GTP-binding protein의 활성 변화가 옥수수 뿌리의 길이 성장과 굴중성 반응에 미치는 영향

Abstract

옥수수 뿌리와 자엽초의 길이 성장과 뿌리의 굴중성 반응에 여러가지 신호 전달에 중요한 역할을 하는 GTP-binding protein이 관여하는 지를 조사하였다. 옥수수의 뿌리와 자엽초의 길이 성장은 생리적 농도에 가까운 GTP (10^-6 M ~ 10^-4 M)를 처리하면 뿌리는 10^-6 M GTP에 의해서 대조구에 비해 길이 성장이 64%가 증가되었고 자엽초는 10^-4 M GTP에 의해서 길이 성장이 대조구에 비해 58%가 증가되었다. 이러한 현상은 GTP에 의해서만 특이적으로 나타났다. 뿌리의 굴중성 반응도 길이 성장을 촉진했던 농도의 GTP에 의해서만 굴중성 반응이 대조구에 비해 빠르게 나타나기 시작한다. 즉, 수평으로 둔 뿌리는 중력 자극을 받은 후 30분이 경과하면 대조구는 굴중성 반응을 보이지 않았으나 10^-6 M GTP를 처리한 뿌리는 11.5°구부러진다. Cholera toxin과 pertussis toxin을 처리하여 길이 성장과 굴중성 반응을 살펴본 결과 자엽초의 경우 1㎍/mL의 cholera toxin에 의해서만 길이 성장이 대조구에 비해 35% 증가하였으나 뿌리의 경우 0.1㎍/mL의 cholera toxin에 의해서는 길이 성장이 대조구에 비해 38% 증가하나, 같은 농도의 pertussis toxin에 의해서는 길이 성장이 37% 억제되었다. 또한 길이 성장을 촉진했던 cholera toxin은 뿌리의 굴중성 반응도 촉진하여 중력 자극을 받은 후 30분이 경과하면 대조구는 굴중성 반응을 보이지 않았으나 cholera toxin을 처리한 뿌리는 11.9°구부러졌다. 따라서 옥수수의 자엽초와 뿌리의 길이 성장과 굴중성 반응에는 heterotrimeric G protein과 연관되어 있으리라 여겨지며 뿌리에는 적어도 한 종류 이상의 heterotrimeric G protein이 존재하리라 추측된다. 뿌리의 경우 줄기에서 성장을 촉진했던 농도의 IAA에 의해서 길이 성장이 억제되는 것으로 알려졌다. 이러한 현상은 GTP에 의한 길이 성장의 촉진 현상과 반대되는 것이므로 오옥신이 GTP-binding protein에 의한 길이 성장의 촉진 현상에 영향을 줄 수 있는 지를 조사하였다. IAA를 GTP와 함께 처리하면 GTP의 효과는 나타나지 않지만 GTP를 먼저 처리하여 GTP-binding protein은 활성화시킨 후 IAA를 공급하면 즉시 길이 성장이 빠르게 감소되기 시작하여 IAA에 의한 억제 효과 만 나타났다. 굴중성 반응에서도 GTP에 의한 촉진 효과는 IAA에 의해서 억제되었다. 뿌리에서 분리한 막 소포체에서 GTPγS와 IAA의 결합을 측정한 결과 [^35 S]GTPγS의 결합이 GTPγS에 의해서 70%이상 억제되고 10^-6 M IAA에 의해서 17%정도 억제되는 것이 관찰되었다. 또한 [^3 H]IAA의 특이적인 결합도 10^-6 M GTP에 의해서 억제되었다. 이외에도 G protein을 계속해서 활성화시키는 cholera toxin을 IAA와 같이 처리하면 IAA의 억제 효과뿐만 아니라 cholera toxin의 촉진 효과도 나타나지 않았다. 이러한 현상은 G protein과 오옥신이 서로 영향을 주어 길이 성장이 촉진되거나 억제되지 않은 결과로 GTP의 결합과 IAA의 결합이 서로 억제된다는 사실이 이에 대한 증거이며, 또한 오옥신에 의해서 GTPase의 활성이 증가하는데 이러한 현상이 GTPγS에 의해서 억제된다는 Zaina 등 (1991)의 보고와 일치한다고 생각된다. 따라서 길이 성장과 굴중성 반응에 G protein이 관여하며 이것은 오옥신의 신호 전달 과정과 연관이 있음을 알 수 있다. 식물에서 오옥신의 신호 전달에 cAMP가 관여하여 오옥신의 기능을 대신할 수 있다는 보고를 기초하여 옥수수 뿌리의 길이 성장과 굴중성 반응에 cAMP가 관여하는 지를 조사하였다. 옥수수 뿌리의 경우 dcAMP에 의해서 IAA에 의해 억제되는 수준과 비슷한 정도로 길이 성장이 억제되었는데 비슷한 수준으로 억제하는 10^-5 M dcAMP와 10^-7 M IAA를 같이 처리하면 길이 성장이 각각 처리한 경우보다 10-15% 정도 더 억제되는 현상이 나타나며 GTP를 dcAMP와 같이 처리하면 GTP에 의한 길이 성장의 촉진 효과는 사라지고 대조구 수준으로 길이 성장이 이루어진다. 그러나 굴중성 반응은 dcAMP에 의해 영향받지 않았다. 따라서 이러한 결과들은 옥수수 뿌리의 길이 성장과 굴중성 반응에 toxin에 의해서 영향을 받는 GTP-binding protein이 한 종류 이상 존재하며, GTP가 관여하는 성장에 대한 신호 전달 과정이 오옥신에 의해 영향을 받는다고 결론지을 수 있다. 또한 길이 성장의 경우 cAMP가 오옥신처럼 길이 성장을 억제하나 굴중성 반응에는 cAMP가 관여하지 않는다.

