생명연, ‘Orange 신규 단백질’ 이용한 황금고구마 개발
- 카로티노이드 고축적과 환경스트레스 내성에 관여하는 단백질 기능 규명
- 향후 기후변화∙고령화에 대응하는 고부가가치 산업식물 개발활용에 기대
□ 국내 연구진이 선행 연구를 통해 개발한 카로티노이드 축적을 유도하는 고구마 Orange(Or) 단백질보다, 그 기능이 월등히 향상된 신규 단백질(IbOr-R96H)을 개발하고 원리를 규명하였다. 향후 기후변화와 고령화에 대응하는 카로티노이드 고축적 산업식물에 활용이 기대된다.
□ 한국생명공학연구원(이하 생명硏, 원장 김장성) 식물시스템공학연구센터 김호수․곽상수 박사 연구팀(교신저자: 김호수/곽상수 박사, 제1저자: 김소은 UST 박사과정)과 경상대 약학대학 안미정 교수팀(공동저자)이 공동으로 수행한 이번 연구는 생명硏 주요사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업으로 수행되었고, 저명 학술지 Antioxidants (IF 5.014) 1월 5일자 온라인 판에 게재되었다.
(논문명: Overexpression of the Golden SNP-Carrying Orange Gene Enhances Carotenoid Accumulation and Heat Stress Tolerance in Sweetpotato Plants)
□ 이번 연구 성과는 생명硏 김호수․곽상수 박사팀이 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스 내성에 관여하는 Orange 신규 단백질(IbOr-R96H)이 기존의 단백질(IbOr)과 비교하여 카로티노이드 축적과 고온에 대한 내성 기능이 월등히 향상되는 것을 고구마 식물체에서 처음으로 밝힌 것이다.
□ 연구팀은 선행연구에서 고구마 Orange 단백질(IbOr)이 스트레스 조건에서 단백질의 변성을 막아주는 활성이 강하며 스트레스 조건에서 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스에 내성을 갖는 것을 확인하여 논문을 발표 한 바 있다 (Scientific Reports 2016, Frontiers in Plant Science 2017). 연구팀은 고구마 IbOr 유전자를 고구마, 감자, 알팔파(콩과 사료작물)에 도입하여 카로티노이드를 많이 생산하고 건조, 고염분 등 스트레스에도 강함을 확인하였다.
□ 또한 연구팀은 실험을 통해 IbOr-R96H 신규 단백질을 과발현한 고구마 배양세포에서, 카로티노이드 고축적이 유도되고 스트레스에 내성을 갖는 것이 확인되었다 (Plant Cell Reports 2019).
□ 이번 연구에서 고구마 괴근에서 Orange 단백질(IbOr)은 전체 카로티노이드 함량을 3배 증가를 유도한 반면 신규 개발 단백질(IbOr-R96H)은 19배 이상의 카로티노이드 고축적을 유도함을 알 수 있었다. 특히 베타카로틴 함량은 IbOr-R96H 신규 단백질이 186배 이상이 고축적 됨을 확인하였다. 이러한 카로티노이드 고축적은 하얀색 고구마 괴근 색깔을 주황색 고구마 괴근으로 변화시키는 결과를 얻을 수 있었다.
※ 이번 연구는 중국 내몽고 사막화지역에 잘 자라는 흰색계 품종(Xushu 29)에 IbOr-R96H 신규 단백질을 도입한 것으로 향후 고위도 척박한 토양에 고구마 재배에 도움이 될 것으로 기대된다.
□ 생명연 김호수 박사는 “이번에 특성이 규명된 IbOr-R96H 단백질은 모든 식물에 적용 가능하며 카로티노이드계 항산화물질(베타카로틴 등)을 고생산하고 고온, 건조 등 각종 스트레스에 강한 산업식물을 개발하는데 활용할 수 있다” 며, “이번 성과를 통해 식량문제, 보건문제 해결뿐만 아니라 향후 국내외 조건 불리지역(사막화지역, 오염지역 등)에 대량으로 식재하면 바이오매스 증대를 통한 탄소배출권 확보도 기대된다. 또한 고부가가치 고구마 신품종 개발로 활용될 수 있어 국가 식량과 영양안보 뿐만 아니라 농가소득 증진에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.” 고 밝혔다.
※ 고구마(Ipomoea batatas)는 세계 7대 식량작물로 최근 최고의 건강식품과 척박한 토양의 최고의 탄수화물을 생산할 수 있는 바이오에너지 산업식물로 재평가되었다. 고구마가 최고의 건강식품으로 척박한 토양에 잘 자라는 이유는 비타민C, 베타카로틴(카로티노이드의 대표적인 황색 항산화물질) 등의 항산화물질이 풍부하기 때문이다. 고구마는 단순한 구황작물이 아니라 최고의 건강식품으로 최근 확인되어 기후위기시대 구원투수 작물로 부상되고 있다.
- 2007년 미국공익과학단체(CSPI)는 항산화물질, 식이섬유, 칼륨이 풍부한 고구마를 몸에 좋은 10대 건강식품의 하나로 선정하였음. 고구마의 높은 항산화활성은 질병(암 포함)과 노화를 방지하고, 높은 식이섬유는 변비예방과 당뇨 및 비만환자에게 좋은 탄수화물로 권장되고 있고, 고 칼륨은 체내염분을 배출시켜 혈압상승을 예방할 수 있음. 고구마는 현미와 함께 당화지수가 55로 낮음 식품군이고 쌀과 감자는 90으로 높은 식품임.
- 2008년 미농무성(USDA)은 고구마는 전분작물가운데 단위면적당 탄수화물을 가장 많이 생산하며(옥수수의 2.3배) 식량수급에 영향을 주지 않는 척박한 토양에 바이오에너지작물로 적합하다고 평가하고 논문을 발표함 (Biomass and Bioenergy 33: 1503-1508, 2009).
