안쪽으로 굽어지는 자엽초 박편의 옥신 반응을 촉진하는 옥수수(Zea mays) 내생물질의 탐색

박웅준,Park, Woong-June 한국생명과학회 2006 생명과학회지 Vol.16 No.5

옥수수(Zea mays) 자엽초 박편을 분리하여 완충용액에 띄워 배양하면 조직 내부와 외부 사이의 장력 차이에 의하여 밖으로 굽어진다. 그러나 외부에서 옥신을 처리하면 안으로 굽어지는 반응이 나타나는데, 그 반응 정도는 옥신 농도에 따라 변화하였다. 본 연구에서는 옥신에 의하여 자엽초 박편이 안으로 굽어지는 현상을 옥신과 함께 작용하는 물질들을 선별하기 위한 실험에 이용하였다. 옥수수 자엽초의 메탄올 추출물로부터, 옥신에 의해 안으로 굽어지는 자엽초 박편의 반응을 촉진하는 활성을 발견하였다. 이러한 촉진 활성은 에너지원과 관련된 현상은 아니었다. 활성물질은 pH 10과 같은 높은 pH에서도 $C_{18}$ 컬럼에 흡착되어 메탄올로 용리되었으며, 50% 메탄올과 80% 메탄올에 의하여 용리되는 두 가지 물질을 발견하고 각각 Curvature-Enhancing Factor-1 (CEF-1)과 Curvature-Enhancing Factor-2 (CEF-2)라 명명하였다. 그중 CEF-2의 HPLC를 이용한 분리 조건이 확립되었다. When thin slits (e.g., $1mm{\times}10mm$) of maize (Zea mays) coleoptiles were floated on a buffer, they spontaneously curved outward because of unbalanced tissue tension between inner and outer faces. Exogenously applied auxin induced inward curvature of the thin strip of the maize coleoptile in a dose-dependent manner. This bioassay system was used to screen endogenous substances that work together with auxin. In methanol extract of maize coleoptiles including the leaves inside, Active fractions that promote the auxin-induced inward curvature of maize coleoptile slices were found. The curvature-enhancing activity of the extract was not related to energy supply. The active substances were adsorbed to $C_{18}$ cartridges even at pH 10 and eluted in two fractions by 50% and 80% methanol. These substances were named as Curvature-Enhancing Factor-1 (CEF-1) and Curvature-Enhancing Factor-2 (CEF-2), respectively. The CEF-2 was resolved on a reversed phase $C_{18}$ column by HPLC.

