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식물기능유전체연구실(Plant Functional Genomics Lab)은 2003년 1월 6일에 경희대학교 생명공학원 및 식물대사연구센터 소속 연구실로 출발하였으며, 벼를 주 연구재료로 사용하여 식물 유전체의 구조, 조절 및 기능분석에 관한 연구를 주로 수행하고 있다.

본 연구실의 전체적인 연구방향은 두 가지로 나뉜다. 첫째는 산업발전 패러 다임의 변화를 선도할 식물생명공학분야에서 가장 핵심적이고 중요한 연구 분야인 에너지의 생산과 소비, 저장에 이르는 전 과정인 식물의 source 대사 및 sink 대사 연구를 수행하는 그룹이다. 식물의 생산성을 높여서 인류에 공급할 수 있는 곡물의 양을 늘리기 위해서는 광합성의 효율을 높이고 그 저장기관인 종자에 잘 저장되도록 하여야 한다. 식물의 잎과 같은 source 기관에서 생산된 탄수화물은 sucrose의 형태로 종자와 같은 sink 기관으로 옮겨지게 되어 마지막에 전분의 형태로 저장되게 된다. 이 복잡한 과정에 관여하는 cell wall invertase, hexokinase, hoxose transporter, AGPase, starch synthase, starch branching enzyme과 debranching enzyme의 유전자들을 분리하여 특성을 분석함으로써, 저장 기관에서의 탄수화물대사의 조절과정을 규명하고 이를 응용하여 벼의 생산성과 품질향상에 기여하고자 한다. 특히 전분의 생합성 과정에서 starch synthase, starch branching enzyme 등은 전분의 성질의 결정에 중요한 역할을 한다. 따라서 우수한 벼 품종을 얻기 위해서는 이들 효소의 기능과 상관관계 및 조절 기작을 규명하는 것이 필수적이다. 현재까지 이들 대부분 효소들 중에서 일부는 plastid 외에 세포질에도 존재하는 것으로 알려져 있으나, 현재까지 이들 대부분의 단백질의 기능은 알려져 있지 않다. 이와 함께 벼 저장 기관의 강화를 위한 하나의 전략으로서 종자 크기를 조절하는 QTL 유전자를 분리하는 것에 대한 기초적인 연구를 수행하고 있다. 본 연구실에서 진행하고 있는 식물대사 연구의 궁극적인 목표는 탄수화물 대사의 이론을 재정립하고, 벼의 생산성과 기능성을 증가시킬 수 있는 체계를 확립하는 것이다.

식물기능유전체연구실의 또 다른 연구그룹은 광범위한 병균에 저항성을 갖는 내병성 벼 개발하는 연구를 수행하고 있으며, 궁극적으로 수확량의 증산 뿐 만 아니라, 농약의 사용에 대한 의존도를 낮추어 환경오염을 줄이고 고령화 되어가는 농업구조에서 파생되는 인력부족 문제의 해결에도 도움을 주고자 한다. 벼에서 발생하는 다양한 병 가운데에서 전 세계적으로 가장 심각한 손실을 일으키는 도열병에 관한 연구를 중점적으로 수행하고 있다. 전통적인 아프리카 품종인 Moroberekan과 베트남 품종인 Tetep은 지금까지 알려진 많은 벼 품종들 중에서 광범위한 도열병 균주에 대하여 폭 넓은 저항성 반응을 보이는 것으로 알려져 왔다. 본 연구실에서는 이들로부터 유래한 것으로 알려진 Pi5 내구, 광역 및 진성 저항성 유전자를 유전자 지도 분석에 기초하여 분리하였다. 특히 Pi5에 의해서 발생하는 저항성에 대한 신호전달을 이해하기 위하여 DEB 처리에 의한 돌연변이 집단을 작물 과학원 및 영남 농업연구소와 협동으로 제작하여 활용하고 있으며, DNA chip을 이용한 전사체 분석, 2차원 전기영동 분석을 통한 전체 단백질체의 분석을 통하여 새로운 병 저항성 조절 유전자를 찾고 있다.

본 연구실에서는 식물에게 독특하게 진화된 것으로 확인된 WRKY 전사 조절인자를 분석하고 있다. WRKY 단백질은 현재까지 애기장대에서 74개가 확인이 되었으며, 벼에서는 우리의 분석 결과 90개가 존재하는 것으로 확인되었다. WRKY 단백질은 WRKYGQK를 포함한 60개 아미노산으로 구성된 도메인을 하나 혹은 두개를 갖고 있다. 애기장대 연구 결과에 따르면 WRKY 단백질은 다양한 병원균, 방어 신호 감지 및 상처에 의해서 발현이 증가되거나 DNA 결합 능력이 증가되는 것으로 확인이 되었으며, 일부는 식물의 노화 및 스트레스에 의해서 발현이 조절되는 것으로 밝혀졌다. 또한 보리에서의 최근 연구 결과는 WRKY 단백질이 sugar 신호전달에 밀접하게 작용함을 입증하였다. 현재까지 본 연구실에서는 식물대사 및 병 저항성 신호전달에 관여하는 WRKY 유전자를 집중 분석하였으며, 이에 따라서 sugar 신호전달에 관여하는 한 개의 WRKY 유전자와 도열병 저항성에 관여하는 10개 이상의 WRKY 유전자를 분리하여 연구하고 있다.  

벼는 작은 유전체 크기, 자세한 유전자 지도, 이미 분석이 완료된 전체 유전자 정보, 효과적인 형질전환 기술의 확립 등의 장점으로 인해서 곡류의 연구를 위한 모델로서 알려져 있다. 또한 비교 유전학적 연구 결과는 대부분 곡류들은 유전정보와 유전자 배열에서 커다란 유사성을 갖는 것으로 밝혀졌으며, 전 세계 인구의 50% 이상이 먹는 주요 식량 자원이다. 결국 본 연구실에서 발견하고 있는 벼 연구의 성과는 모든 곡류에서 분자생물학적 기술의 접목을 위해서 매우 가치 있게 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

 

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