식물은 성장에 인이 필요하지만, 많은 토양에서는 인이 고정되어 있어 흡수하기 어렵습니다.

일부 식물은 이를 해결하기 위해 토양으로 천연 화합물을 방출하는 작은 뿌리들의 조밀한 집합인 클러스터 뿌리를 형성합니다. 이러한 화합물은 인을 이용 가능한 형태로 만들어 식물이 이를 흡수할 수 있게 하고, 영양분이 부족한 환경에서도 생존할 수 있게 합니다.

식물이 영양분이 부족한 토양에서 이러한 전략을 어떻게 적용하는지 더 잘 이해하기 위해, 연구자들은 클러스터 뿌리 시스템을 자세히 연구하고 있습니다.

Hirotsuna Yamada 박사는 Hiroshima University 생명 융합 과학 대학원 특임 조교수로서, 클러스터 뿌리에 대한 연구 통찰과 첨단 이미징이 자신의 연구를 어떻게 지원하는지 공유합니다.

Hirotsuna Yamada 박사 소개

호주에서의 연구 경험을 바탕으로, Hirotsuna Yamada 박사는 극한 환경에 적응한 식물의 영양분 흡수 메커니즘을 연구하고 있습니다. 현재 그의 연구는 인 획득에 관여하는 클러스터 뿌리에서의 대사산물과 효소의 분비와 이러한 과정을 조절하는 유전자에 초점을 맞추고 있습니다.

현재 연구의 초점은 무엇입니까?

Yamada 박사: 저의 연구는 식물이 인을 효율적으로 흡수하는 방법을 규명하는 것을 목표로 합니다. 저는 특히 “군집근”라고 알려진 구조에 관심이 있으며, 이는 뿌리의 표면적을 증가시킬 뿐만 아니라 다량의 유기산과 산성 포스파타제를 방출하는 것으로도 알려져 있습니다.

제가 비모델 식물을 다루기 때문에(그림 1 참조) 유전적 조작이 어렵습니다. 대신 조직화학적 염색, 효소 활성 분석, 유전자 발현 분석과 같은 다양한 기법을 결합하여 연구를 진행하고 있습니다.

클러스터 뿌리에 대한 연구에 집중하게 된 이유는 무엇입니까?

Yamada 박사: 클러스터 뿌리는 토양에서 이용 가능성이 낮은 경우가 많은 영양소인 인에 대응하기 위해 식물이 진화시킨 매우 특수화된 적응 형태를 나타냅니다. 이러한 뿌리는 일반적으로 접근할 수 없는 공급원으로부터 인을 가용화하는 능력에서 특히 독특합니다.

가장 흥미로운 점 중 하나는 클러스터 뿌리 형성을 담당하는 핵심 유전자들이 여전히 대부분 규명되지 않았다는 것입니다. 저희 연구는 클러스터 구조를 이루는 작은 뿌리인 개별 소근의 발달에 초점을 맞추고 있으며, 소근 원기 형성을 조절하는 유전자를 규명하기 위해 연구를 진행하고 있습니다.

이 연구는 식물의 영양분 획득 전략에 대한 이해를 심화시킬 뿐만 아니라, 인 자원의 보다 효율적인 이용을 촉진함으로써 농업 및 환경 보전에 응용될 가능성도 가지고 있습니다.

APEXVIEW™ APX100 탁상형 형광 현미경이 연구에 어떻게 기여했습니까?

Yamada 박사: 식물의 영양분 흡수 메커니즘을 연구하는 데에는 식물 재배와 현장 시료 채취부터 원소 분석, 효소 활성 분석, 대사산물 프로파일링, 유전자 발현 분석에 이르기까지 다양한 실험 단계가 포함됩니다. 이 가운데 현미경 관찰은 전체 작업 흐름에서 차지하는 비중이 몇 퍼센트에 불과할 수 있지만, 이를 통해 얻은 이미지는 연구의 신뢰성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

개인적으로 현미경 사용에 능숙해지는 것은 반드시 익혀야 했던 핵심 기술 중 하나였습니다. 저희는 식물학 저널인 New Phytologist에 게재한 연구에서, 뿌리 절편을 ELF97 phosphate(산성 인산 분해 효소)와 Fluorol Yellow 088(수베린용)으로 염색한 뒤 APEXVIEW APX100 현미경을 사용한 형광 이미징을 통해 클러스터 뿌리에서의 산성 인산 분해 효소¹의 활성과 수베린²의 위치를 시각화했습니다(그림 2 참조).

