XNUMX여 년 전 식물 유전학자들은 접목된 식물을 보았을 때 특이한 점을 발견했습니다. 두 식물이 함께 자라는 곳에서 각 식물의 세포는 다른 식물에서 상당한 양의 DNA를 얻은 흔적을 보였습니다. 유전자의 수평적 전달은 박테리아와 동물, 균류 및 식물에서도 드문 일이 아니기 때문에 그 자체로는 전례가 없었습니다. 그러나 이 경우 전달된 DNA는 엽록체의 온전한 게놈 전체로 보였다. 이것은 식물 세포가 너무 많은 DNA가 들어갈 수 있는 명백한 방법을 제공하지 않는 보호 세포벽 내부에 스스로를 봉인하기 때문에 수수께끼를 제기했습니다.

이제 연구자들은 랄프 복포츠담에 있는 막스 플랑크 분자 식물 생리학 연구소(Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology)에 있는 의 연구실은 이 전달을 비디오로 포착하여 마침내 답을 발견했습니다. 때때로 세포벽은 생각했던 것보다 더 다공성일 뿐만 아니라, 식물은 전체 세포소기관이 세포벽을 통해 인접한 세포로 기어 들어갈 수 있도록 하는 메커니즘을 개발한 것으로 보입니다. 연구원 신고 그들의 발견은 1월 XNUMX일자 과학의 발전.

"진정한 참신함은 실제 물리적 소기관이 한 세포에서 다른 세포로 이동할 뿐만 아니라 이동한다는 것을 보여주었다는 것입니다"라고 말했습니다. 찰스 멜닉, 웁살라에 있는 스웨덴 농업 과학 대학에서 접목을 연구하는 식물 생물학자. "소기관을 교환하는 것은 두 개의 다른 식물입니다."

벽에 예기치 않은 구멍

농부들은 적어도 고대 로마 시대부터 식물 접목을 사용하여 과일 나무와 포도나무를 재배했습니다. 식물의 꽃이 피고 열매를 맺는 부분인 접가지를 뿌리 줄기에 접목하면 어린 과일 나무나 덩굴이 더 일찍 열매를 맺을 수 있고 해충과 질병에 대한 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 접목은 자연에서도 서로 접촉하는 밀접하게 관련된 식물이 결국 융합하거나 기생 식물이 숙주와 연결될 때 발생합니다. 이식 부위에서 식물은 상처를 가로지르는 혈관 조직을 통해 물과 영양분의 흐름을 재확립하고 때때로 새로운 싹을 생성하는 일종의 흉터 또는 캘러스를 형성합니다. 

약 150년 전 Bock과 그의 팀은 두 종의 담배 식물을 접목하고 캘러스의 양쪽에서 유전자를 시퀀싱했습니다. 그들은 엽록체의 전체 게놈이 대목과 접가지 사이에서 교환되었음을 발견했습니다. (미토콘드리아와 마찬가지로 엽록체와 색소체라고 하는 다른 식물 세포소기관은 고대 내생 박테리아의 잔재이며 고유한 유전 물질을 가지고 있습니다.) 사실, XNUMX킬로베이스의 엽록체 게놈 전체가 손상되지 않은 상태로 전달된 것이지, 벌거벗은 DNA 조각이 다른 것들 사이에서 우연히 재조합된 것이 아닙니다. 유전자. 많은 수평적 이동을 유발하는 우발적 교잡 또는 바이러스 감염은 이를 달성할 수 없습니다.

"이것은 식물 세포에서 기대할 수 있는 것이 아닙니다."라고 말했습니다. 팔말리가, Rutgers 대학의 식물 과학자는 독립적으로 유전 적 증거를 발견했습니다. 엽록체 과 미토콘드리아 내부 이식. 식물 세포는 단단한 세포벽으로 둘러싸여 있기 때문에 "식물 세포에 대한 나의 이미지는 우리 안에 있는 세포질이었고 아무도 아무데도 가지 않았다"고 Maliga는 말했습니다. 

전이에 대한 유전적 증거는 실제 퍼즐을 제시했습니다. 세포벽의 유일한 알려진 구멍은 인접한 식물 세포가 단백질과 RNA 분자를 교환할 수 있도록 하는 작은 원형질체, 좁은 다리(폭이 약 0.05마이크론 정도)뿐이었습니다. Maliga는 일반적으로 직경이 약 5마이크론인 엽록체는 "너무 커서 이동할 수 없었습니다"라고 말했습니다. "기적적으로 다른 세포에 나타난 것 같았습니다." 

Bock이 박사후 과정 동료와 팀을 이룰 때까지 수수께끼는 계속되었습니다. 알렉산더 허틀, 살아있는 세포 이미징 및 현미경 검사에 대한 전문 지식을 보유하고 있습니다. Hertle은 굳은살에서 무슨 일이 일어나고 있는지 보기로 결심했습니다. 전자현미경으로 이식편의 얇은 부분을 조사한 결과, 그는 세포에 이전에 본 것보다 더 큰 구멍이 있음을 발견했습니다. 그러나 지름이 최대 1.5미크론인 것들조차도 엽록체에 비해 너무 좁은 것처럼 보였습니다.

