4'00" 읽기
- 상단과 하단의 결과 패턴, 수학자 앨런 튜링이 제안한 생물학적 자기 조직화 개념과 일치
- 개별 잎 세포는 서로 소통하고 구조에서 서로의 상대적인 위치를 알아낸다.
- 식물은 튜링 모델에 따라 발달한다
- 보다 저항성이 있는 식물 품종을 개발하는 데 사용

식물: 편평한 잎의 비밀이 밝혀졌다
식물 세포가 잎의 평평한 윗면과 아랫면으로 스스로 조직되는 방식

식물 잎은 햇빛을 포착하기 위해 가능한 한 넓은 면적이 필요하다. 하지만 어떻게 평평한 모양을 얻을 수 있을까? 이제 생물학자들은 잎의 평평한 성장을 제어하는 ​​유전적 메커니즘을 해독했다. 내장된 일종의 GPS가 각 잎 세포에 성장하는 잎에서의 상대적인 위치를 알려준다. 상단과 하단의 결과 패턴은 수학자 앨런 튜링(Alan Turing)이 제안한 생물학적 자기 조직화 개념과 일치한다. 

▲ 식물 잎의 단면은 RNA에 의한 유전자 조절의 작은 변화가 어떻게 유전자 활동의 공간적 패턴을 다르게 하는지 보여준다. 상부(빨간색) 층과 하부(파란색) 층 사이의 이러한 차이가 최종 잎 모양을 결정합니다. 왼쪽: 안정적인 양극성 유전자 활동 패턴이 유지되는 전형적인 평평한 잎. 가운데: 극성이 바뀐 잎으로 인해 식충 식물의 특수한 형태에서 발견되는 구조가 나타난다. 오른쪽: 극성의 상실로 인해 유전자 활동의 방사형 패턴이 발생하여 덩굴 식물에서 흔히 발견되는 덩굴손 구조가 형성된다. © Fotos: Friedhelm Albrecht/Universität Tübingen. Abbildung: Emanuele Scacchi

식물은 광합성을 통해 에너지를 생산한다. 빛을 포착하기 위해 잎에는 특수한 집광 장치와 녹색 식물 색소인 엽록소가 포함돼 있다. 최적의 광 출력과 효율적인 물질 교환을 위해 잎은 최대한 평평하고 얇다. 그러나 그들은 먼저 다음과 같은 형태로 성장해야 한다. “세포가 분열하고 증식할 때 일반적으로 세포 덩어리가 형성된다”고 튀빙겐 대학의 엠마누엘레 스카치(Emanuele Scacchi)는 설명했다. "우리는 나뭇잎의 경우 어떻게 큰 면적이 될 수 있는지 알고 싶었다.“

이를 알아내기 위해 스카치 연구팀은 모델 식물인 Arabidopsis thaliana의 발달을 조사했다. 연구진은 고해상도 현미경을 사용하여 식물이 성장하는 동안의 유전적 과정과 눈에 보이는 발달 과정을 분석했다. 생물학자들은 또한 컴퓨터 모델에서 실험적 관찰을 재현하는 수학자들과 협력했다.

분자 GPS 및 유전자 스위치로서의 RNA

분석 결과, 작은 RNA 분자가 잎 성장을 조절한다는 사실이 밝혀졌다. 그들의 도움으로 개별 잎 세포는 서로 소통하고 구조에서 서로의 상대적인 위치를 알아낸다. 생물학자들이 보고한 바와 같이, RNA는 잎에서 일종의 분자 GPS 신호 역할을 한다. "자라고 있는 잎의 세포에 있는 작은 RNA 분자는 세포가 환경을 감지하고 해석할 수 있도록 하는 유전적 과정을 시작한다"고 Scacchi는 말했다.

