꽃가루관

꽃가루관(Pollen tube)은 씨앗식물의 수배우체가 발아할 때 생성되는 관 모양의 구조이다. 꽃가루관 신장은 식물 생활주기의 필수적인 단계이다. 꽃가루관은 수배우자 세포를 꽃가루에서 암술머리 (속씨식물의 경우)에서 암술 밑부분의 밑씨로, 또는 일부 겉씨식물의 경우 밑씨 조직을 직접 통해 운반하는 통로 역할을 한다. 옥수수의 경우, 이 단일 세포는 암술의 길이를 가로지르기 위해 12 인치 (30 cm)보다 길게 자랄 수 있다.

백합 꽃가루에서 자라는 꽃가루관의 SEM 이미지.

꽃가루관은 19세기에 조반니 바티스타 아미치에 의해 처음 발견되었다.

이것들은 식물 세포 행동을 이해하는 모델로 사용된다. 꽃가루관이 어떻게 외부 유도 신호에 반응하여 수정을 달성하는지 이해하기 위한 연구가 진행 중이다.

벌이 해바라기에 꽃가루를 묻히는 모습. 벌이 꿀을 모으는 동안 한 식물의 꽃밥에서 다른 식물의 암술머리로 꽃가루가 이동한다

꽃가루관은 종자식물에 고유하며, 그 구조는 석탄기 이후 역사에 걸쳐 진화해 왔다. 꽃가루관 형성은 복잡하며 그 메커니즘은 완전히 이해되지 않고 있다.^[1]

속씨식물

속씨식물의 생활 주기.

꽃의 수생식기관인 수술은 꽃가루를 생산한다. 꽃밥이 열리면 꽃가루가 다음 꽃가루받이 (꽃가루가 암컷 생식기관인 암술로 이동)에 사용될 수 있게 된다. 각 꽃가루는 영양 세포와 두 개의 정자 세포를 형성하기 위해 분열하는 생식 세포를 포함한다. 바람, 물과 같은 비생물적 매개체 또는 동물과 같은 생물적 매개체가 꽃가루 분포를 수행한다.

꽃가루가 적합한 암술에 착지하면, 성숙한 암술머리에서 분비되는 설탕액에 반응하여 발아할 수 있다. 암술머리 표면의 지질 또한 적합한 꽃가루의 꽃가루관 성장을 촉진할 수 있다. 자가불화합성인 식물은 종종 자신의 꽃에서 나온 꽃가루가 꽃가루관을 성장시키는 것을 억제한다. 여러 개의 꽃가루가 존재하면 일부 식물에서 꽃가루관 성장이 더 빨라지는 것이 관찰되었다.^[2] 그런 다음 영양 세포는 꽃가루관, 즉 꽃가루에서 돌출된 관 모양의 돌출부를 생성하며, 이 돌출부 안에 정자 세포를 세포질에 담아 운반한다. 정자 세포는 중복 수정에서 난세포 및 중앙 세포와 결합할 수배우체이다. 첫 번째 수정 사건은 이배체 접합자를 생성하고 두 번째 수정 사건은 삼배체 배젖을 생성한다.^[3]

발아된 꽃가루관은 영양분이 풍부한 암술대를 뚫고 난소 바닥으로 구부러져 밑씨에 도달해야 한다. 꽃가루관이 밑씨에 도달하면 터져서 두 개의 정자 세포를 전달한다. 정자 세포 중 하나는 난세포를 수정하여 배아로 발달하고, 이는 미래의 식물이 된다. 다른 하나는 중앙 세포의 두 극핵과 융합하여 배젖을 형성하며, 이는 배아의 식량 공급원 역할을 한다. 마지막으로, 난소는 과일로 발달하고 밑씨는 씨로 발달한다.