APX100에 대해 인상 깊었던 점은 이미지 품질뿐만 아니라 매끄럽고 직관적인 작업 흐름이었습니다. 이 시스템은 슬라이드에 배열된 여러 샘플의 전체 이미지를 동시에 촬영할 수 있으며, 간편한 조작으로 특정 관심 영역에 빠르게 접근할 수 있습니다. 이러한 기능은 이미지 획득 과정의 효율성을 크게 향상시켰습니다.

형광 이미징(fluorescence imaging)뿐만 아니라, 이 시스템이 식물 조직의 색상과 질감을 얼마나 자연스럽게 재현하는지도 인상적이었습니다. 본 연구에서 클러스터 뿌리의 구조와 해당 수베린 침착 부위를 시각화하는 것은 그 기능을 이해하는 데 핵심적인 역할을 했습니다.

APX100을 사용하여 클러스터 뿌리와 비클러스터 뿌리 영역의 동일한 절편을 형광 모드와 명시야 모드 모두에서 관찰하였습니다(그림 3 참조). 이를 통해 우리는 형광을 이용하여 클러스터 뿌리의 외층에 수베린이 없음을 확인할 수 있었고, 명시야를 통해 리그닌³ 분포와 해부학적 특징을 바탕으로 클러스터 뿌리의 구조적 특성을 식별할 수 있었습니다.

그 결과, 초저인 조건에 적응한 군집 뿌리 식물의 뛰어난 삼출 능력을 뒷받침하는 새로운 분비 경로를 밝혀냈습니다. 특히, 외부 물질에 대한 장벽 역할을 하는 수베린화된 외피층이 없기 때문에, 뿌리 내부 세포층에서 분비되는 삼출물이 주변 토양으로 원활하게 확산될 수 있습니다.

종에 따른 뿌리의 구조적 차이를 세심하게 관찰하는 것은 식물의 기능을 이해하는 데 매우 중요합니다. APX100의 듀얼 카메라 시스템은 형광 이미징을 위한 고감도 모노크롬 카메라와 자연스러운 이미징을 위한 컬러 카메라를 갖추고 있어 두 가지 유형의 이미지를 동시에 촬영할 수 있습니다. 이러한 기능은 식물 연구에 매우 유용합니다.

현미경 검사는 전체 연구 과정의 일부에 불과하지만, 이 부분을 높은 신뢰성과 효율성으로 수행하는 것이 연구의 전반적인 질을 뒷받침하는 데 필수적이라는 것을 깨달았습니다.

이 이미지는 인산염을 용해시키는 역할을 하는 산성 인산 분해 효소의 효소 활성을 보여줍니다.

¹ 산성 인산 분해 효소: 유기 화합물에서 인산염을 가수분해하는 효소. 식물에서는 뿌리에서 분비되어 토양 내 유기 인을 무기 인산염(Pi)으로 전환시켜 인의 흡수를 촉진합니다. 산성 조건에서 그 활성이 향상됩니다.

² 수베린: 식물 뿌리의 관다발 주위에 동심원 모양의 층을 형성하는 소수성 세포벽 구성 요소. 이는 물과 용질의 이동을 조절하고 유해 물질의 침투를 막는 물리적 장벽 역할을 합니다. 일반적으로 내배엽 및 외배엽 세포에서 발견됩니다.

³ 리그닌: 식물 세포벽의 주요 구성 요소로서 구조적 강도를 제공하고 식물 조직을 미생물 및 곤충의 공격으로부터 보호합니다.

향후 연구 목표에 대해 말씀해 주시겠습니까?