옥수수(Zea mays) 뿌리의 초기 생장에 미치는 CsCl의 영향

Woong June Park(박웅준) 한국생명과학회 2010 생명과학회지 Vol.20 No.2

본 연구에서는 발아 후 2일된 옥수수 유식물의 뿌리 생장에 미치는 영향을 조사하였다. 5 mM에서 30 mM에 이르는 CsCl을 처리하였을 때 옥수수 뿌리와 자엽초 마디 위쪽 shoot의 생중량이 감소하였다. 뿌리의 길이 생장도 역시 동일한 농도 범위의 CsCl에 의하여 감소하였는데 CsCl을 처리할 때 60 mM의 KCl을 함께 처리하면 CsCl에 의하여 감소되었던 신장 생장이 일부 회복되었다. CsCl과 KCl의 관계를 Lineweaver-Burk plot으로 분석한 결과 10 mM - 30 mM CsCl은 KCl과 경쟁 관계에 있는 것으로 나타났지만 5 mM CsCl은 경쟁관계에서 벗어나는 것으로 나타나 주변의 CsCl 농도에 따라 KCl의 작용 모드가 다른 또 하나의 메커니즘이 존재하는 것으로 사료되었다. CsCl의 농도에 따라서 KCl과의 상호작용 모드가 달라지는 현상은 CsCl에 의하여 유도되는 옥수수 뿌리 정단 하부의 횡축 팽창에서도 관찰되었다. 또한, CsCl은 10 mM 이상에서 농도 증가에 비례하여 K<SUP>+</SUP> transporter인 ZmKUP1의 발현을 유도하였지만 5 mM CsCl의 ZmKUP1 발현 효과는 뚜렷하게 관찰되지 않았다. 한편, CsCl 존재 하에서도 근단 분열 조직의 수축은 관찰되지 않았다. 종합하면, 외부에서 처리된 CsCl은 2일된 옥수수 유식물의 뿌리의 생중량과 신장을 감소시켰으며 정단 하부의 횡축 팽창을 유도하고 ZmKUP1의 발현을 촉진하였다. 그러나 근단 분열조직의 수축은 없었으므로 CsCl의 효과는 주로 세포 팽창과 관련되는 것으로 판단되며 Cs<SUP>+</SUP>와 K<SUP>+</SUP>의 경쟁 및 비경쟁적 상호작용을 모두 포함하는 복합적인 메커니즘이 존재하는 것으로 사료된다. In this work, the effects of Cs<SUP>+</SUP> on root growth of 2-day-old maize seedlings were scrutinized. CsCl (5 mM - 30 mM) decreased the fresh weight of the primary root and of the shoot above the coleoptilar node. The elongation growth of the primary root was also inhibited by CsCl. The CsCl-inhibited growth was partially restored by 60 mM KCl. Lineweaver-Burk plot of the reaction in the presence and absence of 60 mM KCl displayed competitive interaction of CsCl (at higher than 10 mM). However, the Reversal of the inhibition by 60 mM KCl did not follow the competitive relationship with 5 mM CsCl, indicating the presence of differential mechanisms of K<SUP>+</SUP> influence depending on the concentration of CsCl. The differential effects of CsCl dependent on the concentrations were also observed in the CsCl-evoked radial expansion of the subapical region of the root. In spite of the decrease in length of the root, shrinkage of the root apical meristem was not observed. CsCl above 10 mM induced the expression of ZmKUP1, indicating functional deficiency of K<SUP>+</SUP> due to competition with Cs. However, the expression of ZmKUP1 by 5 mM CsCl was unclear. Conclusively, exogenously applied Cs<SUP>+</SUP> decreased root elongation and fresh weight and caused radial expansion of the subapical region of the primary root in 2-day-old maize seedlings by complex mechanisms including competitive and noncompetitive interactions with K<SUP>+</SUP>. Because the shrinkage of the root apical meristem was not observed, it is concluded that the effects of CsCl on maize root growth was mainly related to cell expansion.