그런 다음, 캘러스에서 살아있는 세포를 관찰하는 동안 Hertle은 이동하는 엽록체의 이미지를 포착했습니다. 일부 엽록체는 0.2마이크론만큼 작아질 수 있는 더 원시적이고 운동성이 있는 원형 색소체로 변했습니다. Hertle이 관찰한 것처럼 원형 색소체는 세포막 내부를 따라 세포벽에서 새로 발견된 구멍 아래 위치로 기어갔습니다. 그런 다음 세포막의 새싹 모양의 돌출부가 이웃 세포로 부풀어 오르고 세포 소기관을 전달합니다. 이식편의 조직 조직이 자체적으로 재확립됨에 따라 색소체는 엽록체의 정상적인 크기로 돌아갔습니다. 

"따라서 세포벽에는 확실히 색소체가 통과할 수 있는 구멍이 있습니다."라고 Hertle은 말했습니다. 식물 세포벽이 두껍고 다소 영구적인 장벽이라는 교리는 "이 연구에서는 기본적으로 사라집니다." 

치유 교환

엽록체의 변태는 아직 잘 이해되지 않았지만 탄소 결핍과 광합성 감소에 대한 반응으로 보인다고 Hertle은 설명했습니다. 연구원들이 불을 껐을 때 더 많은 색소체가 탈분화되고 세포 소기관 전달 빈도가 XNUMX배 증가하는 것을 관찰했습니다. 

새로운 숙주 세포에서 전달된 색소체가 얼마나 잘 기능하는지는 두 종이 얼마나 밀접하게 관련되어 있는지에 달려 있다고 Maliga는 말합니다. 핵 DNA와의 유전적 불일치가 너무 극단적인 경우 세포소기관이 작동하지 않고 결국 손실될 수 있습니다. 그러나 그들은 가까운 친척의 세포에서 번성할 수 있습니다. 

Maliga는 원형 색소체가 이식 상처 치유를 돕는 신호 분자를 포함하거나 생성할 수 있다고 의심합니다. 세포벽에 형성된 큰 구멍은 이식 부위의 상처에 대한 식물의 긴급 치유 반응의 일부인 것으로 보이지만 정상적인 식물 발달의 일부 단계에서도 발생할 수 있다고 Maliga는 말합니다.

전체 소기관 이동은 서로 가까이에서 자라는 다른 종의 너도밤나무 덩어리에서 나온 엽록체가 더 넓은 간격의 너도밤나무 집합체에서 나온 엽록체보다 유전적 유사성이 더 많다는 관찰을 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 Hertle은 말합니다. 엽록체 포획 사건은 또한 연구자들이 식물의 진화 역사를 재구성할 때 때때로 일관성 없는 결과를 얻는 이유를 설명합니다. 핵과 엽록체 게놈은 혈통이 다를 수 있습니다.

자연계에서 소기관 이동을 통한 이러한 수평적 게놈 전이가 얼마나 자주 일어나는지는 아직 명확하지 않다. 아마도 식물은 부상이나 다른 사건에 대한 반응으로 일상적으로 세포 사이에서 엽록체를 이동시킵니다. 아무도 모른다. Bock, Maliga 및 기타 연구원들은 이식된 조직의 차이가 발생하는 일을 알려주었기 때문에 게놈 전송을 문서화할 수 있었습니다. 그러나 식물이 세포 소기관 이동을 위한 메커니즘을 진화시켰다면 상대적으로 드문 자연 접목 사건은 식물에게 한 번의 기회에 불과할 수 있습니다.

일반적이든 아니든, 이 현상은 진화적 또는 생태학적 의미를 가질 수 있습니다. Hertle은 이식편 캘러스의 모자이크 세포가 뿌리, 새싹 및 꽃을 생성하기 시작하면 특히 세포벽이 핵 게놈을 수용할 만큼 충분히 넓게 열리는 경우 새로운 종 또는 아종이 발생할 수 있다고 지적합니다. 2014년에 Bock의 팀은 이 방법을 사용하여 새로운 종을 만들다 혼성화에서 발생할 수 없는 핵 및 세포 소기관 게놈의 조합을 가진 밤나무 가족에서. 자연이 식물 사이의 세포 소기관을 쉽게 이동할 수 있는 방법을 제공한다면 생명공학 연구자들은 이를 바람직한 새로운 작물 종을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

잠재적인 응용 프로그램은 많지만 Hertle에게 기본 발견의 기쁨을 능가하는 것은 없습니다. “현미경 과학에서 매우 흥미로운 점은 존재한다고 생각하지 못했던 것들을 볼 수 있다는 것입니다.”라고 그는 말했습니다.

출처: https://www.quantamagazine.org/plant-cells-of-different-species-can-swap-organelles-20210120/