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미생물이야기 Agrobacterium과 근두암종병에 대해 알아보자.
2013-08-13 14:03:11
이엠생명과학연구원

Agrobacterium과 근두암종병

 

일부 미생물들은 식물 병원체인데 식물에 질병을 일으킨다. 뿌리혹세균 Rhizobium과 가까운 관계인 Agrobacterium 속은 매우 다양한 식물에 종양 생장의 형성을 일으킨다. 가장 널리 연구된 두 종은 근두암종병 (crown gall disease)을 일으키는 A. tumefaciens털뿌리병 (hairy root disease)을 일으키는 A. rhizogenes이다.

비록 식물이 상처가 났을 때 칼루스 (callus, 유합조직)라 하는 해가 없는 조직의 축적을 흔히 형성하지만 A. tumefaciens (그림 55)에 의해 유도되는 생장은 칼루스가 제어되지 않는다는 점에서 다르다. 따라서 그것은 동물의 종양 생장과 유사하다. 일단 유도되면 이 종양은 Agrobacterium 세포가 없어도 생장이 계속된다. 즉 일단 Agrobacterium이 종양 조건을 유도하면 그 존재가 더 이상 필요하지 않다.

종양 형성을 유도하려면  Agrobacterium 세포에 Ti 플라스미드 (tumor induction plasmid)라 하는 큰 플라스미드가 존재해야 한다. Agrobacterium rhizogenes에는 털뿌리의 유도를 위해 Ri 플라스미드라는 유사한 플라스미드가 있다. 감염 후 Ti 플라스미드의 일부인 transfer DNA (T-DNA)가 식물의 유전체에 삽입된다. T-DNA는 종양 형성 및 오핀 (opine)이라는 여러 변형 아미노산의 생성에 관여하는 유전자들을 갖고 있다. 옥토핀 (octopine, N2-(1,3-dicarboxyethyl)-L-arginine)과 노팔린 (nopaline, N2-(1,3-dicarboxypropyl)-L-arginine)은 흔한 두 오핀이다. 오핀은 T-DNA로 형질전환된 식물세포에 의해 생성되며 Agrobacterium 세포의 탄소와 질소원이다.

 

세균의 인식과 T-DNA 전달

종양을 형성하려면 Agrobacterium 세포가 먼저 식물의 상처 부위에 부착해야 한다. 식물 조직에 의한 Agrobacterium의 인식은 세균과 식물 세포 표면의 상보적 수용체 분자가 관련된다. 식물 수용체 분자는 펙틴 (pectin, 복합 다당류) 종류이며 세균 수용체는 세포벽 지질다당류 내에 묻혀 있는 β-글루칸 함유 다당류 종류로 생각된다.

Agrobacterium tumefaciens의 비종양형성 돌연변이체를 이용한 연구에서 식물에 세균의 부착을 위해 필요한 대부분의 기능이 세균 염색체에서 나오는 것으로 밝혀졌다. 부착 후 세균에 의한 섬유소 미세섬유의 신속한 합성이 세포를 상처 부위에 고정시키고 세균 세포를 둘러싸 식물 세포 표면에 큰 세균 덩어리를 형성한다. 이는 세균으로부터 식물로 플라스미드 전달의 단계를 만든다.

Ti-플라스미드의 구조는 그림 19.56에 있다. 비록 여러 유전자들이 감염에 필요하지만 Ti 플라스미드의 작은 부분인 T-DNA (그림 56)만이 실제로 식물로 전달된다. T-DNA는 종양형성을 유도하는 유전자들을 포함한다. Ti 플라스미드 상의 vir 유전자들은 T-DNA 전달에 필수적인 단백질들을 암호화한다. vir 유전자들의 발현은 상처난 식물 조직에 의해 합성되는 식물 신호분자에 의해 유도된다.

T-DNA 전달 은 이같이 세균의 접합 (conjugation)과 유사하다. T-DNA는 식물의 핵 유전체로 삽입되는데 삽입은 특별한 전위 또는 직접 연쇄반복 (direct tandem repeat)이 존재하는 곳에서 일어난다. Ti 플라스미드의 종양형성 (onc) 유전자들 은 적어도 하나의 오핀 생합성의 핵심 효소뿐만 아니라 식물 호르몬 생성에 관여하는 효소들을 암호화한다. 이 유전자들의 발현은 종양 형성을 유도한다. 털뿌리병과 관련된 Ri 플라스미드 또한 onc 유전자들을 갖고 있다. 그러나 이 경우 그 유전자들은 식물에게 증가된 오옥신 반응성을 부여하는데 이는 뿌리 조직의 과다생산을 이끌어 질병 증상이 일어나게 한다. Ri 플라스미드는 또한 여러 오핀 생합성 효소를 암호화한다.

 

Ti 플라스미드를 이용한 유전공학

미생물학과 식물병리학 관점에서 근두암종과 털뿌리병 모두 세균 DNA가 식물 세포에 물리적으로 전달되는 독특한 형태의 상호작용을 포함한다. 그러나 일단 DNA 전달 과정이 이해된 후, Ti 체제가 식물 내로 유전적으로 조작된 DNA를 도입하는 벡터로 사용될 수 있는 것이 금방 분명해졌다. 즉, Ti는 천연 식물 형질전환 체제이다. 따라서 Ti/근두암종 체제의 초점은 질병 자체로부터 생명공학에서의 새로운 활용으로 옮겨졌다.

유전공학의 힘을 통해 질병 유전자가 없는 변형된 Ti 플라스미드를 가진 숙주가 형질전환 식물의 생산에 현재 이용가능하다. 제초제와 곤충 저항성 분야에서는 이미 성공적 사례들이 보고되었으며 다른 많은 분야들도 연구를 기다리고 있다.