옥수수 (Zea mays) 뿌리에서 에탄올에 의한 알데히드 산화효소의 활성 증가

오영주,박웅준,Oh, Young-Joo,Park, Woong-June 한국생명과학회 2007 생명과학회지 Vol.17 No.8

옥수수의 원뿌리(primary root)를 재료로 외부에서 처리한 에탄올이 알데히드 산화효소의 활성을 변화시키는 현상을 관찰하였다. 에탄올의 촉진 효과는 처리된 에탄올의 농도에 따라 다르게 나타나 알데히드 산화효소는 0.2-0.4% 에탄올 처리 구간에서 대조구에 비하여 낮은 활성을 나타내었으며 0.8-1.0% 에탄올 처리 구간에서는 대조구에 비하여 높은 활성을 나타내었다. 에탄올에 의하여 알데히드 산화효소의 활성이 증가하는 조건에서도 두 개의 알데히드 산화효소 유전자 AO1과 AO2 의 전사 수준에는 변화가 없었다. 그러나 에탄올 처리는 알데히드 산화효소의 단백질 함량을 현저히 증가시켰으며, 이는 에탄올이 알데히드 산화효소 활성을 증가시키는 조절작용이 번역(translation) 단계에서 이루어진다는 사실을 보여주었다. 에탄올, 메탄올 그리고 이소프로판올을 처리한 실험 결과 에탄올에 의해서만 알데히드 산화효소의 활성 증가가 유도되었다. 에탄올은 식물체의 뿌리가 저산소 조건에서 에너지 확보를 위하여 발효를 진행하는 경우 자연적으로 식물체내 농도가 증가하는 물질이다. 따라서 에탄올 처리시에 알데히드 산화효소의 활성이 증가하는 현상은 알코올에 대한 일반적인 반응이 아니라 식물체의 뿌리가 생리적으로 경험할 수 있는 에탄올에 대하여 특이적으로 나타내는 반응이라는 결론을 얻었다. We observed that exogenously applied ethanol changed the activities of aldehyde oxidases (AO) in the primary roots of maize (Zea mays). The stimulatory effect of ethanol on the aldehyde oxidase activities was concentration dependent; the AO activities were slightly weaker with 0.2 - 0.4% ethanol and stronger with 0.8 - 1.0% ethanol than the level of control. The promotion of AO activities was not explained by the increased transcription of two AO genes in maize. In contrast, ethanol strongly increased the amount of AO proteins, indicating that ethanol enhanced AO activities by promoting the translation. Among three alcohols including ethanol, methanol and isopropanol, only ethanol promoted AO activities. These results suggested that enhancement of AO activities was specific to ethanol, whose level could be naturally increased when the plant roots drove fermentation to overcome low oxygen stresses.

옥수수 (Zea mays) 뿌리의 알데히드 산화효소와 생장에 미치는 텅스텐산 나트륨의 영향

오영주,조영준,박웅준,Oh, Young-Joo,Cho, Young-Jun,Park, Woong-June 한국생명과학회 2007 생명과학회지 Vol.17 No.7

몰리브덴 보조인자 형성을 방해하는 텅스텐산 나트륨이 옥수수 뿌리에서 알데히드 산화효소의 활성과 생장에 미치는 영향을 조사하였다. 다른 식물에서 보고된 바와 같이 옥수수 뿌리에서도 텅스텐산 나트륨은 그 농도가 증가됨에 따라 알데히드 산화효소의 활성을 억제하였는데, 억제 활성은 식물체에 직접 처리한 경우에만 나타나고 추출된 효소에 처리하였을 때에는 효과가 없었다. 텅스텐산은 알데히드 산화효소의 활성화를 억제하는 물질임에도 불구하고, Western분석에 의하면 알데히드 산화효소 단백질의 함량을 감소시키는 것으로 나타나 반응산물이 효소함량을 증가시키는 양성 되먹임 조절관계를 나타내었다. 텅스텐산 나트륨은 효소활성을 억제하는 농도에서 옥수수 원뿌리의 생장과 곁뿌리발생을 억제하였지만 굴중성 반응에는 영향이 없었다. 전자의 두 반응은 옥신 절대함량에 의존하고 후자는 상대량에 의존하므로 텅스텐산 나트륨에 의한 옥신 함량 변화로 관찰된 결과들의 설명이 가능할 것으로 사료되었다. 그러나 뿌리의free IAA의 함량 변화는 검출되지 않았다. 옥신 함량 조절에는 강력한 항상성 기작이 관여하므로 IAA conjugate분해와 nitrilase에 의한 생합성 증가 등 결과 설명에 적용 가능한 내용들을 논의하였다. We tested the effect of sodium tungstate, which disturbs the molybdenum cofactor formation, on the activities of aldehyde oxidase(AO) and the growth of maize(Zea mays) primary roots. As reported in other plants, sodium tungstate inhibited AO also in the maize root concentration-dependently. The inhibitory effect of sodium tungstate was observed only when the inhibitor was applied to the living plants. Application of tungstate to the extracted protein did not show any effect. Western analysis revealed slightly decreased level of AO protein in the presence of tungstate, indicating a positive feedback of gene regulation by the product. We also tested the effects of tungstate on the root growth. The elongation of primary root and the development of lateral roots, which are sensitive to the absolute level of auxin, were decreased in the presence of sodium tungstate. However, the gravitropic curvature of the primary root, which is dependent on the relative amount of auxin at both sides, was unaffected. These data suggested the decrease of auxin biosynthesis by the application of tungstate. However, the level of free IAA was unaffected by tungstate application. We discuss the possible explanations for the observed results.

