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- 진딧물의 침샘에 있는 유전자가 혹의 성장 촉진하고 제어
- 유전자 활성화는 아미노산 시스테인이 풍부한 BICYCLE 단백질을 생성
- 진딧물은 이 단백질을 타액과 함께 식물 세포에 주입
- 식물에 녹색 성장을 형성하고 다른 일부는 적색이 형성되는 것을 야기
- BICYCLE 유전자에서 혹의 색을 결정하는 요소인 유전자 발견

곤충은 어떻게 식물이 혹을 형성하게 할까?
연구원들이 진딧물에서 최초의 식물 혹을 유발하는 유전자와 단백질을 식별했다.

곤충의 개입.
많은 곤충은 동물이 피난처로 이용하는 식물에 소위 혹이라고 하는 종양이 형성되는 방식으로 식물의 성장을 바꿀 수 있다. 과학자들은 진딧물에 대한 게놈 분석으로 절지동물이 식물의 혹을 관리하는 방법을 처음으로 제시했다.
이에 따르면 식물의 혹 형성자는 소위 BICYCLE 유전자를 가지고 있는데, 이것은 절지동물이 이로 식물을 물 때 단백질이 식물에 주입되어 혹이 자라도록 한다. 

▲ 이 원뿔 모양의 성장은 진딧물에 의해 발생했다. 식물이 이 혹을 형성하는 방법에 대해 연구자들은 이제 밝혀 내기 시작했다. © David Stern

식물 혹은 낯선 유기물에 의해 발생하는 잎과 같은 식물의 일부에서 자라는 것으로 생각된다.
이를 위해 일부 종의 진딧물, 파리, 말벌 및 특정 균류는 식물을 손상시키고 식물 성장을 조작하여 식물에 공, 돌기 또는 긴 가시가 형성되도록 한다. 일부 혹은 심지어 밝은색의 꽃과 비슷하다. 예를 들어, 곤충 유충이 성장하고 먹는다.

혹을 만드는 곤충은 식물을 어떻게 조작할까?

곤충과 균류가 식물이 혹을 형성하게 하는 방법은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.
이것이 버지니아의 하워드 휴즈 의학 연구소(Howard Hughes Medical Institute)의 아이쉬와르야 코르가온카르(Aishwarya Korgaonkar) 주변 연구자들이 조사한 내용이다.
"어떻게 한 영역의 살아있는 생명체가 다른 영역의 유기체 게놈을 제어해 그 발달을 변화시키고 자신을 위한 집을 만들 수 있을까?"

이를 알기 위해 그들은 풍년화(Hamamelis)의 혹 형성자로 알려진 진딧물 (Hormaphis cornu)의 종을 조사했다. 이들은 봄에 식물 잎의 밑면을 물고 침을 주입한다.
이로 인해 원뿔 모양의 혹이 맨 위에 자란다.

▲ Hormaphis cornu 종의 진딧물은 조롱나무 잎을 빨아먹고 혹 형성을 유발한다. © Burke et al. / PNAS

그러나 여름에는 이 종의 곤충은 보통 강 자작나무(Betula nigra)에 서식하며 그곳에서 혹을 형성하지 않는다.

연구진은 식물의 혹을 만드는 곤충과 혹을 형성하지 않는 것의 표본을 수집하고 작은 침샘을 절개했다. 이로부터 유전 물질을 분리하고 혹 형성기에서만 활성화된 유전자를 확인했다.

타액 단백질이 원인이다

수백 개의 유전자가 혹을 형성하는 진딧물의 침샘에서 활동하는 것으로 밝혀졌다.
이것은 이 유전자 그룹이 혹 성장의 발달을 촉발하고 제어한다는 것을 시사한다.
Korgaonkar와 그녀의 동료들은 이전에 알려지지 않은 이러한 유전자를 BICYCLE 유전자로 명명했다.

