한국생명공학연구원 식물시스템공학연구센터 김호수․곽상수 박사 연구팀과 경상대 약학대학 안미정 교수팀이 선행 연구를 통해 개발한 카로티노이드 축적을 유도하는 고구마 Orange(Or) 단백질보다, 그 기능이 월등히 향상된 신규 단백질(IbOr-R96H)을 개발하고 원리를 규명했다.

향후 기후변화와 고령화에 대응하는 카로티노이드 고축적 산업식물에 활용이 기대된다.
 
이번 연구 성과는 김호수․곽상수 박사팀이 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스 내성에 관여하는 Orange 신규 단백질(IbOr-R96H)이 기존의 단백질(IbOr)과 비교하여 카로티노이드 축적과 고온에 대한 내성 기능이 월등히 향상되는 것을 고구마 식물체에서 처음으로 밝힌 것이다.

연구팀은 선행연구에서 고구마 Orange 단백질(IbOr)이 스트레스 조건에서 단백질의 변성을 막아주는 활성이 강하며 스트레스 조건에서 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스에 내성을 갖는 것을 확인하여 논문을 발표 한 바 있다 (Scientific Reports 2016, Frontiers in Plant Science 2017).

연구팀은 고구마 IbOr 유전자를 고구마, 감자, 알팔파(콩과 사료작물)에 도입하여 카로티노이드를 많이 생산하고 건조, 고염분 등 스트레스에도 강함을 확인하였다.  

연구팀은 실험을 통해 IbOr-R96H 신규 단백질을 과발현한 고구마 배양세포에서, 카로티노이드 고축적이 유도되고 스트레스에 내성을 갖는 것이 확인되었다 (Plant Cell Reports 2019).

이번 연구에서 고구마 괴근에서 Orange 단백질(IbOr)은 전체 카로티노이드 함량을 3배 증가를 유도한 반면 신규 개발 단백질(IbOr-R96H)은 19배 이상의 카로티노이드 고축적을 유도함을 알 수 있었다.

특히 베타카로틴 함량은 IbOr-R96H 신규 단백질이 186배 이상이 고축적 됨을 확인하였다.

이러한 카로티노이드 고축적은 하얀색 고구마 괴근 색깔을 주황색 고구마 괴근으로 변화시키는 결과를 얻을 수 있었다.
  
김호수 박사는  “이번에 특성이 규명된 IbOr-R96H 단백질은 모든 식물에 적용 가능하며 카로티노이드계 항산화물질(베타카로틴 등)을 고생산하고 고온, 건조 등 각종 스트레스에 강한 산업식물을 개발하는데 활용할 수 있다” 며, “이번 성과를 통해 식량문제, 보건문제 해결뿐만 아니라 향후 국내외 조건 불리지역(사막화지역, 오염지역 등)에 대량으로 식재하면 바이오매스 증대를 통한 탄소배출권 확보도 기대된다. 또한 고부가가치 고구마 신품종 개발로 활용될 수 있어 국가 식량과 영양안보 뿐만 아니라 농가소득 증진에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다” 고 밝혔다.
 
이번 연구는 저명 학술지 Antioxidants (IF 5.014) 1월 5일자 온라인 판에 게재되었다.(논문명: Overexpression of the Golden SNP-Carrying Orange Gene Enhances Carotenoid Accumulation and Heat Stress Tolerance in Sweetpotato Plants)