카드뮴 (Cd), 크롬 (Cr), 수은 (Hg), 납 (Pb), 알루미늄 (Al) 등과 같은 중금속 중에서 특히, 카드뮴은 토양, 물 등에 광범위하게 분포할 수 있고, 발전소, 온방장치, 금속 가공공장, 소각장, 매연, 시멘트 공장, 인산염 비료의 생산과정에서 대량으로 유출되고 있는 심각 ...

카드뮴 (Cd), 크롬 (Cr), 수은 (Hg), 납 (Pb), 알루미늄 (Al) 등과 같은 중금속 중에서 특히, 카드뮴은 토양, 물 등에 광범위하게 분포할 수 있고, 발전소, 온방장치, 금속 가공공장, 소각장, 매연, 시멘트 공장, 인산염 비료의 생산과정에서 대량으로 유출되고 있는 심각한 환경 오염물질이며, 먹이 사슬 내에 축적됨으로서 동물의 암, 돌연변이, 기형을 일으키는 것으로 밝혀졌다. 따라서 본 연구에서는 중금속 축적능력이 뛰어나다고 알려진 배추 속 (Brassicaceae) 식물인 유채 (Rapeseed)를 대상으로 카드뮴 스트레스에 의한 유전자의 발현을 유전자 칩을 사용하여 분석하였다. 40 μM Cd에 노출시킨 유채의 유전자 발현을 칩 분석한 결과, 독성제거와 관련된 단백질의 발현과 세포벽 변형에 관련된 유전자의 발현이 증가되는 것을 알 수 있었다. 이들 세포벽 변형과 관련된 유전자들의 발현을 역전사 중합반응을 통해 확인하고 카드뮴 처리에 의해 변형되는 세포벽의 형태를 분석하였다. 카드뮴 스트레스에 대한 세포벽의 변형은 식물의 중금속 스트레스 저항성 반응의 하나로 예상된다. 유전자 칩 분석 결과, 카드뮴에 의해 발현이 강하게 증가되는 3 종의 유전자를 RT-PCR 방법으로 확보하였다. 확보된 유전자 각각을 식물 형질전환용 벡터에 도입한 후, floral dipping 방법으로 애기장대와 유채 형질전환체를 생성하였다. 생성된 형질전환체는 분석 중에 있으며, 카드뮴 스트레스 저항성뿐만 아니라 다른 환경 스트레스 (고온, 고염 등)에 대한 저항성도 나타낼 것으로 기대하고 있다. 이들을 활용하여 오염된 토양이나 물을 식물 생명공학적 방법으로 복원하는 기술의 하나인 phytoremediation에 활용할 수 있는 방안을 모색하고자 한다.

Among the heavy metals, Cd (density = 8.6 g/cm3) is a widespread heavy metal, released into the environment by power stations, heating systems, metal-working industries, waste incinerators, urban traffic, cement factories and as a by-product of phosph ...

Among the heavy metals, Cd (density = 8.6 g/cm3) is a widespread heavy metal, released into the environment by power stations, heating systems, metal-working industries, waste incinerators, urban traffic, cement factories and as a by-product of phosphate fertilizers. Since Cd is a fairly immobile element, its accumulation in soils can become dangerous to all kinds of organisms. High to very high Cd concentrations have been found to be carcinogenic, mutagenic and teratogenic for a large number of animal species. To monitor the genome-wide transcriptome changes induced by Cd, we conducted a comprehensive transcriptomic analysis. Arabidopsis microarrays were used to compare gene expression of 5-day old seedlings exposed to 40 μM Cd. Expression profiling showed that Cd exposure triggered significant accumulation of detoxicant proteins and that some cell wall-modificatory (CWM) genes were up-regulated. This up-regulated of CWM genes was verified by reverse transcription (RT) PCR and histochemical analysis also provided evidence that cell wall thickness is increased by Cd exposure. These observations imply that the activation of CWM-related genes by Cd stress is an important response for the resistance of heavy metals. From microarray data, 3 candidate genes (sHSP17.6II-c, MBF1c, DREB2C) that will be high stress tolerance have been selected and their functions characterized using transgenic plants. Results of our researches will provide a springboard for further functional genomics research and phytoremediation research.

카드뮴 (Cd), 크롬 (Cr), 수은 (Hg), 납 (Pb), 알루미늄 (Al) 등과 같이 비중 5 mg/cm3 이상인 중금속 중에서 특히, 카드뮴은 토양, 물 등에 광범위하게 분포할 수 있고, 발전소, 온방장치, 금속 가공공장, 소각장, 매연, 시멘트 공장, 인산염 비료의 생산과정에서 대량으 ...