 

뿌리혹세균과 콩과식물과의 공생

콩과식물과 특정 그람-음성 질소고정 세균 간의 관계가 가장 중요한 식물 세균 상호작용 중의 하나이다. 콩과식물은 꼬투리에 종자를 갖는 식물로 꽃이 피는 식물 중 세 번째로 큰 과로 대두 (soybean), 토끼풀 (clover), 자주개자리 (alfalfa), 강낭콩 (bean)과 완두 (pea) 같은 농업적으로 중요한 식물들을 포함한다. 이 식물들은 인간의 영양을 위한 주요 야채일 뿐만 아니라 콩 가공 산업과 가축사료로도 매우 중요하다. 질소비료 없이 자라는 콩과식물의 능력은 매년 수백만 달러의 비료 비용을 절감한다.

Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium, AzorhozobiumPhotorhizobium은 그람-음성의 운동성 막대형 Proteobacteria로서 토양에서 독립생활을 할 수 있으며 또는 콩과식물에 감염하여 공생관계를 성립할 수 있다. 이 속들 중 적절한 하나의 종으로 콩과식물 뿌리의 감염은 질소를 고정하는 뿌리혹 (root nodule) 의 형성을 유도한다. 이 공생에 의한 질소고정은 농업적으로 중요하며 토양에서 복합질소의 상당한 증가를 가져온다. 시비하지 않은 맨 땅에서 질소 부족이 흔히 일어나므로 혹을 형성한 콩과식물은 다른 식물이 자라지 못하는 곳에서 잘 자란다.

 

레그헤모글로빈과 교차접종군

정상 조건 하에서 콩과식물 또는 그 세균공생자 어느 것도 질소를 고정하지 못한다. 그러면 어떻게 둘 사이의 상호작용이 질소고정을 유도하는가? 순수배양에서 뿌리혹세균은 미호기성 조건에서 자랄 때 단독으로 N2를 고정할 수 있다. 분명히 뿌리혹세균은 N2 고정을 위한 에너지를 생성하기 위해 약간의 O2를 요구하지만 그들의 질소화효소 (nitrogenase)도 다른 질소고정 생물의 그것과 같이 O2에 의해 불활성화된다.

혹에서 정확한 O2 수준은 O2-결합 단백질인 레그헤모글로빈 (leghemoglobin)에 의해 조절된다. 이 적색 철함유 단백질은 건강한 N2-고정 혹에만 존재하며 , 식물 숙주와 세균 공생자의 상호작용을 통해 유도된다. 레그헤모글로빈은 혹 내부의 유리산소 수준을 낮게 유지하기 위해 산화형 (Fe3+)과 환원형 (Fe2+) 간의 “산소 완충” 순환으로 작용한다. 뿌리혹에서 레그헤모글로빈-결합 산소 대 유리산소의 비율은 10,000:1 수준이다.

모든 콩과식물종의 약 90%가 혹을 형성할 수 있다. 그러나 콩과식물 종과 뿌리혹세균 종 간에 분명한 특이성이 존재한다. 단일 뿌리혹세균 종이 일반적으로 특정 콩과식물종에 감염하지만 다른 종에는 감염하지 못한다. 관련 콩과식물에 감염할 수 있는 뿌리혹세균 종 또는 종류를 교차접종군 (cross-inoculation group) (표 1)이라 한다. 그러나 한 뿌리혹세균 균주가 특정 콩과식물에 감염할 수 있어도 질소고정 혹을 항상 만드는 것은 아니다. 만일 그 균주가 유전적으로 비유효적이면 (ineffective) 형성된 혹은 작고, 옅은 녹색이며 질소를 고정하지 못한다. 반면 만일 균주가 유효적이면 (effective) 혹은 크고 적색이며  질소를 고정한다. 유효성 (effectiveness)은 세균의 유전자들 (이 절의 후반부 nod 유전자들에 대한 설명 참조)에 의해 결정되며 아세틸렌 환원법에 의해 측정될 수 있다.

 

뿌리혹 형성 단계

뿌리혹의 감염과 발달 단계는 현재 잘 알려져 있으며 다음과  같다:

1. 식물과 세균 양쪽에 모두 적합한 상대방의 인식 (recognition)과 뿌리털에 세균의 부착 (attachment);

2. 세균에 의한 nod 인자의 분비 (excretion);

3. 뿌리털의 세균 침입 (bacterial invasion);

4. 감염사를 통한 주된 뿌리로의 이동 (travel);

5. 식물 세포 내에서 변형된 세균 세포, 박테로이드의 형성과 질소고정 단계의 발달;

6. 지속적인 식물과 세균 분열 (continued plant and bacterial division)과 성숙한 뿌리혹 (root nodule)의 형성.

 

표 1. 콩과식물의 주요 교차접종군

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숙주 식물뿌리혹 형성세균

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완두Rhizobium leguminosarum biovar viciaea

강낭콩Rhizobium leguminosarum biovar phaseolia

강낭콩Rhizobium tropici

노랑들콩 (lotus)Mesorhizobium loti

토끼풀Rhizobium leguminosarum biovar trifoliia

자주개자리Sinorhizobium meliloti

대두Bradyrhizobium japonicum

대두Bradyrhizobium elkanii

대두Rhizobium fredii

Sesbania rostrataAzorhizobium caulinodans

(열대 콩과식물)

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aRhizobium leguminosarum의 여러 변종 (biovar)이 존재하는데 각각 다른

콩과식물에 혹을 형성할 수 있다.




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