Yamada 박사: 앞으로 저는 클러스터 뿌리에서 뿌리 분비가 일어나는 시점부터 실제 인 흡수에 이르기까지의 시간적 동태와 흡수 경로를 규명하는 것을 목표로 하고 있습니다. 또한 클러스터 뿌리 형성을 조절하는 상위 조절 인자를 규명하기 위한 연구도 진행하고 있습니다. 또한 클러스터 뿌리 형성을 조절하는 상위 조절 인자를 규명하기 위한 연구도 진행하고 있습니다.

현미경 검사는 이 연구의 발전에 중심적인 역할을 계속할 것입니다. APX100을 활용하여 넓은 범위의 뿌리 조직을 포착하는 고해상도 스티칭 이미지를 생성하고, 다차원 데이터 세트를 획득할 계획입니다.

궁극적으로 저는 클러스터 뿌리의 인 흡수 메커니즘에 대한 새로운 관점을 밝히고, 이러한 통찰을 인 획득 능력이 향상된 작물 개발에 어떻게 적용할 수 있는지 탐구하고자 합니다.

APX100의 주요 기능 자세히 살펴보기

APX100 현미경은 모든 수준의 연구자들이 뛰어난 이미징을 쉽게 수행할 수 있도록 하는 것으로 알려져 있습니다. Hiroshima University 생명 융합 과학 대학원의 교수진과 인터뷰를 통해 이미징 및 연구 수행에 있어 선호하는 APX100의 기능에 대해 알아보았습니다.

1. 스마트 시료 내비게이터

현미경에 시료를 올리면 스마트 샘플 내비게이터가 바로 매크로 이미지를 캡처하고 AI를 사용해 시료를 자동으로 인식합니다. 이후 연구자들은 원하는 관찰 방법을 선택하기만 하면 됩니다. 이제 매크로 뷰에서 원하는 영역을 직접 선택하여 고해상도 이미지를 쉽게 획득할 수 있습니다.

2. 듀얼 카메라를 탑재한 고성능 시스템

APX100 현미경은 단일 시스템 내에 두 개의 카메라가 통합되어 있습니다: 색 재현성이 우수한 컬러 카메라 및 고해상도·고감도 모노크롬 카메라. 시스템은 목적에 따라 두 카메라를 자동으로 전환합니다.

3. 신뢰할 수 있는 이미지 품질과 데이터 투명성

APX100 현미경은 Hiroshima University의 부교수이자 박사인 Yuki Kobayashi가 소유하고 있습니다. 대학 내 공동 활용을 통해 연구자들은 현재 여러 실험실에 걸쳐 데이터를 효율적으로 획득하고 있습니다.

Kobayashi 박사는 APX100의 이미징 워크플로우가 데이터 품질과 투명성을 어떻게 지원하는지 공유합니다.

"이미지 촬영 후 대비를 조정할 수 있는 워크플로우를 높이 평가합니다." "어떠한 보정도 적용되지 않은 원시 데이터를 그대로 제시할 수 있다는 점은 현미경에 익숙하지 않은 사람들에게도 데이터의 무결성과 투명성에 대한 신뢰를 제공합니다." - Yuki Kobayashi 박사, Hiroshima University 부교수

이 워크플로는 연구 데이터의 신뢰성을 확보하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 논문을 제출하거나 공동 연구를 진행할 때, 연구자들은 원본 데이터를 제시할 수 있어 연구의 재현성과 투명성을 높일 수 있습니다.

감사의 글

이번 인터뷰에 협조해 주신 Hiroshima University 생명 융합 과학 대학원 교수진 여러분께 감사드립니다.

^{면책 조항: 이 인터뷰에서 표현된 의견과 진술은 연구자 개인의 것이며, 반드시 Evident의 공식 입장이나 주장을 반영하는 것은 아닙니다. 언급된 제품과 기술은 연구용으로만 사용되며, 임상 또는 진단 목적으로 설계된 것이 아닙니다.}

참고문헌

Yamada, Hirotsuna, Wasaki Jun 등. 2024. “HalALMT1은 인이 극도로 부족한 토양에서 자연적으로 자라는 Hakea laurina의 성숙한 군집 뿌리 피질에서 말산 유출을 매개합니다.” New Phytologist.