세포 간 유전자 모듈 교환으로 진화한 작물

New York University 연구원이 주도한 새로운 연구에 따르면 옥수수, 수수 및 기장의 개별 세포를 비교하면 이러한 중요한 곡물 간의 진화적 차이가 드러납니다.

에 발표된 연구 결과 자연연구자들은 어떤 유전자가 가뭄 내성과 같은 중요한 농업 특성을 제어하는지 정확히 찾아내어 과학자들이 변화하는 기후에 직면한 작물을 건조한 환경에 적응시키는 데 도움이 될 것입니다.

옥수수, 수수, 기장은 전 세계의 인간과 동물에게 식량을 제공합니다. 옥수수와 수수는 약 1,200만 년 전에 서로 다른 두 종으로 진화한 고대의 친척이며 기장은 더 먼 친척입니다.

공통 조상에도 불구하고 작물은 주요 특성에 상당한 차이가 있습니다. 예를 들어 수수는 옥수수보다 가뭄에 훨씬 더 잘 견디며 식물은 주변 토양과 상호 작용하는 방식을 형성하기 위해 뿌리에서 독특한 끈적 끈적한 물질을 방출합니다. 이러한 차이는 수수에서 분리된 후 전체 게놈 복제를 겪는 옥수수로 거슬러 올라갈 수 있습니다.

“이러한 작물의 중요성, 진화적 근접성 및 기능적 차이는 세포 수준에서 유전자 발현 패턴을 비교할 수 있는 흥미로운 기회를 제공합니다.”라고 말했습니다.

NYU 생물학과의 박사 후 연구원이자 이 연구의 첫 번째 저자인 Bruno Guillotin. “이 세 작물은 비슷하지만 어떻게 가뭄에 대한 내성과 같이 서로 다른 특성을 가지고 있기 때문에 서로 다르다는 것이 중요합니다.”

연구자들은 옥수수, 수수, 조의 뿌리에 대한 단일 세포 mRNA 프로파일링을 수행하여 뿌리를 해부하여 세포를 개별적으로 살펴보고 특정 세포에서 유전자가 발현되는 위치를 정확하게 관찰했습니다. 그런 다음 그들은 세 가지 작물에 걸쳐 동일한 특화된 세포를 비교했습니다.

“뿌리는 가뭄과 열에 대한 첫 번째 방어선입니다. 뿌리는 많은 작동 부품(이 경우 세포 유형)이 있는 기계로 생각할 수 있으므로 기계가 물을 모으고 가뭄에 대처하는 방법을 알고 있습니다. 그리고 열은 정말 중요합니다. “다른 종을 비교하면 어떤 유전자가 주요 농업 특성으로 이어지는지 알아낼 수 있습니다.”

세포가 다른 종에서 어떻게 진화하고 갈라졌는지 조사하면서 연구자들은 시간이 지남에 따라 세포의 “손상” 또는 기존 요소의 재배열을 가리키는 몇 가지 경향을 확인했습니다. 첫째, 그들은 세포가 종종 진화를 통해 세포 유형 간에 유전자 발현 모듈 또는 조정된 기능을 가진 10개 또는 50개의 유전자 그룹을 교환한다는 것을 관찰했습니다.

Birnbaum은 “이 유전자 모듈 교환은 동물 시스템에서 나타났지만 우리가 생성한 데이터는 식물에서 대규모 수준으로 설명된 것은 처음입니다.”라고 덧붙였습니다.

이러한 모듈 교환은 뿌리 점액(뿌리가 토양으로 방출하는 영양분으로 채워진 끈적끈적한 물질)에 대한 발견에서 입증되었습니다. 점액은 뿌리가 통과할 수 있고 식물을 보호하거나 얻기 힘든 영양분을 제공하는 유익한 박테리아를 끌어들일 수 있도록 토양을 윤활하는 데 유용합니다.

연구원들은 뿌리 점액 생성을 돕는 유전자가 옥수수, 수수, 수수 뿌리의 다른 부분에 위치한다는 것을 발견했습니다. 수수에서 점액 유전자는 뿌리의 외부 조직에서 발견된 반면 옥수수에서는 뿌리 뚜껑에 있는 새로운 세포 유형으로 교체되었습니다. 이는 옥수수가 식물이 질소를 얻는 데 도움이 되는 박테리아를 유인할 수 있는 진화적 변화입니다. 그들은 또한 작물에 따라 다른 세포 유형에서 전환되는 다른 유전자 조절자를 확인하여 연구자에게 특정 특성을 전달하는 유전자를 테스트하기 위한 주요 후보를 제공했습니다.

또한 연구원들은 1,200만 년 전 수수에서 분리된 옥수수의 전체 게놈 복제가 특정 유형의 세포에 영향을 미쳐 옥수수 세포가 빠르게 전문화될 수 있음을 발견했습니다. 그들은 또한 특정 종류의 세포가 새로운 유전자의 기증자 역할을 하는 반면 다른 세포는 새로운 유전자 복제를 수집하는 것처럼 보이는 것을 관찰했는데, 이는 유전자 복제가 특정 세포의 진화를 가속화했음을 시사할 수 있습니다.

단일 세포 시퀀싱 기술의 최근 발전으로 이 연구가 가능해졌으며 작물의 유전자와 세포 특성 사이의 연결을 탐구하는 새로운 방법이 열렸습니다.

Birnbaum은 “10년 전에는 초기 단일 세포 시퀀싱 기술을 사용하여 12개 또는 수십 개의 세포만 분석할 수 있었습니다. 이제 우리는 꽤 일상적인 실험에서 수만 개의 세포를 프로파일링할 수 있습니다.”라고 말했습니다.

향후 연구에서는 이 세 가지 작물의 단일 세포가 가뭄과 같은 스트레스에 어떻게 반응하는지 비교할 것입니다.

Birnbaum은 “가뭄 내성에 정말 중요한 유전자 세트를 찾는 데 열쇠가 될 수 있는 반응이 바로 그 반응”이라고 말했습니다.

추가 연구 저자로는 NYU의 Ramin Rahni, Carlos Ortiz Ramírez 및 Sunil Kenchanmane Raju가 있습니다. NYU Abu Dhabi의 Mohammed Ateequr Mohammed; Cold Spring Harbor Laboratory의 Michael Passalacqua, Xiaosa Xu 및 David Jackson; University of California, Riverside의 Simon C. Groen; 그리고 토론토 대학교의 Jesse Gillis. 이 작업은 국립 과학 재단(IOS-1934388), 국립 보건원(R35GM136362) 및 과학의 인간 프론티어(LT000972/2018-L)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/05/230510120518.htm