식물은 대부분의 동물과 달리 좀처럼 소리 내거나 움직이지 않는 것처럼 보인다. 어린 아이들은 눈, 코, 입도 없는 식물이 무엇을 먹고 어떻게 숨을 쉬는지 궁금해 하기도 한다. 그런데, 움직임이나 소리가 크지 않을 뿐 식물을 자세히 들여다보면, 살기위해 치열하게 움직이고 환경에 예민하게 반응한다는 사실을 알 수 있다.

식물에게 코는 기공(Stomata)이다. 그리스어로 '입'이라는 뜻인데, 기공이 있어야 식물의 밥인 양분을 만드는 광합성이 가능하다. 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 물이 부족할 때는 닫혀 수분 유출을 막고, 숨을 쉬어야 할 때는 열리는 등 여러 환경의 변화에 민감하게 움직여야 식물이 정상적으로 생장하고 살아갈 수 있다. 기공을 이루는 한 쌍의 마주 붙은 세포를 공변세포라 하는데, 공변세포는 빛, 수분, 이산화탄소, 온도, 흔들림 등 다양한 환경의 변화에 민감하게 반응해 기공을 열고 닫는 역할을 수행한다.

이 과정에서 세포막에 존재하는 칼슘채널은 환경의 변화에 세포가 적절하게 반응할 수 있도록 칼슘 이온의 유입량을 조절해 기공 개폐를 조절하는 것으로 알려져 있다. 공변세포에 존재하는 칼슘채널이 열려 칼슘이온(CA²⁺)이 공변세포 안으로 들어오면 일련의 세포신호 반응을 거쳐 세포 내 삼투압이 떨어지고, 이로 인해 물이 바깥으로 빠져나가, 공변세포의 부피가 줄어 기공이 닫히게 되는 것이다.

그러나 칼슘채널을 이루는 단백질 자체에 대한 기존 연구는 매우 제한적이었고, 단백질을 활성화하는 메커니즘도 밝혀진 바가 적었다. 공변세포 내 칼슘채널 중, 동물세포의 신경전달물질인 글루탐산 수용체 이온 채널과 비슷한 염기서열을 가진 GLR 단백질¹⁾로 이루어진 칼슘채널이 있을 것이라 추정했지만, 식물세포의 이러한 칼슘채널을 발견하고, 그 기능에 대해 증명한 연구는 없었다.

미래창조과학부 산하 기초과학연구원 식물 노화·수명 연구단(단장 남홍길) 곽준명 그룹리더 (DGIST New Biology 교수) 연구진은 애기장대 식물을 이용해 공변세포에 있는 새로운 종류의 칼슘채널인 GLR3.1/GLR3.5 칼슘채널을 발견하고, 특정 아미노산이 이 칼슘채널을 활성화해 세포내로 칼슘이온을 유입시키는 역할을 수행함을 전기․생리학적 방법으로 증명해냈다.

연구진은 애기장대 식물에서 아미노산의 한 종류인 L형 메티오닌(L-Methionine)을 이용해 GLR3.1과 GLR3.5 두 단백질이 형성하는 칼슘채널을 새롭게 발견했다. 연구팀은 GLR3.1/GLR3.5 유전자가 정상인 공변세포와 두 단백질의 해당 유전자를 결여시킨 돌연변이체 공변세포를 만들어 각각 L-메티오닌을 처리했다. 비교 실험 결과, 정상 공변세포에서는 메티오닌의 농도에 따라 칼슘이 이동하면서 생기는 전류가 세포막에 흐르는 것을 확인한 반면, 두 유전자가 결여된 돌연변이체 공변세포에서는 칼슘에 의한 전류가 발생하지 않는 것을 전기생리학적 방법으로 밝혀냈다. 이로써, 새로운 칼슘 채널이 GLR 단백질로 형성되어 있음을 밝히고, L-메티오닌이 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 노랗게 칼슘 결손에 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 세포 내 적절한 칼슘 농도를 유지하는데 중요한 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)' 온라인판에 12월 6일(미국 동부 시간)에 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