겉씨식물

겉씨식물과 속씨식물의 밑씨 단면

겉씨식물의 꽃가루는 수구과 또는 소포자엽의 인편에 달린 소포자낭에서 생산된다. 대부분의 종에서 식물은 바람에 의해 수분되며, 구과식물의 꽃가루는 공기 흐름에 부력을 제공하는 기낭을 가지고 있다. 꽃가루는 암구과 또는 대포자엽의 밑씨의 주공에 퇴적되며, 이곳에서 최대 1년 동안 성숙한다. 구과식물과 마황과 식물에서 꽃가루는 발아하여 대포자낭 또는 주심을 관통하는 꽃가루관을 생성하며, 이 꽃가루관은 발달 중인 암컷 식물의 장란기 내 난세포로 정자 핵을 운반한다.^[4][5]

꽃가루관 성장 메커니즘

인식

암술머리에 붙은 꽃가루

암컷 포자체는 암술머리에 붙어있는 꽃가루를 인식해야 한다. 종종 같은 종의 꽃가루만이 성공적으로 자랄 수 있다. 교배된 꽃가루가 더 성공적으로 자란다.^[6][7] 자가불화합성 시스템에서는 교배된 꽃가루가 자라 자가 꽃가루를 능가한다. 암술대와 꽃가루 사이의 상호작용은 적합성을 감지하고 꽃가루관의 성장 속도에 영향을 미친다.^[8] 이 선택 과정은 암술의 유전자 자리에서 자가 꽃가루가 느리게 자라거나, 성장을 멈추거나, 터지게 하는 반면, 교배된 꽃가루는 더 빠르게 자라는 유전자 수준의 조절에 의존한다. 자가불화합성 시스템은 유전적 다양성을 유지한다.^[9][10] 겉씨식물의 경우 암술머리가 있는 암술이 없다. 따라서 꽃가루는 수분 방울에 잠겨야 하며, 이는 수배우체를 노출된 밑씨의 난자로 가져다준다. 그러나 다른 종의 꽃가루는 방울에 잠기지 않고, 꽃가루는 위에 떠 있고 방울은 주공으로 다시 들어간다.^[11]

시작

자가수분을 방지하고 수정이 일어나도록 호환 가능한 꽃가루가 꽃가루관을 성장시키도록 하는 메커니즘

꽃가루가 인식되고 수화되면 꽃가루는 발아하여 꽃가루관을 성장시킨다.^[12] 많은 꽃가루가 난자에 도달하기 위해 경쟁할 수 있기 때문에 이 단계에서 경쟁이 발생한다. 암술머리는 많은 밑씨의 경우 정자를 수용 가능한 밑씨로 안내하는 역할을 한다.^[12] 암술머리와의 신호 전달에 의해 결정된 대로 호환 가능한 꽃가루만 성장할 수 있다.

꽃가루에서 생식 세포는 정자를 생성하며, 영양 세포는 꽃가루관을 성장시키는 관 세포를 가지고 있다. 일부 식물은 암술머리와 꽃밥이 다른 시기에 성숙하거나 길이가 다른 것과 같이 자가수분을 방지하는 메커니즘을 가지고 있는데, 이는 다음 세대의 유전적 다양성을 증가시키는 데 크게 기여한다.^[13][14]

꽃가루관의 성장 속도는 매우 다양하며, 많은 연구가 신호 전달에 초점을 맞춰왔다.^[13] 꽃가루의 유전자 발현은 부모 포자체의 것이 아니라 배우체의 것으로 확인되었는데, 이는 자체적인 mRNA와 효소를 발현하기 때문이다.^[13] 복숭아나무의 경우, 꽃가루관이 자라는 암술대 환경은 꽃가루관이 밑씨로 자라는 데 필요한 영양분을 제공한다.^[12] 꽃가루관은 내성이 있어 X선과 감마선에 의해 손상된 꽃가루도 여전히 꽃가루관을 성장시킬 수 있다.^[13]

성장 및 신호 전달

전형적인 속씨식물 밑씨의 구조

꽃가루관 성장은 암술머리-암술대와 꽃가루 사이의 상호작용에 영향을 받는다. 관의 신장은 세포골격의 신장으로 이루어지며, 세포질 내 높은 칼슘 농도에 의해 조절되는 끝부분에서 확장된다.^[10] 칼슘 농도는 막 내 시냅스 소포가 끝부분에서 성장하고 확장하는 데 도움이 된다.^[7] 암술대에서 발견되는 폴리펩타이드 또한 관의 성장을 조절하며, 성장을 위한 신호 전달에 중요한 역할을 하는 특정 펩타이드가 확인되었다.

