(3분 30초 읽기)
영양이 부족한 토양에서 자라는 식물의 생존 전략. 덫 잎 가장자리 향기나는 가는 털로 유인.
모발 기저에서 세포 늘어나 이온 채널 작동.감각 모발에서 495개 특이 유전자 확인.
특정 칼륨 채널 KDM1이 특히 감각 모발의 흥분성을 결정하는 데 결정적인 역할.

식충식물 파리지옥이 먹이를 감지하는 방법
처음으로 육식 식물의 압력 센서에서 유전자를 확인했다.

잎을 모으자 벌레는 죽었다 :
육식성 파리지옥은 곤충이 잎 가장자리의 감각털에 닿자마자 잎을 닫아 먹이를 잡는다.
연구자들은 처음으로 이 유전자를 확인하여 자극 전환과 관련된 첫 번째 이온 채널을 확인했다. 이것은 식물 기반 감각 모발이 어떻게 작동하는지에 대한 귀중한 정보를 알려준다. 

▲ 식충식물 파리지옥이 먹이를 기다리고 있다.

영양이 부족한 토양에서 자라는 식물은 특별한 생존 전략을 개발했다.
곤충을 추가 음식으로 잡는다. 파리지옥(Dionaea muscipula)은 붙잡는 판으로 변형된 잎을 갖고 있다. 이 잎의 가장자리에 향기로운 가는 털로 희생자를 유인한다. 곤충이 잎의 고감도 감각 모발에 닿자마자 모발 바닥의 세포가 늘어나 이온 채널이 열리고 활동 전위가 생성된다. 감각모의 윗부분은 강화된 지레 역할을 한다.

신호는 이러한 터치 센서를 통해 전체 접이 함정(hinge fall)에 퍼진다.
두 개의 활동 전위가 지나면 덫은 식물 왕국의 다른 어떤 움직임보다 빠르게 닫힌다.
먹이가 도망치려고 할 때 발생하는 전기 신호의 수에 따라 식충식물은 희생자의 크기를 추정하고 적절한 양의 소화 분비물을 형성하기 시작한다.

▲ 파리지옥은 곤충이 덫 잎에서 길을 잃으면 즉시 반응한다. 그것을 어떻게 느낄까?

어떤 유전자가 담당할까?

이 포획 메커니즘은 이미 알려져 있지만 파리지옥의 감각 모발에 있는 책임있는 기계 수용체는 지금까지 거의 연구되지 않았다. 뷔르츠부르크 대학의 안다 이오십(Anda Iosip)과 함께 일하는 과학자들은 최근 그 배후에 있는 분자 기반을 조사했다.

이를 위해 그들은 파리지옥(영어 Venus flytrap : 비너스 플라이트랩)에서 약 1천 개의 개별 감각털을 분리했다.
DNA 시퀀싱을 사용해 세포의 유전 자를 분석하고 식물의 다른 기관(꽃, 뿌리, 덫, 잎 가장자리, 샘 및 잎자루)에 있는 유전 물질의 활성과 비교했다.
이런 식으로 그들은 감각 모발에서만 활동하는 유전자를 식별했다.

처음으로 발견된 자극 전환 유전자

결과 :
실제로 감각 유모세포의 유전자 활동은 조사한 다른 기관의 유전자 활동과 크게 달랐다. Iosip의 동료 요르그 슐츠(Jörg Schultz)는 "머리에 있는 유전자의 지문이 덫에 있는 다른 세포 유형의 지문과 다르다는 것을 발견했다"고 덧붙였다. 무엇보다도 감각 모발에서 다른 식물 기관보다 훨씬 더 많은 유전자가 매우 활동적인 것으로 밝혀졌다.

“궁극적으로 우리는 진정한 감각 모발 특이 유전자로 분류될 수 있는 495개의 유전자를 확인했다”고 연구원들은 설명했다. 그들은 이것이 감각 모발의 기계적 자극을 전기 신호로 변환하는 데 관여하는 유전자라고 결론지었다.

▲ 파리지옥의 덫, 감각 모발의 밑부분 과 활동 전위에 대한 이온 채널의 영향. © Ines Kreuzer, Soenke Scherzer / Universität Würzburg

모발 베이스의 특정 이온 채널 확인

이를 확인하기 위해 Iosip과 동료들은 특정 유전자가 무엇을 코딩하는지 조사했다.
“감각 모발에 특이적인 유전자 목록의 맨 위에 많은 전기 발생 이온 채널을 발견했다”고 연구원들은 설명한다. 세포막의 이러한 구멍은 동물계와 식물 모두에서 많은 전도 과정에서 중요한 역할을 한다. 연구진은 파리지옥의 감각 모발에서 가장 빈번하게 발견되는 4개의 이온 채널에서 위치와 가능한 기능을 조사했다.

 

실제로 이러한 채널은 감각 모발의 기저부에서만 발견됐으며, 이러한 채널이 모발의 자극 전환에 관여함을 시사한다. 전기 생리학적 분석에 따르면 특정 칼륨 채널 KDM1이 특히 감각 모발의 흥분성을 결정하는 데 결정적인 것으로 나타났다.
이 채널이 막히면 감각 모발이 더 이상 흥분되지 않고 활동 전위를 발화할 수 없다.

그 이유는 칼륨 채널은 칼륨 이온이 활동 전위의 최고점을 통과하도록 허용한다.
이것은 자극으로 들뜬 후 멤브레인의 전형적인 이온 분포를 다시 설정하고 추가 자극을 위해 세포를 준비한다. Iosip의 동료 라이너 헤드리치(Rainer Hedrich)는 “이제 우리는 활동 전위의 초기 단계에서 중요한 역할을 하는 이온 채널을 식별하고 특성화해야 한다”고 말했다.
(PLOS Biology, 2020, doi : 10.1371 / journal.pbio.3000964)
출처 : Julius Maximilian University of Würzburg

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]