경상국립대 응용생명과학부 김나영 박사.(사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교는 대학원 응용생명과학부 원예학전공 김나영 박사(현재 한국생명공학연구원 소속)가 환경 스트레스 빅데이터 정보를 활용해 선택적 스플라이싱(Alternative splicing)을 대량 분석함으로써 복합스트레스 관련 핵심 인자 발굴 기반을 마련했다고 22일 밝혔다.

이는 식물이 다양한 스트레스 환경에 따라 변화하는 유전적 변이체를 빅데이터 기반으로 확인해 하나의 유전자가 다양한 형태로 스트레스 관련 기작에 관여할 수 있다는 것을 시사한다. 또한 분석을 통해 확보한 핵심 인자를 활용하면 특이적 또는 복합적 스트레스 환경에서 내성·저항성을 가지는 품종을 육성할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 원예과학부 강남준 교수(채소원예학), 염선인 교수(원예분자육종학), 강원희 교수(원예기능유전체학, 교신저자) 연구팀의 융합 연구를 기반으로 수행했고 김나영 박사가 제1저자로 참여했다.

김나영 박사는 가지과 작물인 고추에서 다양한 고온·저온 스트레스를 포함한 비생물학적 스트레스와 역병·바이러스를 포함한 생물학적 스트레스 반응에 대한 전사체 빅데이터를 생성하고 이를 통해 선택적 스플라이싱 변이체(Alternative splicing variants)를 대량 발굴해 스트레스 반응에 따른 변이체의 형태를 규명했다.

가지과 작물 중 하나인 고추는 조미채소로 채소 작물 중 세계적 교역량이 2위에 달하지만 급격한 기후 변화 등으로 인해 해마다 고온·건조와 같은 복합적 환경 스트레스로 인해 막대한 경제적 피해가 발생한다.

다양한 시퀀싱 기법 중 알엔에이 시퀀싱(RNA-seq)은 복잡한 환경 및 조건에서 발현되는 전사체 확보가 가능한 이점이 있어 대량의 유전자 기능 분석에 사용되고 있다. 다양한 데이터가 생성되고 있지만 방대한 데이터에서 복합스트레스에 관한 핵심 인자 발굴 및 기능 규명 연구는 아직 미흡한 상황이다.

김나영 박사는 고추 전사체 빅데이터를 기반으로 환경 스트레스 반응 스플라이싱 변이체를 대량 발굴했다. 복잡하고 다양한 스플라이싱 변이체는 식물의 발달과 스트레스 반응에 관여하는 것으로 알려져 있으며 이는 환경 스트레스에 대응하기 위해 소수 유전자에서 다양한 형태를 통해 저항성·내성에 관여할 것으로 기대된다. 김나영 박사가 확보한 스플라이싱 변이체는 추후 기능 분석을 통해 다양한 환경 스트레스에 효과적으로 대응할 수 있는 품종 개량에 적용될 수 있음을 시사한다.

스플라이싱 변이체 분석을 위해 사용한 21종류의 데이터는 비생물학적 스트레스(가뭄·냉해·염해·고온), 생물학적 스트레스(세균·바이러스·역병 등), 식물 호르몬(살리실산·에틸렌·자스몬산·아브시스산)과 식물 조직(꽃·줄기·뿌리·과실)으로 구성돼 있다. 김나영 박사는 총 869.81Gb(인간 지놈 크기의 290배)의 전사체 빅데이터를 이용해 식물의 유전자 발현을 분석했다.

이후 21종류의 전사체 데이터에서 스플라이싱 변이체 확인을 위해 각각 서열의 구조를 분석했으며 이를 통해 변이체를 5가지 형태(SE·RI·A5SS·A3SS·MXE)로 분류했다.

또한 스트레스 반응에 따라 특이적으로 변화한 유전자를 기준으로 재분류해 전체 처리에서 변이체를 나타내는 유전자를 발굴했다. 이 중 MSTRG.7288 유전자와 MSTRG.32525 유전자가 스트레스 처리에 따라 스플라이싱 변이체의 형태가 유의하게 변화하는 것을 확인했다. 이를 통해 유전자가 하나의 형태가 아닌 복잡한 변이체의 형태로 다양한 기능에 관여할 것으로 예상했다.

이 연구 결과는 빅데이터 전문 국제 과학저널인 ‘사이언티픽 데이터(Scientific Data)’( IF 9.8) 4월 13일자 온라인판에 게재했다. 논문 제목은 ‘고추의 대량 RNA-seq 데이터 기반 생물 및 비생물학적 스트레스에 변화하는 총체적 스플라이싱 변이체 분석(The landscape of abiotic and biotic stress-responsive splice variants with deep RNA-seq datasets in hot pepper)’이다. 이 연구는 한국연구재단 개인연구사업과 BK21 Four 농생명공학글로컬인재교육연구단의 지원을 받아 수행했다.