난세포에 인접한 공간을 차지하는 공기세포에서 분비되는 LURE 펩타이드는 유인 물질을 사용할 수 있다. 돌연변이 애기장대 식물 배아, 특히 공기세포가 없는 배아에서는 꽃가루관이 자랄 수 없었다. 꽃가루관 성장은 꽃가루와 같은 종의 난자를 향한다. 종내 신호 전달은 같은 종의 난자와 정자의 수정을 돕는다. 꽃가루관이 배낭 없이도 암술대와의 상호작용만으로 자랄 수 있기 때문에 암술대 내 신호 전달은 중요하다.^[10][6] 난소의 다른 부분에는 miRNA와 같은 세포질 요인과 꽃가루관이 공기세포를 향해 자라도록 유인하는 화학 물질 농도 기울기가 포함된다.^[6][15]

애기장대의 칼슘과 에틸렌은 꽃가루관이 난소 근처에서 자랄 때 꽃가루관의 종결에 관여했다. 칼슘 증가는 관에서 두 개의 정자 세포 방출과 공기세포의 퇴화를 유발했다.^[6] 칼슘의 화학적 농도 기울기는 관 성장 초기에 또는 적절한 시기에 종결에 기여할 수도 있다.^[15]

꽃가루관의 길이는 종에 따라 다르다. 꽃가루관은 정자가 수정이 일어날 난자 근처에 방출될 준비가 될 때까지 주기적으로 성장한다.^[16][17] 백합, 담배, 봉선화에서 빠른 성장을 보이는 꽃가루관이 관찰되었다.^[17][18] 성장 속도는 생물에게 이점을 제공하지만, 성장 속도의 다양성이 개체군 내에 존재하는지, 아니면 적응도 증가로 인해 여러 세대에 걸쳐 선택되었는지는 명확하지 않다.^[13]

진화

계통발생학적 관점에서 본 겉씨식물

비운동성 정자의 진화와 꽃가루관의 진화 사이의 상관관계를 보여주는 많은 과도기적 특징들이 확인되었다.^[14] 양치류와 같은 초기 종자 식물은 물 속에서 헤엄치는 포자와 운동성 정자를 가지고 있는데, 이를 주동성이라고 한다.^[19] 속씨식물 꽃가루관은 단순하고 가지가 없으며 빠르게 자라지만, 조상 식물의 경우는 그렇지 않다.

은행나무와 소철류 같은 겉씨식물에서는 흡수성 꽃가루관이 형성된다. 꽃가루관은 암컷 주심에서 영양분을 흡수하여 두 단계로 자란다. 꽃가루관은 고도로 가지를 치고 암컷 포자체 조직에서 자란다. 먼저 주관이 자란 다음, 끝에 더 구형의 끝부분이 형성되어 정자가 장란기 근처에서 터지도록 한다.^[19] 이핵성, 다편모성 정자는 난자로 헤엄쳐 갈 수 있다.^[14] 소철목은 가지가 덜 분지된 구조를 가지며, 끝부분은 은행나무와 같은 방식으로 부풀어 오른다. 그러나 소철목에서는 꽃가루관에서 성장을 지시하는 다양한 효소가 확인되었으며, 꽃가루관 성장으로 인해 주심 조직이 더 많이 손상된다.^[19]

다른 겉씨식물 문인 구과식물과 마황문에서는 정자가 운동성이 없으며, 꽃가루관이 정자를 난자로 직접 전달하는 화분관수정이라는 과정이 일어난다. 구과식물은 가지를 치거나 치지 않을 수 있으며, 더 많은 조직을 통과하면서 암컷 조직의 퇴화를 유발한다.^[19] 예를 들어, 소나무는 정자의 세포질을 방출하고, 다른 정자가 퇴화함에 따라 한 정자의 결합이 일어난다. 그러나 마황문에서는 초기 형태의 중복 수정을 통해 난자에 도달하는 속씨식물 꽃가루관과 더 유사한 특징이 있다. 그러나 배젖은 형성되지 않고 두 번째 수정은 중단된다.^[14]

속씨식물에서는 꽃가루관이 길고 잘 보호된 난자에 도달하기 위해 매우 빠른 속도로 자라므로 그 메커니즘이 더 광범위하게 연구되었다. 속씨식물 꽃가루관에는 큰 변이가 있으며, 페튜니아, 애기장대, 백합, 담배 식물과 같은 많은 모델 식물에서 종내 변이와 신호 전달 메커니즘이 연구되었다.^[13] 속씨식물에서는 많은 밑씨가 수정되는 다성애 현상이 발생할 수 있으며, 꽃가루관 성장 속도와 관련하여 생물의 전반적인 적합도에 대한 연구는 아직 진행 중이다.^[14][13]

