 새로운 형태의 수평 유전자 전달을 발견했다.

놀라운 발견 :
식물은 직접 세포 접촉을 통해 유전 물질과 전체 엽록체를 서로 교환 할 수 있다.
이 수평 유전자 전달 동안 엽록체와 유전자 부하가 이동하는 인접한 세포벽에 구멍이 형성된다. 특히 좁은 아메바 모양을 취한다. 과학자들이 "Science Advances" 저널에 보고한 내용이다.  

▲ 낙엽 이끼 Plagiomnium affine의 잎에 있는 엽록체 Author : Kristian Peters -- Fabelfroh

 
식물은 일반적으로 종자 또는 식물 주자를 통해 유전 물질을 자손에게 전달한다.
그러나 다른 식물 개체와 심지어 식물종간에 유전자를 교환하는 또 다른 방법이 있다.
수평적 유전자 전달이다. 이것은 두 식물이 함께 자랄 때 또는 사람이 접목할 때 발생할 수 있다. 그는 한 가지 품종의 가지를 두 번째 줄기의 눈(벤 자국)에 놓는다. 이러한 유전자 교환의 결과로 새로운 품종 또는 식물 종이 발생할 수 있다.

DNA는 어떻게 전달될까?

수평적 유전자 전달은 꽃 피는 식물에서 어떻게 작동할까?
포츠담에 있는 막스 플랑크 분자 식물 생리학 연구소의 알렉산더 허틀(Alexander Hertli)과 동료들은 "지금까지 유전 물질이 자유로운 DNA 분자로 교환되거나 세포 소기관에 캡슐화되었는지, 어떻게 세포에서 세포로 물리적으로 변화하는지 완전히 알려지지 않았다"라고 설명했다. 이것이 그들이 담배 식물을 접목 실험에서 조사한 이유다.

▲ 너도밤나무와 단풍 나무 사이의 자연 이식편 (왼쪽)과 온실에 있는 두 종류의 담배 사이의 이식편. © MPI for Molecular Plant Physiology / Nature 511

연구자들은 담배 식물의 DNA에 다양한 형광 유전자를 주입했다.
그들의 색깔 있는 빛은 그들이 DNA를 포함하는 세포핵, 미토콘드리아와 엽록체를 찾을 수 있게 해주었다. 식물에서 세 개의 세포 소기관은 모두 그들 자신의 DNA를 가지고 있다.
다양한 현미경 방법의 도움으로 Hertle과 그의 팀은 이식 부위에서 세포 수준에서 일어나는 일을 관찰했다.

▲ 그림 1 이식 실험에 사용된 식물(Nuc-kan : YFP 및 Pt-spec : dsRed)과 수평 색소체 게놈 전달 (하단 패널)에서 얻은 식물의 잎 세포에서 공초점 레이저스캐닝 현미경으로 형광 마커 검출. (출처: 관련논문 Horizontal genome transfer by cell-to-cell travel of whole organelles)

▲ 그림 2. 이식 접합부의 SEM 이미지. 이식편 결합이 형성되면 캘러스 조직이 두 줄기에서 증식해 스톡과 접순 사이의 간격을 봉쇄하고 세포간 통신을 다시 설정한다. 나중에 일부 캘러스 세포는 체관부와 목부로 분화해 접순과 스톡의 혈관 재 연결을 매개한다.(출처: 관련논문 Fig.2)

모공, 돌기 및 아메보이드(세포가 기어가는 움직임을 의미) 엽록체

놀라운 결과 :
상호 연결된 식물은 접촉 지점에서 인접한 세포 사이에 직접적인 ‘문’을 형성한다.
이것은 처음에 신선한 상처 조직의 세포벽에 구멍을 만들어 세포질의 돌기가 이웃 세포로 확장된다. 연구진은 "이 돌기는 직경 1.5㎛(마이크로 미터) 정도의 구멍에서 자라났으며 세포 간 연결의 형성을 나타낸다"고 말했다.

다음에 일어난 일은 훨씬 더 놀랍다.
일반적으로 식물 색소 엽록소와 틸라코이드 막으로 가득 찬 이 세포의 엽록체가 모양을 바꾸기 시작했다. 그들은 콘텐츠의 일부를 잃어 버리고 막대 모양의 이동식 구조로 자신을 축소했다. Hertle과 그의 동료들은 "직경이 약 1㎛에 불과한 이 작은 색소체는 세포벽의 연결 구멍을 통해 들어 가지만 정상적인 엽록체는 너무 크다"라고 보고했다.

작은 아메바와 마찬가지로 변환된 엽록체는 세포벽 구멍을 통해 이동해 한 식물에서 다른 식물로 이동한다. Hertle은 "우리는 세포에서 세포로의 게놈 이동이 드물게 뿐만 아니라 높은 빈도로 양방향으로 일어나는 것을 관찰할 수 있었다"고 설명했다. "게놈은 자유롭게 움직이지 않고 세포에서 세포로 캡슐화된다."

▲ 그림 8 Dedifferentiated 색소체는 매우 이동성이 뛰어나고 세포에서 세포로 이동한다.

 

▲ 그림 10 옮겨진 색소체에는 DNA가 포함되어 있다.

    
식물의 새로운 유전자 전달 방법

따라서 연구원들은 식물에서 새로운 유전자 교환 방법을 발견했다.
Hertle과 그의 연구팀은 "우리의 결과는 이러한 수평적 유전자 이동이 전체 세포 기관의 세포 간 이동을 통해 발생함을 보여준다"라고 보고했다.
그들은 이러한 방식으로 엽록체가 한 식물에서 다른 식물로 이동할 수 있을 뿐만 아니라 미토콘드리아 및 아마도 DNA화물을 포함한 전체 세포핵까지도 이동할 수 있다는 것을 배제하지 않는다.

이러한 유형의 유전자 전달은 또한 자신의 염색체 세트에 추가해 다른 종의 염색체를 포함하는 식물의 많은 그룹에 종이 있는 방법과 이유를 설명 할 수 있다.
이러한 알로폴리플로이디(allopolyploidy 유전적 배수성: 배수성(polyploidy)은 세포에서 나타나는 염색체 수의 증가와 감소를 표현하는 용어)는 빵과 듀럼 밀, 귀리, 면화, 유채, 커피 및 담배와 같은 많은 중요한 작물에서도 발견된다.
(Science Advances, 2021; doi : 10.1126 / sciadv.abd8215)
출처 : Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie 

        막스 플랑크 분자 식물 생리학 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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