침수에 의한 식물의 생장 촉진과 호르몬들의 작용 네트워크

조영준,이영나,박웅준,Cho Young Jun,Lee Young Na,Park Woong June 한국생명과학회 2005 생명과학회지 Vol.15 No.1

하천변에 사는 식물들은 침수 저항성을 갖추고 있는데 그중 Ranunculus속이나 Rumex속에 속하는 일부 반수생 식물들에서 볼 수 있는 것처럼, 엽병이 급격한 생장을 일으켜 잎이 수표면에 이르게 함으로써 호흡할 수 있는 조건을 확보하는 현상은 식물체내에 축적된 에틸렌에 의하여 매개되는 현상이다. 침수 조건에서는 식물 조직 내에 에틸렌이 축적되며, 축적된 에틸렌은 옥신 등 다른 식물호르몬에 대한 조직의 감수성을 증가시켜 생장을 촉진한다. 증가된 생장으로 잎이 수표면에 이르게 되면 다시 공기를 접촉하여 호흡할 수 있게 되고, 식물체내에 축적되었던 에틸렌은 대기 중으로 확산하여 나가게 되므로 체내 에틸렌 농도가 감소하여 생장률이 침수 이전 수준으로 되돌아간다. 에틸렌에 의한 옥신의 감수성 증가는 선량 반응 곡선에 비추어 수용체의 친화도 증가가 수반되는 것으로 생각되는데, 아직 옥신 수용체가 밝혀지지 않아 분자생물학적 기작은 연구되어야 할 과제로 남아있다. 최근 옥신 수용체 발견의 가능성이 높아지고 있으며, 따라서 에틸렌에 의한 옥신 수용체의 옥신에 대한 감수성 조절기작을 탐구할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다. Plants living riverside show diverse resistance responses to submergence. The promoted petiole elongation of semi-aquaitc plants, e.g., such as Ranunculus sceleratus and Rumex palustris, is one of the adaptive responses mediated by the plant hormone ethylene. The gaseous hormone is trapped in submerged plant tissues and enhances the petiole growth by increasing sensitivity of the tissues to some plant hormones including auxin. Due to the stimulated growth of petioles, the leaves finally reach the water surface and can respirate again. At the water surface, the accumulated ethylene diffuses out from the tissues to the air. As a result, the increased hormone sensitivity decreases again, and thus the growth rate reduces to the basal level as before. The increased auxin sensitivities by ethylene observed in Ranunculus sceleratus, revealed by the changes in the auxin dose-response curves, indicate the increase of affinities of the receptors to auxin. However, the molecular mechanism of the affinity regulation remains still largely unknown, because the identity of the auxin receptor is still unclear.

제비꽃속(Viola) 식물에서 tryptophan과 tryptamine 공급이 멜라토닌 생성에 미치는 영향

Yeojae Kim(김여재),Young Ha Yoon(윤영하),Woong June Park(박웅준) 한국생명과학회 2011 생명과학회지 Vol.21 No.2