행동

꽃가루관은 식물 세포 행동을 이해하는 데 훌륭한 모델이다.^[20] 이들은 시험관내에서 쉽게 배양되며, 매우 높은 속도로 중합되는 매우 역동적인 세포골격을 가지고 있어 꽃가루관에 흥미로운 기계적 특성을 부여한다.^[21] 꽃가루관은 특이한 종류의 성장을 한다; 그것은 오직 정점에서만 확장된다. 세포벽을 끝부분에서만 확장하는 것은 관과 침투된 조직 사이의 마찰을 최소화한다. 이 끝부분 성장은 꾸준한 방식보다는 맥동 방식으로 수행된다.^[10] 꽃가루관이 암술대를 통과하는 여정은 종종 일부 종에서 깊이 대 지름 비율이 100:1 이상, 최대 1000:1에 이른다. 옥수수에서 이 단일 세포는 암술의 길이를 가로지르기 위해 12 인치 (30 cm)보다 길게 자랄 수 있다. 꽃가루관 성장 역학을 지배하는 내부 메커니즘과 외부 상호작용은 아직 완전히 이해되지 않았다.

액틴 세포골격의 역할

액틴 세포골격은 꽃가루관 성장을 돕는 데 결정적인 것으로 입증되었다.^[22] 공간 분포 측면에서 액틴 필라멘트는 꽃가루관 내에서 세 가지 다른 구조로 배열된다.^[22] 각 고유한 배열 또는 패턴은 꽃가루관의 특징적인 극성 세포 성장을 유지하는 데 기여한다. 첨단 영역(끝을 향한 성장이 일어나는 부위)에서는 액틴 필라멘트가 적지만 매우 역동적이다. 또한, 작은 소포들이 첨단에 축적되어 이 영역이 중요한 소포 표적화 및 융합 사건의 부위임을 나타낸다. 이러한 사건들은 꽃가루관 성장의 속도와 방향을 조절하는 데 필수적이다.^[23] 준첨단 영역에서는 액틴 필라멘트가 고리 모양의 구조로 배열된다. 준첨단에서는 역분수 세포질 유동이 발생한다; 세포질 유동의 방향이 역전되어 간대(shank)를 구성하는 축성 액틴 케이블을 따라 계속된다. 간대 영역은 꽃가루관의 중심 부분을 구성한다. 이 영역에서 액틴 필라멘트는 균일한 극성의 축성 다발로 배열되어 꽃가루관 기부에서 끝으로 다양한 세포 소기관과 소포를 운반하여 전체적인 관 성장을 촉진한다.^[23]

액틴 필라멘트 역학

액틴 세포골격의 공간 분포와 역동성은 모두 액틴 결합 단백질(ABPs)에 의해 조절된다.^[24] 꽃가루관 성장 중 액틴 세포골격에서 발생하는 분포 변화를 실험적으로 관찰하기 위해 녹색 형광 단백질(GFPs)이 사용되었다.^[22] GFP는 식물의 액틴 필라멘트를 비침습적으로 영상화하는 효율적인 수단을 제공한다는 사실 때문에 주로 역동적인 시각화를 위해 선택되었다. 실험에 사용된 다양한 GFP 중에는 GFP-mTalin, LIM-GFP 및 GFP-fimbrin/ABD2-GFP가 있었다.^[25] 그러나 이들 마커는 액틴 필라멘트의 자연적인 구조를 방해하거나 이러한 필라멘트를 불리하게 표지했다. 예를 들어, GFP-mTalin은 과도한 필라멘트 다발화를 유발했고, GFP-fimbrin/ABD2-GFP는 꽃가루관의 첨단 또는 준첨단 영역에 위치한 액틴 필라멘트를 표지하지 않았다.^[25] 이러한 단점을 고려하여, Lifeact-mEGFP는 꽃가루관의 액틴 필라멘트를 위한 주요 마커로 지정되었다; Lifeact-mEGFP는 액틴 필라멘트의 세 가지 배열을 모두 감지할 수 있으며, 액틴 필라멘트의 자연적인 구조에 미치는 영향이 최소화되었다.^[25] Lifeact-mEGFP는 담배, 백합 및 애기장대의 성장하는 꽃가루관에서 액틴 필라멘트의 역학을 연구하는 데 마커로 사용되었다.^[25]

