최근 우리 학교 왕샤오후이(Wang Shaohui) 교수와 조원차오(Zhao Wenchao) 교수 연구팀은 국제적으로 유명한 저널인 Advanced Science(IF5=163)은 SlDOF9-SlSWEET17 모듈: 토마토에서 선충에 의해 유발된 혹과 뿌리 사이의 설탕 분포를 제어하기 위한 스위치라는 연구 논문을 발표했습니다 이 논문에서는 식물 뿌리와 놀이터 토토 사이의 설탕 분포에 대한 음성 조절자인 설탕 운반체 SWEET17이 놀이터 토토 선충에 대한 토마토 민감성에 영향을 미치고 놀이터 토토의 예방 및 제어를 위한 새로운 아이디어를 제공하는 메커니즘을 밝혔습니다 선충 이는 또한 다른 SWEET 단백질의 당 수송 기능을 부정적으로 조절하는 것으로 확인된 최초의 SWEET이기도 합니다
놀이터 토토선충 (멜로이도기네spp)은 전형적인 유형의 생물 영양 내부 기생충 선충입니다 식물 뿌리를 감염시킨 후 뿌리 세포의 비정상적인 분화를 유도하여 뿌리 옹이를 형성하여 전 세계 작물의 수확량과 품질에 심각한 위협을 가합니다 독립영양생물로서 식물은 광합성을 통해 유기 영양소(주로 당)를 합성하여 자신의 성장과 발달을 유지합니다 반면에 기생생활을 하는 놀이터 토토선충은 유기물을 독립적으로 합성하는 능력이 부족하고 생활사를 완료하기 위해 탄소원과 같은 영양분을 얻기 위해 숙주 식물에 의존해야 합니다 영양분 획득 방식의 이러한 본질적인 차이는 식물과 놀이터 토토 선충이 장기적인 진화 과정에서 치열한 "설탕 전쟁"을 형성했음을 결정합니다 병원체는 숙주의 당 수송 시스템을 가로채기 위한 구체적인 전략을 지속적으로 발전시켜 왔으며, 식물은 선충의 영양분 획득을 제한하고 당 대사와 분포를 조절하여 면역 반응을 활성화했습니다 이 상호작용 시스템에서 설탕 운반체 계열인 SWEET(Sugars Will Out Be Exported Transporters)는 체관부 설탕 분포 및 병원체-숙주 상호 작용에서 중요한 역할을 하기 때문에 두 당사자 간의 경쟁의 핵심 목표가 되었습니다 이전 연구에서는 놀이터 토토 선충이 특정 메커니즘을 통해 숙주의 SWEET 단백질을 "탈취"하고, 뿌리당 수송 방향을 변경하고, 자체 개발 요구를 충족시키기 위해 뿌리 마디에서 단백질을 풍부하게 만들 수 있음을 보여주었습니다 그러나 식물이 SWEET 계열 구성원을 적극적으로 규제하고 선충 감염에 저항하기 위해 설탕 유통 네트워크를 재구성할 수 있는 수단을 가지고 있는지 여부에 대한 명확한 과학적 설명이 부족했습니다
연구원들은 토마토 뿌리의 놀이터 토토 선충 감염 초기 단계에서 토마토 설탕 운반체 계열의 구성원을 관찰했습니다SlSWEET17의 유전자 발현 상당한 증가를 보였습니다 연구팀은 그 기능을 분석하기 위해 효모 당 흡수 실험을 통해 SlSWEET17이 육탄당 돌연변이 효모 균주 EBYVW4000에서 포도당과 과당을 운반하는 능력이 없으며, 놀이터 토토 조직에서 많이 발현되는 SlSWEET1c, SlSWEET1e, SlSWEET10b, SlSWEET12d와 같은 계열 단백질과 이종이량체를 형성하여 이들 단백질의 당 수송 활성을 억제할 수 있음을 확인했습니다 추가 연구에 따르면 과발현이 나타났습니다SlSWEET17식물에서는 놀이터 토토의 가용성 당 함량이 크게 감소하고 놀이터 토토 선충에 대한 감수성이 감소합니다 그리고SlSWEET17녹아웃 라인은 반대 표현형을 보여주었습니다 즉, 놀이터 토토의 가용성 당 함량이 증가하고 놀이터 토토 선충에 대한 감수성이 크게 향상되었습니다 이는 SlSWEET17이 뿌리와 놀이터 토토 사이의 당 분포를 조절함으로써 놀이터 토토 선충에 대한 토마토 감수성에 영향을 미치는 음성 조절자 역할을 할 수 있음을 나타냅니다 또한 연구팀은 ChIP-qPCR, EMSA, 이중 루시퍼라제 리포터 유전자 등의 기술을 활용해 전사인자 SlDOF9가 직접적으로 결합할 수 있음을 확인했다SlSWEET17의 프로모터 영역입니다 놀이터 토토선충 감염의 초기 단계에 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다SlDOF9의 표현 수준 상당한 하락 추세를 보였습니다 유전적 증거는 SlDOF9가 억제한다는 것을 추가로 시사합니다SlSWEET17의 표현 놀이터 토토 선충에 대한 토마토의 감수성을 간접적으로 촉진하여 놀이터 토토 선충 감염에 대한 토마토의 감수성을 적극적으로 조절합니다
그림 1 SlSWEET17은 놀이터 토토 선충에 대한 토마토 민감도를 부정적으로 조절합니다