이 RNA는 또한 잎의 상단과 하단에 있는 세포에서 어떤 유전자를 활성화하거나 억제해야 하는지 조정하여 올바른 모양과 기능을 제공한다. 연구진이 보고한 바와 같이 유전자 활동은 상단과 하단이 서로 뚜렷하게 분리되고 잎 표면이 광합성을 위한 완벽하고 평평한 캔버스를 형성하도록 조정된다.

잎세포는 스스로 조직을 이룬다

또한 놀라운 점은 "이 제어 메커니즘은 성장하는 잎에서 자율적으로 작동한다. 식물에는 중앙 제어가 없다"고 튀빙겐 대학의 수석 저자인 마르야 팀머만스(Marja Timmermans)는 말했다. 이는 유전자 활동이 잎 발달의 내부 및 외부 교란에 신속하게 적응할 수 있음을 의미한다. 성장 조건이 크게 변하더라도 잎은 여전히 ​​올바른 모양을 유지할 수 있다.

"이 유전 시스템은 또한 미세 조정을 위한 많은 가능성을 제공한다"고 Timmermans는 말했다. RNA가 얼마나 강하게 개입하느냐에 따라 잎의 모양이 달라진다. "이것은 덩굴 식물의 단순한 덩굴손부터 식충 식물의 복잡한 투수 트랩에 이르기까지 자연에서 관찰되는 잎 모양의 다양성을 설명한다." 따라서 RNA 메커니즘은 서로 다른 종 사이에서 서로 다른 잎 모양을 생성하는 데 사용될 수 있지만 동일한 종의 여러 표본 간에도 서로 다른 모양을 생성하는 데 사용될 수 있다.

식물은 튜링 모델에 따라 발달한다

이러한 관찰이 컴퓨터 모델로 전환되었을 때 수학자들은 식물 잎의 생물학적 패턴이 새로운 것이 아니라는 것을 발견했다. "우리는 우리의 결과가 Alan Turing이 70여 년 전에 제시한 이론과 일치한다는 것을 알아냈다"고 팀머만스Timmermans는 말했다. 영국의 수학자인 튜링은 현재 컴퓨터의 개척자로 가장 잘 알려져 있다. 그는 자연의 신비에 대해서도 연구해 왔다.

튜링은 생물의 세포에 있는 특정 분자의 단순한 상호작용이 표범 피부의 반점이나 얼룩말의 줄무늬와 같은 복잡한 패턴을 형성할 수 있다고 제안했다. 그는 이것을 형태 형성 이론에서 설명했다. "우리는 자기 조직화를 통한 패턴 형성이라는 튜링의 개념에 해당하는 작은 RNA에 의해 제어되는 메커니즘을 발견했다"고 Timmermans는 말했다.

잎의 경우, 자기 조직화는 일관되고 조직화된 패턴과 잎의 평평한 구조를 생성하기 위해 집단을 형성하는 세포의 유전적으로 제어되는 행동을 의미한다. “이러한 패턴 형성의 기본은 극성, 즉 이 경우 상단과 하단을 구별하는 능력이다. 이는 일반적으로 한쪽은 낮고 다른 쪽은 높은 물질의 농도 구배로 인해 발생한다”고 Scacchi는 설명했다.

식물 육종에의 적용이 가능하다

"우리의 발견은 튜링의 유산에 새로운 장을 추가하는 데에만 중요한 것이 아니다"고 Timmermans는 말한다. 작은 RNA가 자기 조직화 유전 과정을 가능하게 하는 기본 메커니즘에 대한 지식을 바탕으로 이제 이를 활용하는 방법을 탐색할 수 있다. 예를 들어, 이번 연구 결과는 보다 저항성이 있는 식물 품종을 개발하는 데 사용될 수 있다. Timmermans는 “전 세계적으로 식량 수요가 증가함에 따라 지구 온난화와 같은 스트레스 요인에 탄력적으로 대응할 수 있고 수확량이 많은 최적화된 작물이 필요하다”라고 설명했다.
(Nature Plants, 2024, doi: 10.1038/s41477-024-01634-
출처: Eberhard Karls Universität Tübingen

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]