GFP를 이용한 연구를 통해 첨단 영역에 위치한 액틴 필라멘트의 역동적인 상태가 꽃가루관 성장에 필수적임이 확인되었다. GFP-mTalin으로 염색된 액틴 필라멘트의 실험은 첨단에 국한된 액틴 필라멘트가 매우 역동적임을 확인하는 결과를 산출했다.^[26] 이러한 실험은 첨단에 국한된 액틴 필라멘트의 역동성과 준첨단 영역에서 액틴 구조 형성에서의 역할 사이의 연관성을 만들었다.^[26] 더욱이 애기장대 첨단 돔에 위치한 액틴 필라멘트의 실험은 액틴 필라멘트가 꽃가루관의 첨단 막에서 지속적으로 생성됨을 나타낸다; 이러한 액틴 필라멘트의 생성은 포르민에 의해 매개된다. 이러한 발견은 첨단 영역에 위치한 액틴 필라멘트가 매우 역동적이며 소포 표적화 및 융합 사건의 부위라는 이론을 뒷받침하는 증거를 제공했다. 에티올레이트 된 하배축 세포 및 BY-2 부유 세포의 실험은 첨단 막에서 생성된 매우 역동적인 액틴 필라멘트가 필라멘트 절단 및 탈분극 사건에 의해 회전되거나, 첨단에서 첨단 측면으로 이동하여 꽃가루관의 첨단 영역에서 액틴 필라멘트의 축적이 감소할 수 있음을 보여준다.^[24]

간대 영역에 위치한 액틴 필라멘트 역학에 대한 실험 또한 GFP를 사용하여 수행되었다. 발견은 이 영역에서 최대 필라멘트 길이가 유의하게 증가했으며, 절단 빈도는 유의하게 감소했음을 나타냈다. 이러한 발견은 간대 영역에 위치한 액틴 필라멘트가 첨단 및 준첨단 영역에 위치한 액틴 필라멘트에 비해 상대적으로 안정적임을 나타낸다.^[24]

조절

ABPs는 액틴 세포골격의 조직과 역동성을 조절한다.^[24] 앞서 언급했듯이 액틴 필라멘트는 첨단 막에서 지속적으로 합성된다. 이는 막에 고정된 액틴 핵형성 인자의 존재를 나타낸다. 실험을 통해 포르민이 이러한 액틴 핵형성 인자를 대표한다는 이론이 제기되었다. 예를 들어, 포르민 AtFH5는 액틴 필라멘트 핵형성, 특히 꽃가루관의 첨단 막에서 합성되는 액틴 필라멘트의 주요 조절자로 확인되었다. AtFH5의 유전자 녹아웃은 꽃가루관의 첨단 및 준첨단 영역 모두에서 액틴 필라멘트의 양을 감소시켰으며, 이는 AtFH5가 꽃가루관의 첨단 및 준첨단 영역에서 액틴 필라멘트 조립을 핵형성한다는 이론을 뒷받침하는 더 많은 증거를 제공했다.^[24]

클래스 I 포르민 AtFH3는 또 다른 액틴 핵형성 인자이다. AtFH3는 꽃가루관의 간대 영역에 위치한 종단 액틴 케이블의 액틴 필라멘트 조립을 핵형성한다. 더 구체적으로, AtFH3는 액틴/프로필린 복합체를 사용하여 액틴 필라멘트의 끝과 상호작용하여 액틴 필라멘트 핵형성을 시작한다.^[24]

안내

꽃가루관이 수정을 달성하기 위해 세포외 유도 신호에 어떻게 반응하는지 이해하기 위해 광범위한 연구가 이루어졌다.^{[27][20][28][29]} 꽃가루관은 암술을 통과하는 과정에서 화학적, 전기적, 기계적 신호의 조합에 반응한다.^[30][31][32] 그러나 이러한 외부 신호가 어떻게 작동하는지 또는 내부적으로 어떻게 처리되는지는 명확하지 않다. 또한, 어떤 외부 신호에 대한 감각 수용체도 아직 확인되지 않았다. 그럼에도 불구하고, 여러 측면이 이미 꽃가루관 성장 과정에서 핵심적인 것으로 확인되었다. 세포골격의 액틴 필라멘트, 독특한 세포벽, 분비 소포 역학, 그리고 이온의 흐름 등은 모두 중요한 것으로 쉽게 확인되지만, 그 역할이 아직 완전히 밝혀지지 않은 몇 가지 기본적인 특징이다.

