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I. 제목
고품질 바이오매스 생산을 위한 리그닌 생합성 조절 기술 개발
II. 연구성과 목표 대비 실적
가. 생장속도 고도화 형질전환 포플러 육성
- DWF4 유전자의 발현 조절 기작 규명 논문 발표
- DWF12 유전자의 발현 조절 기작 규명 논문 발표
- 바이오매스 생산 후보, 브라시노스테로이드 (brassinosteroid; BR) 생합성 유전자인 DWF4 와 BR 신호전달 요소인 DWF12/BIN2 가 도입된 포플러 형질전환체 개발
- 형질전환 포플러 나무의 바이오매스 생산량, 리그닌 적합도 및 생화학적 특성 분석
- 바이오에너지용 리그닌 저감 포플러 신품종 육성
나. 리그닌 함량 조절 신규 BR 유전자 발굴 및 형질전환체 개발
- 전사체학적 분석을 통해 리그닌 함량 조절 BR 유전자의 발굴 및 이를 이용한 형질전환체 개발을 통한 기능 분석
III. 연구개발의 목적 및 필요성
바이오에너지를 경제적으로 생산하기 위해서는 원재료가 되는 바이오매스의 품질과 생산성이 중요함. 목질계 바이오에탄올 생산에 사용되는 일반적인 바이오매스는 난분해성 리그닌이 약 30% 정도를 차지, 이는 전처리 공정에서 여러 가지 문제점을 야기하기에 이를 줄이는 방향으로 생명공학이 적용되고 있음. 그러나, 리그닌이 식물체 방어나 지지 등 중요한 생물학적 기능을 수행하기에 리그닌 함량을 일방적으로 줄일 경우 식물의 fitness가 저하되는 문제점이 있어 이를 해결하기 위해 본 과제에서 바이오매스 대상 작물의 fitness는 최대한 유지, 리그닌 함량을 저감시키는 리그닌 생합성 제어 기술 개발에 목표를 두었음.
IV. 연구개발 내용 및 범위
식물의 스테로이드 호르몬인 BR은 식물 생장 촉진 및, 리그닌을 포함하는 2차벽이 발달하는 물관 생성·발달과 관련됨. BR의 생합성 유전자인 DWF4 와 BR 신호전달 음성조절 유전자인 BIN2의 기능 규명을 바탕으로 이를 목본 식물의 모델 시스템인 포플러에 도입, 육성, 생화학적 이해를 바탕으로 내생 BR 증가를 통한 생장속도 가속화 및 리그닌 저감 포플러 우수 품종을 개발함. 또한, 마이크로어레이 실험으로 전사체학적 분석을 실시하여 리그닌 조절 관련 신규 BR 유용 유전자를 대량 발굴 및 형질전환체 개발을 통해 리그닌 함량을 조절하는 새로운 BR 유전자를 발굴하는 전략으로 식물 fitness는 유지, 리그닌 합성은 줄일 수 있는 식물체를 육성함.
1. 생장속도 고도화 형질전환 포플러 개발
- BR 생합성 유전자인 DWF4와 BR 신호전달 요소인 DWF12가 포플러에 도입함
- 기 개발된 벡터를 포함한 포플러 나무 육성, 생화학적 특성 및 리그닌 적합도 분석
- 바이오에너지용 리그닌 저감 포플러 나무 개발
2. 리그닌 생성을 조절하는 신규 BR 유전자 벡터 시스템 발굴 및 품종화 개발
- 마이크로어레이를 통해 리그닌 합성 조절 BR 유전자의 발굴 및 기능 분석
V. 연구개발결과
1. DWF4 유전자의 발현 조절 기작 규명
2. DWF12 유전자의 발현 조절 기작 규명
3. 생장속도 고도화 및 리그닌 저감 포플러 형질전환체 우수 품종 개발
- BR 생합성 및 신호전달 음성조절 유전자를 포플러에 도입, 과발현체에서 내생 BR 함량 증가를 비롯, 리그닌 함량이 감소된 우수 포플러 형질전환체 개발함
4. 전사체학 분석에 의해 식물 생장발달과 리그닌 함량 조절 유전자 발견 및 이와 관련 형질전환체 개발
- 광수용체에 결함이 있는 돌연변이와 BR 수용체 결함 돌연변이체와의 마이크로어레이 수행, 유전자 발현 비교 분석 결과 퍼옥시다제를 포함하는 다수의 유용 유전자 선별.
- 퍼옥시다제 간섭카세트를 포함하는 벡터를 도입한 형질전환체 개발 및 분석을 통해 이들 유전자가 식물생장발달과 리그닌 함량 조절 기능에 관여함 시사.
VI. 연구성과 및 성과활용 계획
1. DWF4 유전자의 발현 조절에 관한 논문 발표 (Plant J. 2011, 66(4):564-78)
2. DWF12 유전자의 발현 조절에 관한 논문 발표 (J. Plant Biol. 2011, 54:126-134)
3. 생장속도 고도화 및 리그닌 저감 포플러 형질전환체 우수 품종 개발 결과를 통해 신품종 육성 및 특허 출원 준비 중.
- 광수용체 결함 돌연변이와 BR 수용체 결함 돌연변이의 전사체 분석을 통해 퍼옥시다제를 포함하는 다수의 유용 유전자가 선별을 통해 Plant J. 2014. 77(5):737-47에 발표.
- 퍼옥시다제 간섭카세트를 포함하는 벡터를 도입한 형질전환체 개발 및 분석을 통해 이들 유전자가 식물생장발달과 리그닌 함량 조절 기능에 관여함을 특허출원함
5. 성과 활용 계획 : 본 연구 결과 얻어진 기술을 포플러뿐 아니라 백합나무등 생장속도가 빠른 기타 경제수종에 이식될 경우 고품질의 펄프 원재료 확보로 제지 공정비용을 절감할 수 있을 것임. 또한, 알팔파나 다른 forage crop에 이 기술을 접목한다면 우수한 사료작물의 개발 등 긍정적 경제적 효과를 얻을 수 있을 것임.
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