농부 그리고 자연현상에 대한 예리한 관찰자들에게 오래 전부터 알려진 사실 하나는 옥수수와 사탕수수 같은 작물은 밤에도 키가 잘 자란다는 것이다. 대부분의 식물에서 일반적인 현상인 이 야간의 줄기 신장을 제어하는 생화학적 메카니즘은 밤 동안 식물의 리드미컬한 생장을 조절하는 “이브닝 복합체(evening complex)” 때문이다. 더욱이, 이 단백질 복합체가 줄기신장을 촉진하는 유전자들과 서로 생물학적 시계를 통해 협동적으로 작용한다.
대부분의 사람들은 식물이 밤과 낮에 걸쳐 천천히 일정한 속도로 생장한다고 생각하는데, 실제로 식물은 늦은 밤 불규칙적으로 생장하고, 동트기 바로 전에 줄기 생장이 가장 신속하게 일어난다. 실제로, 사탕수수 같은 일부 식물은 매일 밤 1센티미터 이상 생장할 수 있는 능력을 가지고 있다.
일주기 시계(circadian clock)는 사람을 비롯한 여러 종들에서 발달과 생리적 과정들의 타이밍을 통제하지만, 이를 밝혀내는 것은 그리 쉽지가 않다. 그런데 애기장대 식물은 이런 종류의 분석에 매우 이상적인데. 그 이유는 매우 정교한 유전적, 생화학적 기술을 적용하여 하루 중 다른 때의 분자적 상호작용을 연구할 수 있고 식물 발달 과정을 쉽게 관찰할 수 있기 때문이다.
이 애기장대에서 식물의 줄기 생장을 조절하는 조기개화 3(Early Flowering 3, ELF3), 조기개화 4(ELF4) 그리고 식물 생장 조절(LUX) 유전자는 하나의 단백질 복합체로 작용하는 이른 저녁에 그 활성이 최대이다. 즉 조기개화 3 유전자는 조기개화 4 유전자와 LUX 유전자가 함께 모이게 하는 결합단백질로 작용하여 “이브닝 복합체”를 만들며, 이로 인해 복합체를 구성하는 세 요소의 생물학적 활성이 저녁에 최고조에 달하도록 한다.
그런데 이들 세 개의 유전자가 돌연변이로 기능이 소실되면 식물의 생물학적 시계가 붕괴되고 줄기 신장과 조기 개화가 촉진된다. 즉 이들이 식물의 생장에 대해 브레이크처럼 작용하며, 돌연변이 될 경우 식물이 훨씬 더 신장되도록 한다. 또한 이브닝 복합체는 식물 생장 촉진에 중요한 유전자인 phytochrome interacting factor 4(PIF4)와 phytochrome interacting factor 5(PIF5)의 활성을 저해한다. 이 복합체가 하루의 끝 그리고 이른 밤에 이 두 개의 유전자와 결합하여 식물이 생장하는 것을 막는다. 그러나 이브닝 복합체 수준이 감소하면 생장 촉진 유전자(PIF4, PIF5)가 발현되어 줄기신장이 초래되는 프로그램이 실행되고 생장에 대한 브레이크가 사라진다.
식물생장에 대한 생장 촉진 유전자(PIF4, PIF5)가 식물 생장을 가져오는 페달을 조절하고, 반면 이브닝 복합체를 생성하는 세 개의 유전자(ELF3, ELF4, LUX)는 브레이크처럼 작용하여 식물의 일주기 시계와 가장 신속한 생장이 늦은 밤과 동트기 바로 전에 일어나도록 한다. 이와 같은 야간의 식물 생장에 대한 이해는 더 빠르게 생장하거나 생산량이 더 많은 새로운 작물 육종으로 이어질 수 있다.
농촌진흥청 국립농업과학원 기능성물질개발과 이수인