DNA 수선

꽃가루관이 성장하는 동안 발생하는 DNA 손상은 남성 유전체 정보가 다음 세대에 온전하게 전달되도록 수선되어야 한다. 키르탄투스 마케니 식물에서, 이세포성 성숙 꽃가루는 생식 세포와 영양 세포를 포함한다.^[33] 정자 세포는 꽃가루관 신장 중 생식 세포의 체세포 분열에 의해 유래한다. 영양 세포는 꽃가루관 발달을 담당한다. DNA에서 발생하는 이중 가닥 파손은 여성 배우체로 운반되는 과정에서 생식 세포에서는 효율적으로 수선되지만, 영양 세포에서는 수선되지 않는 것으로 보인다.^[33]

RMD 액틴 필라멘트 조직은 꽃가루관 성장에 기여한다

개요

수정을 위해서는 꽃가루관에서 빠른 선단 성장이 일어나 수배우자를 밑씨로 전달해야 한다. 꽃가루관은 세 가지 다른 영역으로 구성된다: 성장 영역인 정점, 전환 영역인 준정점, 그리고 특정 세포소기관을 가진 일반적인 식물 세포처럼 기능하는 줄기 영역.^[34][35] 정점 영역은 선단 성장이 일어나는 곳으로, 분비 소포의 융합이 필요하다. 이 소포 내부에는 대부분 펙틴과 호모갈락투로나난(꽃가루관 끝의 세포벽 일부)이 들어있다.^[36] 정점 영역의 펙틴에는 유연성을 제공하는 메틸에스터가 포함되어 있으며, 이후 펙틴 메틸에스터레이스 효소가 메틸에스터 그룹을 제거하여 칼슘이 펙틴 사이에 결합하여 구조적 지지대를 제공한다.^[37] 호모갈락투로나난은 세포벽을 느슨하게 하기 위해 외포작용을 통해 정점 영역에 축적된다. 더 두껍고 부드러운, 낮은 응력 항복을 가진 끝벽이 형성되고, 이는 세포 팽창을 가능하게 하여 선단 성장을 증가시킨다. 선단 성장 중에는 역분수 세포질 유동이 발생하며, 이는 줄기 영역과 준정점 영역 사이에서 세포소기관과 소포를 운반하므로 세포 팽창에 필수적이다.

액틴 세포골격은 꽃가루관 성장에 중요한 요소인데, 꽃가루관의 다른 영역 내에서 극성 세포 성장을 유지하기 위해 액틴 세포골격의 다른 패턴이 존재하기 때문이다. 예를 들어, 줄기 영역에는 역분수 세포질 유동을 조절하기 위한 종방향 액틴 케이블이 있다.^[38] F-액틴은 준정점 영역에서 호모갈락투로나난이 가득 찬 소포의 축적을 제어하여 본질적으로 선단 성장을 매개한다.^[39] 액틴 필라멘트는 꽃가루관이 정점 영역에서 성장하는 동안 정점 막과 세포질 상호작용을 제어한다.^[40] 정점 막의 F-액틴은 꽃가루관 선단 성장에 필수적인 포르민이라는 액틴 결합 단백질을 만든다. 포르민은 선단 성장 세포에서 발현되며 두 개의 하위 그룹(유형 I과 유형 II)으로 나뉜다. 유형 I 포르민은 액틴 구조를 만들고 세포 분열에 참여한다. 반면에 유형 II 포르민은 선단 성장에 필요한 극성 세포의 성장에 기여한다.^[41] 선단 성장은 극도로 극성적인 성장의 한 형태로, 이 극성 과정은 액틴 결합 단백질 매개 액틴 세포골격의 조직화를 필요로 한다. 이 선단 성장에 필요한 필수 단백질은 액틴 조직 단백질이자 유형 II 포르민 단백질인 RMD(Rice Morphology Determinant)이다. RMD는 꽃가루관의 끝에 국한되어 F-액틴 배열의 극성과 조직화를 조절하여 꽃가루관 성장을 제어한다.^[42][43]

