세포 내의 나트륨, 칼륨 이온의 비율은 식물의 염분 스트레스 저항성을 결정하는 중요한 매개변수다. 본 연구에서는 the halophytic Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) relative Thellungiella salsuginea 에서의 원형질막의 Na+/K+ cotransporters 기능을 시험하였다.
T. salsuginea는 매우 적은 양 발현되는 TsHKT1;1과 충분한 양이 발현되는 것으로 알려진 TsHKT1;2 두 가지 종류의 HKT 유전자를 가진다. TsHKT1;2 유전자는 특히 염분 스트레스를 받았을 때 발현이 촉진되는 것을 확인했고, T. salsuginea에서 TsHKT 기반의 RNA 간섭은 Na+ 민감도와 K+ 결핍을 초래한 것을 확인할 수 있었다.
본 논문을 통해 TsHKT1;2를 과발현하는 athkt1 돌연변이 계통에서 Na+에 비교적 덜 민감하고, K+ 결핍이 보다 적게 발생하는 것을 확인할 수 있었고, TsHKT1;2는 나트륨 이온에 비해 칼륨 이온에 대해 강한 선택성을 보이는 것을 확인하였다.
TsHKT1;2 에서 일부 잔기를 수정해 AtHKT1 서열을 모방하도록 하면 칼륨 이온에 선택성을 보였던 표현형에서 나트륨 이온 흡수가 향상되고, 칼륨 이온 수송체 활성이 결핍되는 표현형을 관찰할 수 있었다. 본 연구를 통해 저자들은 염분 스트레스 하에서 칼륨 이온의 흡수가 유지되는 것이 T. salsuginea 종에서 특이적인 현상일 것으로 제시하고 있다.
Plant HKT Superfamily Relationships
식물의 HKT 유전자의 계통수를 조사하였다. 시퀀스 유사도를 기반으로 계통수를 작성하였고, 크게 두 개의 subfamily로 분리되는 것을 확인할 수 있다. 여기서 두 family 사이의 가장 핵심적인 차이가 본 논문에서 살펴보고 있는 T. salsuginea와 애기장대의 HKT 유전자에서 보이는 차이로 아미노산 서열 중의 일부가 공통적으로 다른 아미노산을 암호화 하고 있는 것을 확인하였다.
The TsHKT1;2 Transcript Is Induced by Salt Stress
HKT homologs 유전자들의 발현량을 측정하였고, T. salsuginea TsHKT-RNAi 형질전환 식물을 생성했다. 염분 스트레스 환경을 조성해서 HKT 유전자의 발현을 유도하였고, 애기장대와 T. salsuginea 사이에서 사뭇 다른 발현 패턴을 확인할 수 있다.
TsHKT-RNAi Inhibits Growth and K+ Homeostasis in T. salsuginea
이전 실험에서 Na+ 특이적인 반응이 두 종에서 서로 다르게 나타난 것을 추가로 분석하기 위해 불활성화된 인공 토양에서 1개월동안 성장시키고 2주간의 염분 스트레스를 주었다. 스트레스가 없는 조건에서 TsHKT-RNAi 식물체는 성장에 차이가 없었으나, 염분 스트레스가 추가된 환경에서는 염분에 대한 민감도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 염분 스트레스에 따라 잎의 크기, 식물체 중량 등에도 차이를 보이는 것을 확인하였다.
TsHKT1;2 Is Different from AtHKT1 in the Na+ Hypersensitivity Response
T. salsuginea와 애기장대에서의 HKT1 단백질에서 보이는 Na+, K+ 에 대한 차등적 수요에 대한 분석을 위해 Na+ 농도를 달리 만든 스트레스 환경에 대한 반응을 실험하였다. TsHKT1;2를 발현하는 세포에서 현저히 낮은 수준의 Na+를 축적한 것을 확인하였고, AtHKT1을 발현하는 세포에서는 Na+의 더 높은 흡수를 확인할 수 있었다. 또한 반대로, TsHKT1;2 발현 세포에서는 유의하게 더 많은 양의 K+ 이온을 흡수하였고, AtHKT1 발현 세포에서는 유의하게 낮은 K+ 흡수를 확인하였다. 이는 두 단백질이 완전히 반대의 작용을 하는 것을 시사한다.
이후 추가적인 실험을 통해 TsHKT1;2와 AtHKT1의 서로 다른 기능이 검증되었으며, 이러한 기능적인 차이가 유전자 시퀀스의 차이에서 비롯됨을 확인하였다.
본 논문은 종의 haplotypic 한 표현형에 기여하는 T. salsuginea 종에서의 HKT 유사 단백질의 특징과 기능에 대해 연구한 결과를 서술하고 있다. TsHKT1;2는 애기장대의 HKT 단백질의 발현 패턴과는 다른 염분 스트레스에 의해 유도되는 것을 확인하였다.
또한 이 단백질로 유도되는 RNA 간섭은 NaCl에 대한 민감성을 나타내고, 칼륨 이온에 대한 결핍을 보여 TsHKT1;2의 작용을 통해 칼륨 이온의 결핍을 보완하는 것을 확인하였다. 종에 따라 서로 다른 이온에 대한 선호도를 보이는 것이 종에 따른 염분 스트레스 내성 차이로 저자들은 제안하고 있다.