이 유전자는 진딧물이 봄에 혹 친화적인 숙주를 식민지화할 때 분명히 활성화된다.
유전자 활성화는 아미노산 시스테인이 풍부한 BICYCLE 단백질을 생성한다.
그런 다음 진딧물은 이 단백질을 타액과 함께 식물 세포에 주입하여 위치 조롱나무식물의 잎 조직을 다시 프로그래밍하여 식물의 정상적인 부분 대신 혹을 형성한다고 Korgaonkar는 설명한다.

▲ 그림 1 Hormaphis cornu aphids는 식물 세포의 패턴화된 과다 증식을 유도해 Hamamelis virginiana의 잎에 혹을 생성한다. (A–C) H. cornu의 퍼스트 -instar fundatrices에 의해 공격을 받고있는 H. virginiana 잎의 축면 사진. 님프는 개봉되지 않은 잎 새싹 (A)에 모이고 새싹이 끊어진 직후 기저는 잎맥 (B) 근처에 모여 잎을 혹 (C)으로 변환하기 시작하는 물질을 주입한다. (A)의 파란색 사각형으로 확대된 영역은 개봉되지 않은 새싹 (A ')에서 대기중인 3 개의 간모(幹母;진딧물의 월동란이 봄에 부화해 발육한 것으로 날개가 없이 새끼를 낳는 단위 생식형의 암컷)를 보여준다. (D–F) H. virginiana 잎의 주축 표면 사진, 초기 (D), 중간 (E) 및 후기 (F) 성장 단계에서 혹이 나타남. (G–I) 콩고 레드 및 칼코 플루오르 화이트로 염색 된 H. cornu gall (G 및 H) 및 unalled H. virginiana 잎 (I)을 통한 단면의 공 초점 현미경 사진 (J) H. cornu의 수명주기 다이어그램. H. cornu는 H. virginiana (파란색 선)와 Betula nigra (분홍색 선) 사이에서 매년 이동하며 혹은 H. virginiana (갈색 선)의 봄에만 생성된다. (출처: 관련논문:A novel family of secreted insect proteins linked to plant gall development)

특정 유전자가 혹의 색을 조절

그러나 흥미로운 것은 혹을 형성하는 일부 이가 식물에 녹색 성장을 형성하고 다른 일부는 적색이 형성되는 것을 야기했다는 것이다. 이러한 다양한 표현형을 추적하기 위해 과학자들은 다양한 진딧물의 게놈을 비교했다.

결과 :
연구자들은 실제로 두 진딧물 변종 간에 차이가 있는 BICYCLE 유전자에서 혹의 색을 결정하는 요소인 유전자를 발견했다. Korgaonkar와 그녀의 팀은 이 BICYCLE 유전자의 유전자 변이로 인해 다른 단백질이 식물에 들어가 식물 유전자 발현을 변화시켜 혹이 자랄 때 식물이 다른 염료를 생산한다는 결론을 내렸다.

더 많은 연구 필요

연구원들에 따르면, 새로운 발견은 식물 혹 연구에서 중요한 진전이다.
Korgaonkar의 동료 David Stern은 "몇 년 동안 무슨 일이 일어나고 있는지 궁금해한 끝에 무언가를 보여줄 수 있어 매우 만족스럽다"고 말한다. "우리는 각 BICYCLE 유전자의 산물이 식물에서 자체 목표를 가지고 있으며 모든 BICYCLE 유전자 제품의 결합 된 효과가 혹 발달의 여러 측면을 조절한다고 의심한다.“

연구팀은 현재 진딧물에서 BICYCLE 단백질에 의해 공격받는 식물 분자를 확인하기 위해 노력하고 있다고 Korgaonkar는보고 했다. 앞으로 이것은 BICYCLE 단백질이 식물에서 혹 형성을 어떻게 유발하는지 정확히 설명해야 한다.
(Current Biology, 2021, doi : 10.1016 / j.cub.2021.01.104)
출처 : Howard Hughes Medical Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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