RMD는 꽃가루관 성장을 촉진한다

RMD는 꽃가루 발아 및 꽃가루관 성장을 촉진하며, 이는 수많은 실험을 통해 입증되었다. 첫 번째 실험은 rmd-1 돌연변이체(기능성 RMD가 없는 벼 식물)와 야생형 벼 식물(기능성 RMD가 있는)의 암술과 암술머리의 특징을 비교한다. rmd-1 돌연변이체는 야생형보다 꽃밥과 암술이 더 짧았다. 이 실험은 RMD가 꽃가루 발달에 결정적임을 보여주었다. 야생형 벼 식물은 발아율이 증가한 반면, rmd-1 돌연변이체는 발아율이 감소했다. 이는 둘 다 액체 발아 배지에서 발아시켰을 때 관찰되었다. 발아율 테스트 후, 두 식물 간의 꽃가루관 길이와 폭을 비교했다. 야생형 식물의 꽃가루관은 돌연변이체보다 꽃가루관 길이가 더 길었지만, 돌연변이체는 관 폭이 더 넓었다. 돌연변이체 내의 이 더 넓은 꽃가루관 폭은 극성 세포 성장의 감소를 나타내며, 따라서 선단 성장의 감소를 나타낸다. 다음으로, 야생형과 돌연변이체의 꽃가루를 수집하여 야생형과 돌연변이체 간의 수분 활동을 비교했다. 돌연변이체 내에서는 활동이 감소하고 침투가 최소화된 반면, 야생형 내에서는 활동이 증가하고 암술대를 통해 암술 바닥까지 침투가 증가했다. 이러한 관찰은 rmd-1 돌연변이체에서 꽃가루관 성장이 지연되었음을 나타냈다. 또한, 야생형과 돌연변이체 간의 수정률에는 영향이 없었으며, 이는 야생형과 돌연변이체 간의 착과율을 측정하여 테스트되었다. 둘 다 비슷한 착과율을 보였다는 것을 발견했다. 따라서 RMD는 수정에 영향을 미치지 않으며 선단 성장에만 영향을 미친다.^[43]

꽃가루관에서의 RMD 발현

RMD가 식물 전체에서 어디에 특이적으로 발현되는지 알아보기 위해 야생형 식물의 전체 꽃, 영양체, 내영, 꽃꿀선, 암술, 꽃밥 및 성숙한 꽃가루에서 총 RNA 추출이 이루어졌다. RT-qPCR(역전사 정량 PCR)을 사용하여 식물의 각 부분에 RMD 전사체가 다른 양으로 존재한다는 것이 분명했다. 그리고 RT-PCR(역전사 PCR)을 사용하고 UBIQUITIN을 대조군으로 사용하여 RMD가 식물의 각 부분에 어디에 존재하는지 분명히 알 수 있었다. 이 두 가지 방법은 영양체, 암술, 꽃밥 및 성숙한 꽃가루에 RMD 전사체가 풍부하게 존재한다는 것을 입증했다. 이러한 결과를 확인하기 위해 또 다른 방법이 수행되었다. 이 방법은 GUS를 암호화하는 리포터 유전자와 융합된 RMD 프로모터 영역을 가진 형질전환 식물을 사용했다.^[43] 그런 다음 이 형질전환 식물의 조직을 조직화학적 염색하여 암술, 꽃밥 벽 및 성숙한 꽃가루에서 높은 GUS 활성을 보여주었다. 따라서 이러한 결합된 결과는 RMD가 식물의 이들 특정 기관에서 발현된다는 것을 입증했다.

꽃가루관에서 RMD가 특이적으로 발현되는 곳을 연구하기 위해 GUS 신호 검출이 다시 한 번 사용되었다. 먼저, proRMD::GUS 형질전환 식물에서 꽃가루를 수집했고, 이 성숙한 꽃가루에서 강한 GUS 신호가 관찰되었다. 이 꽃가루는 시험관 내에서 발아되었고, 꽃가루관의 선단 성장 내에서 GUS 신호가 관찰되었다. 그러나 이 GUS 신호의 강도는 발아 단계에 따라 달랐다. GUS 신호는 초기 발아 단계에서는 꽃가루관 끝에서 약했지만, 후기 발아 단계에서는 더 강했다. 따라서 이러한 결과는 RMD가 꽃가루 발아 및 꽃가루관 성장에 관여한다는 것을 뒷받침한다.