동물호르몬으로 알려진 멜라토닌(melatonin)은 동물뿐 아니라 고등 식물을 포함한 다양한 생명체에 존재한다. 식물에서는 쌍떡잎 식물과 외떡잎 식물에 멜라토닌이 널리 존재하며 일부 약용 식물에는 다량으로 함유되어 있지만 아직 그 생합성 과정과 생리학적 기능은 확립되지 않았다. 본 연구에서는 reverse phase HPLC 분석을 통하여 이제까지 분석이 이루어지지 않았던 여러 제비꽃속(Viola) 식물들에 멜라토닌이 고르게 분포한다는 사실을 확인하였다. 그 다음 제비꽃속 식물들의 잎 절편을 배양하며 멜라토닌의 최초 전구체로 제안된 tryptophan (Trp)과이의 탈카르복시화(decarboxylation) 중간산물인 tryptamine (TAM)을 공급하였다. 그 결과 Trp을 공급하면 멜라토닌 생성에 영향을 미치지 않았지만 TAM을 공급한 경우에는 멜라토닌의 함량이 증가하였다. TAM은 Trp에서 유래하므로 Trp ? TAM 경로가 제비꽃속 식물에도 존재하는 것으로 판단되며, Trp 공급이 멜라토닌 함량에 영향을 미치지 않는 결과는 Trp을 TAM으로 전환하는 탈카르복시화 과정이 식물 멜라토닌 생합성 과정의 속도결정단계일 것이라는 가설을 지지하는 것으로 사료된다. Melatonin has been known as an animal hormone. However, melatonin exists in diverse organisms including higher plants. The biosynthesis and physiological roles for melatonin in plants is still largely unknown, although both dicot and monocot plants have melatonin and some medicinal plants even contain large amounts of melatonin. In this study we detected melatonin in diverse Viola plants, in which melatonin had not been examined so far, by reverse phase HPLC analysis, demonstrating the wide existence of melatonin in the genus of Viola. We then fed tryptophan (Trp) and tryptamine (TAM) to the incubation medium for Viola leaf sections to test their effects on melatonin formation. Trp is also the hypothesized starting material of melatonin in plants, and TAM is the following intermediate produced by the decarboxylation of Trp. Trp feeding did not affect the contents of melatonin. In contrast, TAM feeding clearly increased the level of melatonin in Viola leaves. Because TAM is derived from Trp, we concluded that the Trp?TAM pathway exists in Viola plants as well. Ineffectiveness of Trp feeding to the change of melatonin contents supports the hypothesis that the decarboxylation step from Trp to TAM is the rate-limiting step in plant melatonin biosynthesis.

옥수수(Zea mays) 원뿌리의 통기조직 발달에 미치는 에틸렌 전구체, 옥신, 메틸자스몬산의 효과

호종윤(Jongyoon Ho),맹소현(Sohyun Maeng),박웅준(Woong June Park) 한국생명과학회 2015 생명과학회지 Vol.25 No.1

