녹두(Vigna radiata) 하배축과 애기장대(Arabidopsis thaliana)에서 ethylene 생합성 과정에 미치는 활성 산소종의 역할 연구

Abstract

Auxin은 ethylene 생합성 효소를 활성화 시켜 ethylene 생성을 유도하는 것으로 잘 알려져 있다. 최근 보고에 따르면, 활성 산소종은 auxin 에 의해 발생되며 세포 내 이차 신호전달 물질로 작용해서 auxin 의 생리반응을 유도한다. 본 논문에서는 녹두 (Vigna radiata L.) 하배축과 애기장대 (Arabidopsis thaliana)를 이용하여, auxin 에 의해서 ethylene 생합성이 유도되는 과정과 활성 산소종의 관계를 알아보고 활성 산소종의 역할을 규명하였다. Ethylene 생합성 작용의 저해제(AVG) 처리로 ethylene 이 생성되지 않게 하거나, ethylene 의 전구체(ACC) 를 처리하여 ethylene 이 많이 생성되게 하였을 때 활성 산소종 생성이 변화되지 않는 결과를 통해 auxin 에 의한 ethylene 생성이 활성 산소종에 영향을 미치지 않음을 알았다. 반대로 활성 산소종이 ethylene 형성에 영향을 미칠 수 있다는 가능성을 검토하고자 활성 산소종 중의 하나인 H_(2)O_(2) 를 직접 처리하거나 항 산화제(NAC)를 처리하여 그 효과를 살폈다. H_(2)O_(2) 처리로 ethylene 생성이 증가하고 ethylene 생합성 관련 효소들(ACC synthase, ACC oxidase)이 활성화되었으며, auxin 에 의해 유도되는 것으로 알려진 유전자들, 즉 녹두 하배축에서의 VR-ACS1, VR-ACS7, VR-ACO1, VR-ACO2 와 애기장대의 ATACS4의 transcript 양이 증가되었다. 게다가 항 산화제는 auxin에 의해 증가된 ethylene 양이나 생합성 유전자들의 발현도를 다시 감소시켰다. 이상의 연구를 살펴보면, auxin에 의해서 생성된 활성 산소종이 ethylene 발생을 유도하는 auxin 의 작용을 매개한다는 것을 알 수 있다. 이는 애기장대의 auxin reponse 돌연변이체(GH3-like protein null mutant)와 ethylene response (etr1-3, ein2-1)나 biosynthesis 관련 돌연변이체(eto1-1) 연구를 통해서 다시 확인할 수 있었다. GH3-like protein 의 작용 결함으로 인해 활성 산소종의 양이 야생형보다 2배나 많은 GH3-like protein null mutant 에서, ethylene 생성이 더 활발하였고 ATACS4 유전자의 transcript 양이 증가되어 있음을 확인하였는데 이러한 현상은 NAC 에 의해 감소되었다. etr1-3, ein2-1 돌연변이체들은 ethylene 을 많이 생성하고 있음에도 불구하고 이를 감지하지 못하여 ethylene 생성의 신호전달물질로서 활성 산소종이 증가되어있었으며, 그에 반해 eto1-1 돌연변이체에서는 왕성한 생합성 작용에 의한 과다한 ethylene 에 반응하여 활성 산소종의 양이 저하되어 있음을 알 수 있었다. ;It is well known that auxin induces the ethylene production through the activation of ethylene biosynthetic enzyme, ACC synthase. Recently we reported ROS generation is also increased by auxin treatment in maize roots. As the ROS has been considered as a seconding signaling molecule at low concentration, we investigated whether ROS is involved in the ethylene production in presence of auxin in mungbean hypocotyls and in Arabidopsis. While treatment of ethylene biosynthetic inhibitor, AVG, or ethylene precursor, ACC had little effect on the ROS generation, ethylene production was reduced with the treatment of NAC, ROS scavenger. Furthermore, H_(2)O_(2)-treated mungbean hypocotyls showed higher ethylene accumulation compared with that of untreated samples, resulting from the activation of auxin-inducible biosynthetic gene expressions for ACC synthase (ACS1,ACS7) and ACC oxidase (ACO1,ACO2). Also in Arabidopsis seedling, the transcription of ATACS4 was increased in response to H_(2)O_(2) . These results indicate auxin-induced ROS can act in upstream to promote the ethylene production. To further strengthen, we compared wild type with GH3-like protein null mutant (gh3 mutant) and investigated intracellular ROS generation in ethylene insensitive mutants (etr1-3, ein2-1) and ethylene overproducing mutant (eto1-1). In gh3 mutant, both of ROS level and ethylene production was higher than wild type and ethylene generation was decreased by NAC, through the elevation of auxin-inducible ATACS4 gene expression. In etr1-3 and ein2-1, endogenous ROS level was higher than wild type, though ethylene biosynthesis was more active than wild type. In contrast to, ROS level in eto1-1 mutant was