연구원들은 놀이터 토토 선충 감염의 전체 과정을 동적으로 조절하기 위한 "분자 스위치"로 SlDOF9-SlSWEET17 모듈을 제안했습니다 이는 세 가지 주요 단계로 나뉩니다 정상 조건에서:SlDOF9그리고SlSWEET17기본 발현 수준을 유지하십시오 이때 SlDOF9는SlSWEET17프로모터와 그 발현을 억제하면 다른 고활성 설탕 운반체(예: SlSWEET1c, SlSWEET1e 등)가 정상적으로 설탕을 뿌리 아포플라스트까지 운반할 수 있게 되어 식물 자체 성장에 필요한 영양분 분포의 균형을 보장하는 동시에 자체 에너지를 소비하는 과도한 방어를 피할 수 있습니다 초기 감염(0~7일): 선충이 뿌리계에 침입하여 놀이터 토토 형성을 유도하기 시작할 때SlDOF9표현 수준이 급격히 감소하고 쌍이 해제됩니다SlSWEET17의 전사 억제 이때 SlSWEET17 단백질은 다른 고활성 SWEET 단백질과 결합하여 이종이량체를 형성하여 후자의 당 수송 능력을 감소시킵니다 이 "단백질 상호 작용 브레이크" 메커니즘은 뿌리 매듭에 당이 축적되는 것을 효과적으로 줄이고, "기아 전술"을 통해 선충 유충의 발달을 억제하며, 식물이 면역 반응을 시작할 시간을 벌 수 있습니다 후기감염기간(14일 이후) : 놀이터 토토선충이 기생 정상상태 단계에 진입하는 시점SlDOF9의 표현 수준 반등하여 다시 제압되었습니다SlSWEET17차단된 고활성 SWEET 단백질을 방출하기 위해 기록합니다 이는 선충에 대한 설탕 영양의 일부를 제공하지만 뿌리의 장기적인 설탕 결핍으로 인한 발달 장애를 방지하며 병원균에 저항하고 자체 생존을 유지하는 식물의 "전략적 타협"을 반영합니다
그림 2 놀이터 토토 선충 감염에 반응하는 SlDOF9-SlSWEET17 모듈의 분자 메커니즘
박사 베이징 농업 대학교 식물 과학 기술 대학의 젊은 교사인 Wang Xiaoyun과 석사 과정 졸업생인 Wang Zhimei와 Tang Xinyue가 이 기사의 공동 첫 번째 저자입니다 베이징 농업 대학교의 Zhao Wenchao 교수는 이 논문의 독립적인 교신저자입니다 석사과정 학생(Qin Jiamei, Zhou Xiaoxuan, Gu Lixia, Bian Huihui), Sun Lulu 부교수, Huang Huang 부교수, 수석 실험실 기술자 Yang Rui, 수석 실험실 기술자 Wang Jianli, Wang Shaohui 교수, 허난 과학 기술 대학교 Chen Shuangchen 교수, 내몽골 농업 대학교 Yang Zhongren 교수도 연구 작업의 일부에 참여했습니다 본 연구는 중국 국립자연과학재단, 베이징 시 교육위원회-시 기금 위원회 공동 기금 프로젝트, 베이징 농업 대학 농업 과학 기술 혁신 "스파크 액션" 지원 계획 등의 자금 지원을 받았습니다 Xuan Yuanhu 교수, Eckhard Boles 교수, Ren Yi 연구원, Li Ren 연구원, Huang Yun 부교수, Liu Huan 박사, Zhang Zhenxian 교수 및 Ruan Yongling 교수의 지원과 도움에 특별히 감사드립니다
Wang Shaohui 교수와 Zhao Wenchao 교수로 구성된 연구 그룹은 시설 토마토의 스트레스 반응 메커니즘과 제어 전략에 대한 체계적인 연구에 오랫동안 집중해 왔습니다 최근 몇 년 동안 이 팀은 식물 과학 분야의 최고 국제 저널에 일련의 높은 수준의 연구 결과를 발표했습니다 관련 연구는 놀이터 토토선충 감염, 회색곰팡이 스트레스, 가뭄 및 염분 등 시설 토마토의 주요 스트레스 요인에 중점을 두고 있습니다 연구팀은 다중오믹스 통합분석과 기능검증을 통해 생물적, 비생물적 스트레스를 받는 토마토의 신호전달 네트워크와 대사조절 경로를 체계적으로 규명해 스트레스 저항성 품종의 시설 토마토 육종과 환경조절 기술 개발에 중요한 이론적 기초와 분자적 표적을 제공했다 팀의 교사들은 학교 당위원회의 강력한 지도력 아래 "교육을 통해 강국 건설의 방침을 구현하고 학교 사업의 고품질 발전을 촉진"하는 주요 주제에 긴밀히 초점을 맞추고 "더 나은 미래를 만들기 위한 노력"을 출발점으로 삼을 것이라고 말했습니다 앞으로도 토마토 시설 재배 품질 향상, 스트레스 저항, 수확량 증대에 중점을 두고 기술 개발 및 생식질 혁신에 대한 연구를 수행할 예정이다 그들은 계속해서 높은 수준의 과학 연구 결과를 생산하고 농부를 알고 농부를 사랑하는 새로운 인재를 적극적으로 육성하며 국내 및 국제적으로 유명한 도시 농업 및 임업 특성과 높은 수준의 응용 중심 대학 건설을 가속화하는 데 적극적으로 기여할 것입니다
