경상국립대학교 김외연 교수 연구진. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교는 식물생체리듬연구센터장 김외연 교수 연구진이 식물 생체시계를 통해 식물이 하루주기의 토양 환경변화에 적응하는 기작을 세계 최초로 규명한 논문을 지난 9일(한국시각) 발간된 '미국국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Science USA)'에 게재했다고 밝혔다.

김외연 교수에 따르면, 생체시계는 생명체가 지구환경에 적응하기 위한 세포 내 핵심 분자 시계로서, 대표적으로 낮밤 주기의 호르몬 변화를 통한 인간의 수면 및 각성 변화가 있다. 식물 또한 빛과 온도 같은 다양한 외부 환경변화를 인지해 생체시계를 재설계하며 이를 통해 하루주기의 성장과 발달을 조절함으로써 식물이 정상적으로 생장하도록 도와준다.

김외연 교수는 식물체 내 이온 함량이 식물의 증산속도와 토양 수분의 변화로 인해 매일 또는 계절적으로 변화하지만, 식물체 내 염 이온의 변화에 적응해 정상적인 식물 생장을 조절하는 분자메커니즘에 대해서는 규명된 바 없다고 밝혔다.

연구진은 세포 밖으로 염 배출을 유도하는 염 수송 단백질인 SOS1이 생체시계 인자인 GI 단백질을 직접적으로 보호하면서 생체시계의 정상적인 작동을 유도하고, 이를 통해 낮밤 동안 일어나는 세포 내 염 이온의 변화에 대응한다는 기작을 규명하였다. 더 나아가 빛과 온도 이외 토양 내 염 이온의 변화도 식물 생체시계의 조절 신호로 작용한다는 사실을 제시했다.

김외연 교수 연구진은 이전에도 GI 단백질을 통한 식물의 염 스트레스 저항성 기작을 '네이처 커뮤니케이션즈'(2013년)에 보고하면서, 생체시계를 이용한 식물 환경 적응성 조절 기능과 함께 환경재해 저항성 작물을 개발하는 데 실마리를 제공한 바 있다.

또한, GI가 고온 스트레스 단백질인 HSP90과 샤페론복합체를 형성해 단백질 항상성을 유도하며 이를 통해 식물 생체시계를 조절한다는 내용의 논문을 '네이처 커뮤니케이션즈'(2017년)에 보고한 바 있다.

김외연 교수는 “이번 연구결과는 식물이 GI와 염 저항성 단백질들 간 상호작용을 통해 세포 내 다양한 수준의 염 농도에 대한 항상성 기능을 밝힌 데 의의가 있으며, 생체시계의 정상적인 작동이 식물의 생장과 환경 적응성에 필수적이라는 것을 제시한다”며 “또한 이를 통해 지구 온난화로 야기되는 다양한 환경 스트레스에 대항할 수 있는 작물 개발과 생산량 증대의 가능성을 제시할 수 있다는 데 그 의미가 크다”고 밝혔다.

이 연구에는 경상국립대 김외연 교수 연구그룹과 차준영 학술연구교수, 제주대 김정식 교수, 미국 오하이오주립대 소머즈 교수 등이 참여했다. 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터(SRC) 지원사업, 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.