15N, 13C 동위원소 추적에 의한 목초의 환경스트레스 내성 관련 탄소 및 질소 대사 특이성 규명 및 스트레스 유도 특이 단백질의 특성화

국문 초록 (Abstract)

수분 결핍스트레스의 강도에 따른 1) 반응에 관련된 대사물질로의 동화, 2) 단백질의 합성과 프롤린과 암모니아의 축적간의 생리적 상관성, 3) 광합성 활력 및 탄소 동화 4) 수분 결핍 스트레스에 의해 유도 또는 발현되는 특이 단백질의 생리적 기능을 규명하고자 수분 결핍스트레스 유도 후 15N 추적, 13C 동위체 비율 및 관련 대사 물질을 분석하였다. 수분 결핍 처리에 따라 잎의 수분 상태를 나타내는 잎 수분포텐셜 (Ψw), 삼투포텐셜 (Ψπ) 및 수분 포화상태의 삼투포텐셜 (Ψπ100)의 값이 유의적으로 감소하였다. 이들 파라미터들 크게 감소함에 따른 잎과 뿌리의 건물량은 처리 후 3일 동안 유의적인 영향을 받지 않은 반면, 총 질소, 프롤린과 암모니아와 같은 대사관련 화학물질의 농도는 처리 후 1일 이내에 유의적 (p ≤ 0.05) 으로 증가하였다. 15N-질산태 질소는 수분결핍 스트레스가 진행되면서 Ψw = -1.35 MPa까지 감소됨에 따라 서서히 감소되었다. 뿌리에서 수분 결핍 처리구에서 Ψw에 대한 일관된 경향을 나타내지 않았다. 따라서 질산태 질소의 농도는 수분 스트레스의 진행에 따른 잎으로의 전이 및 아미노산, 단백질로의 동화 정도에 의해 영향을 받음을 보여준다. 15N-아미노산은 Ψw = -1.18 MPa까지 감소되는 처음 3일 동안 Ψw이 감소됨에 따라 높게 증가하다가, 이후 7일차까지 감소하였다. 뿌리의 15N-아미노산은 수분 결핍 처리구의 Ψw이 -0.85MPa까지의 초기 스트레스 기간 동안에만 증가하였다. 15N-단백질은 수분 결핍 스트레스의 강도가 증가함에 따라 잎과 뿌리 조직 공히 다른 질소화합물의 경향보다 뚜렸한 감소를 보였다. 수분 결핍 스트레스에 의한 단백질 합성의 감소와 잎과 뿌리의 프롤린(p ≤ 0.01)의 농도 및 뿌리의 암모니아(p ≤ 0.05) 농도간의 높은 상관성이 인정되었다. 이러한 결과들은 프롤린의 축적은 단백질 합성의 감소에 따른 잉여의 암모니아를 감소시키려는 생리적 의미를 잘 보여준다. 수분 결핍스트레스가 진행됨에 따른 Ψw의 감소는 클로로필 함량의 감소와 유의적인 상관관계 (r = 0.87, p = 0.001)가 인정되었고, Stomatal conductance와 순광합성율 역시 수분 결핍 스트레스 처리후 7일차에 정상적 수분 관리한 작물에 비해 각각 88% 및 90% 감소하였다. 시험 기간 중 수분 결핍 스트레스 처리에 따른 잎과 뿌리 조직에서 δ13C 값의 유의적 차이가 없었다. 따라서 차후 13CO2 pulse-chase 방법에 의한 분석이 요구된다. 수분 결핍 스트레스에 의해 발현된 GPOD (guaiacol peroxidase), APOD (ascorbate peroxidase), Catalase (CAT), SOD (superoxide dismutase) 및 Chitinase의 isozyme을 발견하였으며, 가뭄스트레스에 의해 발현된 VSP (17.2kDa)의 발현을 immunodetection 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study was carried out to investigate the drought-effects on 1) nitrogen assinmilation to relevant N compounds 2) de novo protein synthesis and its physiological relationship with ammonia and proline accumulation 3) photosynthetic capacity and carbon assimilation 4) production of drought-induced proteins. Leaf water parameters, 15N tracing, 13C isotope ratio, enzyme activity, SDS-PAGE and active staining were analyzed for the 7 days of water-deficit or well-watered (control) condition. The kinetics of protein incorporation from the newly absorbed N (de novo protein synthesis) was estimated by 15N tracing in the 18 weeks old white clover plants (Trifolium repens L. cv. Regal) during 7 days of water treatment. Its physiological relationship with proline and ammonia accumulation in response to the change in leaf water parameters was also assessed. Water-deficit treatment gradually reduced all leaf water parameters. Leaf and root dry mass was not significantly affected for the first 3 days when the decreases in leaf water parameters were more important, whereas metabolic parameters such as total N, proline and ammonia were significantly affected within the first day of water-deficit treatment. Water-deficit treatment significantly increased the proline and NH3-NH4+ concentrations in both leaves and roots. A reduction of N amount incorporated into protein fraction from the newly absorbed N (NANP) was remarked in water-deficit stressed plants (particularly in leaf tissue). The NANP reduced by water-deficit treatment was highly related with the increased concentration of proline (p ≤ 0.01) in leaves and roots, and with that of NH3-NH4+ in roots (p ≤ 0.05). These results suggest that proline accumulation might be a sensitive biochemical indicator of plant water status and of the dynamics of de novo protein synthesis in response to stress severity. Net carbon assimilation rate and stomatal conductance responsed much rapidly and sensitively to water-deficit stress compared to the N assimilation. There was no significant difference in δ13C value regardless water-deficit treatment throughout the experimental period. Water-deficit significanty changed the enzyme activity of GPOD (guaiacol peroxidase), APOD (ascorbate peroxidase), Catalase (CAT), SOD (superoxide dismutase). The isozymes of these proteins and chitinase, which were were induced by water-deficit, were also detected. Vegetative storage protein with 17.2kDa induced by water-deficit was immunodetected.