핵심되는 말 : 옥수수 뿌리, 길이 성장, 굴중성, GTP-binding protein, 오옥신, cholera toxin, dcAMP

; It was investigated that GTP-binding protein, especially heterotrimeric G protein, participated in the elongation and gravitropic response of maize roots, and interacted with auxin. The coleoptile segments and roots were pretreated in 0.1% saponin solution to permeabilize reversibly the plasma membrane and cell wall. The elongation of coleoptile segments were increased by adding 10^-4 M GTP or 1㎍/mL cholera toxin, but other nucleotides including GMP or GDPβS and pertussis toxin were not shown any effect on the elongation. Also, The 10^-6 M GTP and 0.1㎍/mL cholera toxin showed the stimulative effect on the elongation and gravitropic response of roots, but the pertussis toxin inhibited the elongation of roots. These results suggested that heterotrimeric G protein might be involved in the elongation and gravitropic response of roots, and more than one GTP-binding proteins could exist in the root of maize. Auxin was known to show the inhibitory effect on the root elongation. When roots were treated with 10^-6 M GTP and IAA, the elongation and gravitropic response of roots were appeared to be inhibited to the same extent with 10^-6 M IAA alone. Especially, the elongation of roots pretreated GTP to activate the GTP-binding protein in advance was tended to be decreased as soon as IAA added. At the same time, the [^35 S]GTPγS binding on the microsome derived from roots was decreased by 10^-6 M IAA approximately 17%, and the specific [^3 H]IAA binding was inhibited by GTPγS. The co-treatment of 0.1㎍/mL cholera toxin and 10^-6 M IAA was not showed either the stimulative effect by cholera toxin or the inhibitory effect by IAA, that is, the elongation of roots was the same level as the control. It was known that cAMP played a role on the signal transduction of auxin in some plants. So we examined the effect of cAMP on the elongation and gravitropic response of roots. The root elongation by dcAMP was decreased to the same extent shown by IAA, and the co-treatment of 10^-5 M dcAMP and 10^-7 M IAA inhibited the root elongation more than either dcAMP or IAA. In case of treatment with GTP and dcAMP together, the stimulative effect of GTP on root elongation was not shown. So any effect of dcAMP was not shown in gravitropic response. These results indicated that GTP-binding protein participated in the elongation and gravitropic response of roots, and the stimulative effect of GTP-binding protein was affected by auxin. Also the signal transduction of elongation and gravitropic response in maize roots might be different.

Key words: maize root, elongation growth, gravitropic response, GTP-binding protein, auxin, cholera toxin, dcAMP