Phytochrome is a red/far-red photoreceptor that regulates various plant developmental processes. Red light activated phytochrome translocates into the nucleus to inhibit negative regulator of photomorphogenesis, Phytochrome-Interacting Factors (PIFs). PIFs are bHLH transcription factors that regulate seed germination, hypocotyl elongation, chlorophyll biosynthesis, senescence and flowering etc. Various molecular functions of PIFs are well discovered through previous researches, but it is still unclear that the exact role of phy-PIF signaling in plastid differentiation of seedling stage.
In this study, I discovered downstream components of phy-PIF signaling to regulate amyloplast conversion through forward-genetic methods. I did EMS mutagenesis of SCR:PIF1/pifQ to find suppressor mutants of endodermis-specific PIF1 on endodermal amyloplast conversion. I selected mutants by observation of hypocotyl gravitropism phenotype such as hypocotyl standing percentage and amyloplast staining. I found 28 candidates through mutant screening, and starchless mutants such as pgm1, adg1 and isa1 are included in those mutant candidates.
As an independent study, I discovered JOGAKs (JOGs) which are direct targets of PIFs through reverse-genetic methods, microarray and ChIP-chip. 4-week LD grown jog1jog3 double mutant shows high chlorophyll level while JOG1 and JOG3 OX show much low chlorophyll level in a whole stage. I discovered that JOG1/3 inhibits chlorophyll synthestic genes as well as chloroplast component genes through GLK1/2 transcription factors. JOG1/3 binds to GLK1/2 in vitro, and they regulate overall chloroplast-related genes in opposite way of GLK1/2. I suggest that phy-PIF-JOG signaling regulates chloroplast apparatus through GLK1/2.
Through these genetic approaches, I could find a few downstream factors of phy-PIF signaling in plastid differentiation.
식물은 주 에너지원인 빛을 효율적으로 받아들이기 위해 여러 빛 조건에 민감하게 반응하고, 그것에 맞춰 발달을 조절한다. 빛에 대한 반응은 포토트로핀, 크립토크롬 등 다양한 광 수용체들을 통해 일어나는데, 그 중에서도 파이토크롬은 적색광에 의해 활성화되는 광 수용체로 PIF라는 전사요소를 통해 발아, 개화, 노화 등을 조절하는 것으로 알려져 있다. 이번 연구는 파이토크롬-PIF 신호전달이 조절하는 굴지성 기작과 엽록체 합성 기작에 초점을 맞추어 진행되었다.
굴지성은 식물이 중력에 반응하는 현상으로, 식물의 줄기는 중력 반대 방향으로 자라는 성질이 있다. 식물 줄기는 네 개의 층으로 이루어져 있고, 그 중에서도 내피 조직에 중력을 인지하는 세포가 있다. 그 세포 속에는 아밀로플라스트라는 녹말체가 있는데, 아밀로플라스트는 세포 내에서 중력 방향으로 이동하고 여러 화학적인 신호를 형성하여 식물이 중력 반대 방향으로 자라도록 유도한다. 즉, 아밀로플라스트는 동물의 이석과 같은 역할을 하는데, 파이토크롬-PIF 신호전달은 이러한 아밀로플라스트의 발달을 조절함으로써 줄기의 굴지성을 조절한다. 내피에서 PIF가 어떻게 아밀로플라스트의 발달을 조절하는 지 알아보기 위해 EMS를 통해 pifQ에 내피 특이적으로 PIF1을 발현시킨 형질전환체(SCR:PIF1/pifQ)를 임의로 돌연변이 유발하고, PIF 하위 유전자를 찾고자 하였다. SCR:PIF1/pifQ 경우, 어둠 속에서 중력을 인지하여 중력 반대 방향으로 자라는 성질이 있는 반면, 일부 돌연변이체의 경우 pifQ와 같이 비정상적인 굴지성을 보였다. 여러 실험을 통해 굴지성이 망가진 돌연변이체 28개를 찾아내었고, 그 중에서 7개는 녹말을 전혀 생성할 수 없는 돌연변이체로, PGM1, ADG1, ISA1 등 녹말 합성 관련 유전자의 기능을 상실한 돌연변이체임을 알 수 있었다. 이 연구를 통해 녹말 합성이 굴지성에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀 내었다.
위와 독립적으로, 파이토크롬-PIF 신호전달이 조절하는 엽록체 합성 기작에 대해 연구하였다. Microarray와 ChIP-chip 실험을 통해 파이토크롬-PIF에 의해 직접적으로 발현이 조절되는 JOGAK이라는 유전자를 찾아내었다. JOGAK은 90 여 개의 아미노산으로 이루어진 작은 단백질로, 1589라는 알려지지 않은 단백질 영역을 가지고 있다. 파이토크롬-PIF 신호전달과 관련된 여러 표현형 실험을 통해 JOGAK이 엽록체 합성에 관여한다는 것을 발견하였다. JOGAK은 엽록소 합성과 엽록체 구성 단백질과 관련된 유전자들의 발현을 억제하는데, 단백질 결합 실험과 RNA-sequencing을 통해 JOGAK이 GLK라는 전사요소를 통해 그 유전자들을 조절한다는 것을 알게 되었다. 이 연구를 통해 파이토크롬-PIF 신호전달이 JOGAK을 직접적으로 조절하여, JOGAK-GLK를 통해 엽록체 합성에 관여한다는 것을 밝혀 내었다.
