식물은 잎 표면에 미세한 구멍인 기공을 평방센티미터(1㎠)당 수 만개씩 갖고 있다. 식물은 기공을 통해 광합성에 필요한 이산화탄소를 식물 체내로 받아들이고, 광합성 부산물인 산소와 물을 대기 중으로 내보낸다. 기공은 식물이 숨을 쉬는 '코'인 셈이다.

기공의 움직임을 조절하는 세포 메커니즘은 식물의 생존과 생장에 필수적인데, 특히 칼슘이 중요한 작용 인자로 알려져 있다. 세포 내 칼슘이온은 동식물 세포 모두에서 보편적으로 사용되는 신호전달 물질로, 공변세포(한 쌍이 마주 붙어 기공을 이루는 세포) 내 칼슘이온(Ca²⁺) 농도는 특히 기공을 닫는데 관여해, 식물의 수분 유출을 막는다. 그러나 공변세포 내 칼슘이온의 통로인 칼슘채널에 대해서는 아직까지 연구를 통해 규명된 사실이 많지 않은 상황이다.

미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 식물 노화‧수명 연구단(단장 남홍길) 곽준명 그룹리더(DGIST 뉴바이올로지 교수) 연구진은 모델식물인 애기장대를 이용해 공변세포에서 그동안 알려지지 않았던 'GLR3.1/GLR3.5¹⁾ 칼슘채널'을 처음 발견하고, 특정 아미노산이 이 칼슘채널을 활성화해 세포내로 칼슘이온을 유입시키는 역할을 수행함을 전기․생리학적 방법으로 입증했다.

공변세포는 빛‧수분‧이산화탄소‧온도‧흔들림 등 다양한 환경조건에 반응해 기공을 열고 닫는 역할을 수행한다. 공변세포 세포막에 존재하는 칼슘채널이 열려 칼슘이온(Ca²⁺)이 공변세포 안으로 들어오면 일련의 세포신호 반응을 거쳐 세포 내 삼투압이 떨어지고, 이로 인해 공변세포 속 수분이 밖으로 빠져나가 부피가 줄어 기공이 닫히는 원리다.

연구진은 GLR 단백질로 이루어져있을 것이라 추정됐던 새로운 칼슘채널의 존재를 확인하기 위해 20가지 종류의 아미노산을 애기장대 잎에 모두 처리했다. 그 결과, L형 메티오닌(L-Methionine) 아미노산이 GLR3.1과 GLR3.5 단백질로 이루어진 칼슘채널과 반응함을 확인했다. GLR3.1/GLR3.5 유전자가 정상인 공변세포와 두 단백질의 해당 유전자를 결여시킨 돌연변이체 공변세포를 만들어 각각 L-메티오닌을 처리하고 관찰한 결과, 정상 공변세포에서는 칼슘이 이동하면서 생기는 전류가 세포막에 흐르는 것을 확인한 반면, 두 유전자가 결여된 돌연변이체 공변세포에서는 칼슘의 이동에 따른 전류가 검출되지 않음을 밝혔다. 이로써, L-메티오닌이 GLR단백질로 이루어진 칼슘채널을 열리게 하여 세포 내로 칼슘이온을 유입하게 함을 증명한 것이다.

또한, 연구진은 이 유전자들이 결여된 애기장대 식물에서 과일이나 채소에서 칼슘이 부족하여 생기는 배꼽썩음병²⁾ 증상과 유사하게, 꽃대의 말단에 칼슘 부족에 의한 세포괴사가 일어난 것을 관찰했다. 즉, GLR3.1/GLR3.5 칼슘채널은 기공개폐를 조절할 뿐만 아니라 세포분열이 왕성한 조직에 칼슘을 제공하는 기능을 함으로써 식물의 성장과 발달에 필수적이라고 할 수 있다.

이번 연구는 GLR3.1/GLR3.5 단백질 칼슘채널이 식물세포 내 적절한 칼슘 농도조절에 핵심적인 역할을 하며, 기공개폐를 조절하고, 식물의 성장과 발달에도 상당한 영향을 미치는 것을 확인했다는 데 의의가 있다.

이번 연구결과는 셀 (Cell) 자매지인 '셀 리포츠 (Cell Reports, IF 7.870)' 에 12월 6일(미국 동부 시간) 게재됐다.

▲ LR3.1/GLR3.5 유전자가 세포 내 칼슘 및 식물발달에 미치는 영향

▲ GLR3.1/GLR3.5 칼슘채널이 세포 내 칼슘 및 식물발달에 미치는 영향