카드뮴 (Cd), 크롬 (Cr), 수은 (Hg), 납 (Pb), 알루미늄 (Al) 등과 같이 비중 5 mg/cm3 이상인 중금속 중에서 특히, 카드뮴은 토양, 물 등에 광범위하게 분포할 수 있고, 발전소, 온방장치, 금속 가공공장, 소각장, 매연, 시멘트 공장, 인산염 비료의 생산과정에서 대량으로 유출되고 있는 심각한 환경 오염물질이며, 먹이 사슬 내에 축적됨으로서 동물의 암, 돌연변이, 기형을 일으키는 것으로 밝혀졌다. 산업화에 따른 각종 중금속에 의한 오염이 증가하면서 오염된 토양이나 물을 식물 생명공학적 방법으로 복원하는 기술인 phytoremediation의 목표를 달성하기 위해, 먼저 식물의 중금속 스트레스 저항성 기작, 중금속 축적 기작에 대한 분자생물학적 고찰이 우선되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 중금속 축적능력이 뛰어나다고 알려진 배추 속 (Brassicaceae) 식물인 유채 (Rapeseed)를 대상으로 카드뮴 스트레스에 의한 유전자의 발현을 유전자 칩을 사용하여 분석하였다. 40 μM Cd에 시간별로 노출시킨 유채의 칩 분석 결과, 발현이 증가되거나 감소되는 유전자군 별로 분류할 수 있었으며 이들 중 발현이 강력히 증가되는 3 종의 유전자의 full-length sequences를 RT-PCR 방법으로 확보하였다. 확보된 유전자 각각을 식물 형질전환용 벡터에 도입한 후, floral dipping 방법으로 애기장대와 유채 형질전환체를 생성하였다. 생성된 형질전환체는 분석 중에 있으며, 카드뮴 스트레스 저항성뿐만 아니라 다른 환경 스트레스 (고온, 고염 등)에 대한 저항성도 나타낼 것으로 기대하고 있다.

<연구 결과>

-카드뮴의 영향 분석: 카드뮴 처리는 유채의 뿌리 발육 장애를 일으켰으며 동시에 뿌리털의 비정상적 생성을 유도하였다. 따라서 카드뮴 스트레스는 스트레스 에틸렌과 관련되어 있다는 사실을 확인하였다.

-유전자 칩 분석: 카드뮴을 처리한 ...

<연구 결과>

-카드뮴의 영향 분석: 카드뮴 처리는 유채의 뿌리 발육 장애를 일으켰으며 동시에 뿌리털의 비정상적 생성을 유도하였다. 따라서 카드뮴 스트레스는 스트레스 에틸렌과 관련되어 있다는 사실을 확인하였다.

-유전자 칩 분석: 카드뮴을 처리한 유채의 유전자 발현 양상을 식물 유전자 칩으로 분석하였으며, 카드뮴 스트레스와 관련된 다양한 유전자의 발현을 확인하였다.

-카드뮴 스트레스 관련 유전자의 분리: 식물 유전자 칩 분석을 통해 카드뮴 스트레스 관련 유전자라고 판단되는 3종의 유전자 (small heat shock protein 17.6IIc, DREB2, Multiprotein bridging factor 1)를 분리하였고 각 유전자의 구조 및 특성을 분석하였다.

-카드뮴 스트레스 관련 유전자 도입 형질전환 식물체의 생성: 분리한 sHSP17.6IIc, MBF1c, DREB2C 유전자의 생체 내 특성을 분석하기 위하여 애기장대와 유채의 형질전환체를 생성하였다. 생성한 형질전환식물체들의 스트레스 저항성 연구는 수행 중에 있다.

-유채의 형질전환 기술 확보: 유채의 형질전환을 위해 요구되는 배지, 생체 조직, 생장 조건, Agrobacterium의 생장조건 등에 대한 기술을 습득하였다.

<활용방안>

-중금속 내성 유전자의 분리 및 종합적 연구: 유전자 칩을 사용하여 중금속 내성, 중금속 축적 관련 유전자를 대량 분리할 수 있으며, 유전자 칩 정보를 활용하여 상호간의 cross-talk, network에 관여하는 유전자 집단을 종합적으로 연구할 수 있다.

-중금속 저항성, 중금속 축적 형질전환체를 개발하여 토양 오염 복원을 통한 식물생태복원 (phytoremediation) 분야에 활용할 수 있다.