옥수수(Zea mays) 원뿌리에서 에틸렌 전구체인 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC), indole-3-acetic acid (IAA) 그리고 methyl jasmonate (MeJA)가 통기조직의 발달에 미치는 영향을 조사하였다. 식물호르몬 처리는 원뿌리의 종단 구성에 영향을 미치므로 control과 호르몬 처리된 뿌리의 비교 가능한 위치를 정할 필요가 있었다. 이를 위하여 원뿌리의 정단을 PR0, 기부를 PR100이라 정의하고 이 두 지점 사이를 길이에 비례하여 PR25, PR50, PR75로 구분하였다. 대조군 뿌리의 PR25와 PR50 부분에서는 통기조직이 관찰되지 않았으며 PR75 부분에서는 드물게 통기조직이 나타나기도 하였다. PR75 부위의 통기조직 면적은 ACC 또는 IAA가 존재할 때 증가하였다. 반면, MeJA는 옥수수 원뿌리가 침수되지 않았을 때와 침수되었을 때 서로 다른 차등 효과를 나타내었다. 뿌리가 침수되지 않았을 때 MeJA는 통기조직의 발달을 억제하였다. 반면, 뿌리를 침수 시키면 통기조직의 면적이 증가하는데 그 면적은 MeJA에 의하여 더욱 증가되었다. 한편, 곁뿌리 원기는 그 주변 피층세포의 통기조직 발달에 수반되는 세포사멸을 억제하는 것으로 알려져 있었다. 곁뿌리 원기에 의해 억제되는 통기조직의 발달은 위에 기술한 바와 같이 통기조직의 발달을 촉진하는 세 가지 호르몬들에 의해서도 회복되지 않았다. 이는 발달하는 곁뿌리 원기가 억제하는 통기조직 발달 조절의 세부 단계는 식물호르몬들이 작용한 이후 단계일 가능성을 보여주는 것이다. We have investigated the effects of the ethylene precursor 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC), indole-3-acetic acid (IAA) and methyl jasmonate (MeJA) on the development of aerenchyma in the primary root of maize (Zea mays). Because plant hormones affected the longitudinal organization of the primary root, we need an indicator to direct the positions for comparison between control and hormone-treated roots. Therefore, the zones of the maize primary root were categorized as PR25, PR50 and PR75, where each value indicates the relative position between the root tip (PR0) and the base (PR100). Aerenchyma was not observed at PR25 and PR50 and rarely found at PR75 in the cortex of control roots. The aerenchymal area at PR75 increased in the presence of the ethylene precursor ACC or a natural auxin IAA. On the other hand, MeJA differentially acted on non-submerged and submerged roots. Exogenously applied MeJA suppressed the aerenchyma formation in non-submerged roots. When the primary root was submerged, aerenchymal area expanded prominently. The submergence-induced aerenchyma formation was amplified with MeJA. Lateral root primordia have been known to inhibit aerenchymal death of surrounding cells. All the three hormones stimulating aerenchyma formation as described above did not restore the inhibition caused by lateral root primordia, suggesting that the inhibitory step regulated by lateral root primordia can be located after hormonal signaling steps.

염분 스트레스에 노출된 옥수수(Zea mays) 뿌리의 굴중성 반응

한두열(Duyeol Han),이영나(Young Na Lee),김여재(Yeo Jae Kim),박웅준(Woong June Park) 한국생명과학회 2008 생명과학회지 Vol.18 No.8

염분 스트레스에 노출된 옥수수(Zea mays) 유식물의 원뿌리는 길이생장이 억제되는데, 본 연구에서는 위와 같은 조건에서 뿌리의 굴중성 반응을 조사하였다. 고농도의 NaCl과 KCl에 의해 스트레스를 받은 옥수수 원뿌리는 수평 상태에서 중력 자극을 받기 시작한 지 2시간 이후부터 대조구에 비하여 현저한 굴중성 반응을 나타내었다. 이러한 굴중성 촉진 현상은 Na?가 아니라 K?에 의한 것이었으며, Cl?도 굴중성반응 촉진에 기여하였다. 이로부터 이들 K?와 Cl? 이온들이 세포 팽창에 필요한 삼투 조절자로 기능한다는 결론을 얻었다. 또한 염분 스트레스에 의하여 뿌리의 길이 생장이 억제되더라도 중력장 내에서의 위치 결정은 억제되지 않고 오히려 촉진된다는 점도 확인하였다. We investigated gravitropic responses in the primary root of maize (Zea mays) seedlings which were exposed to salt stress. The maize roots salt-stressed with higher than 100 mM NaCl or KCl started to reveal enhanced gravitropic curvature after 2 hours form the gravi-stimulation. Such a promotion was not caused by sodium phosphate, but invoked by potassium phosphate, indicating the active component is K?. Because NaCl increased gravitropic curvature, despite that Na? did not played any role, we evaluated the role for Cl? by comparing the effects of MgCl₂ and MgSO₄. The enhancement of the curvature only with MgCl₂ revealed that Cl? played a role in the gravi-response, indicating the involvement of anion channels. These results suggest that both of K? and Cl? play roles in the regulation of osmosis that is required for cell expansion in gravitropism as well as in nyctinasty and stomatal opening.