꽃가루관에서의 RMD 국소화

유형 II 포르민인 RMD는 인산화효소, (PTEN) 유사 도메인(단백질 국소화 담당) 및 FH1과 FH2 도메인(액틴 중합 촉진)으로 구성된다.^[44][45][43] 꽃가루관에서 RMD의 국소화를 밝히기 위해 성장하는 담배 꽃가루관의 일시적 분석이 수행되었고 형광 단백질-GFP가 사용되었다. 특정 조건에서 다양한 꽃가루관의 많은 공초점 이미지가 관찰되었다: pLat52::eGFP(꽃가루 특이적 Lat52 프로모터에 의해 구동되는 단일 eGFP, 이는 대조군 역할을 한다); pLat52::RMD-eGFP(eGFP와 융합된 RMD 단백질); pLat52::PTEN-eGFP(eGFP와 융합된 PTEN 도메인); 및 pLat52::FH1FH2-eGFP(eGFP와 융합된 FH1 및 FH2 도메인). 대조군 이미지와 pLat52::RMD-eGFP 이미지를 비교한 결과, 단일 GFP는 전체 관에 퍼져 있었던 반면, RMD-eGFP는 관의 끝부분에 축적되었다. 따라서 이는 RMD가 꽃가루관의 끝부분에 국소화되어 있음을 보여준다.

PTEN 유사 도메인이 RMD 국소화에 책임이 있는지 알아보기 위해 PTEN 도메인과 융합된 GFP 이미지와 PTEN 도메인이 없는 짧아진 RMD 이미지(pLat52::FH1FH2-eGFP)를 비교했다. PTEN-eGFP 신호는 RMD-eGFP 신호와 마찬가지로 꽃가루관 끝부분에 국소화되어 있었지만, FH1FH2-eGFP 신호는 꽃가루관 전체에 존재했으며 극성 방식으로 국소화되어 있지 않았다. 따라서 이러한 결합된 결과는 PTEN 유사 도메인이 꽃가루관에서 RMD의 끝부분 국소화에 책임이 있음을 입증한다.

RMD는 꽃가루관에서 F-액틴 분포와 극성을 제어한다

RMD가 꽃가루관 내 F-액틴 조직을 제어하는지 확인하기 위해, Alexa Fluor 488-팔로이딘 염색을 사용하여 야생형 및 rmd-1 성숙 꽃가루의 F-액틴 배열을 관찰했다. 야생형 꽃가루의 개구부 주변에는 강하게 묶인 액틴 필라멘트가 존재했지만, rmd-1 꽃가루의 개구부 주변에는 액틴 필라멘트가 축적되지 않았다. 또한, rmd-1 꽃가루 내에는 액틴 필라멘트의 약한 신호와 무작위적인 조직이 있었다. 따라서 이러한 결과는 RMD가 꽃가루 발아를 제어하는 데 필수적임을 뒷받침한다.

통계 분석을 사용하여 형광 강도를 측정하여 꽃가루관 내 액틴 필라멘트 밀도를 관찰했다.^[46] rmd-돌연변이 관의 줄기 영역에서 더 큰 형광 강도가 나타났는데, 이는 이 영역 내에 더 높은 F-액틴 밀도가 있었음을 의미한다. 그러나 야생형 관과 비교했을 때 rmd-돌연변이 관의 끝 영역에서는 더 낮은 F-액틴 밀도가 관찰되었다. 이는 기능성 RMD가 없으면 꽃가루관의 F-액틴 분포 패턴이 변경됨을 보여준다.

액틴 케이블의 극성을 결정하기 위해 액틴 케이블과 꽃가루관의 신장 축 사이의 각도를 측정했다. 야생형 꽃가루관의 줄기 영역에서의 각도는 주로 20° 미만이었지만, rmd-돌연변이 꽃가루관의 각도는 60°보다 컸다. 이러한 결과는 RMD가 극성 끝부분 성장에 필수적이라는 사실을 뒷받침하는데, rmd-돌연변이 꽃가루관(기능성 RMD가 없는)은 폭이 증가하여 끝부분 성장이 감소했기 때문이다. 꽃가루관 내의 극성을 테스트하기 위해 신장하는 꽃가루관의 끝에서 줄기 영역까지의 F-액틴 필라멘트 단일 케이블의 최대 길이도 측정되었다. F-액틴 케이블의 최대 길이는 야생형 관의 것보다 rmd-돌연변이 꽃가루관에서 더 짧았다. 따라서 이러한 결합된 결과는 RMD가 존재할 때만 관 끝 내에서 액틴 케이블의 적절한 조직화와 정상적인 F-액틴 밀도를 달성할 수 있음을 뒷받침한다.

같이 보기

• 식물의 진화
• 속씨식물
• 식물의 자가불화합성
• 화분관수정