Spatial regulation of phloem differentiation by JULGI in Arabidopsis thaliana

Abstract

MasterPhloem is essential for plant growth and development as a transporting tissue of photosynthate and informational substances. During in the developmental process phloem cells lose most of its subcellular organelles, including nuclei, to increase the efficiency of active transport, but phloem cells remain alive after they have differentiated into sieve elements and companion cells. However, little is known about how phloem differentiation is regulated. JULGI(JUL) has been identified as a protein that regulates in phloem differentiation by interacting directly with its target SMXL5(SUPPRESSOR OF MAX2 1-LIKE5). However, the exact expression and functional site of JULGI as negative regulator is still unknown. In this study, I used phloem-tissue-specific marker promoters and various green fluorescent protein tags to limit subcellular localization, and thereby found that JULGI was translated in companion cells. I also showed that JULGI expressed in sieve elements and companion cell has an affects the growth and stem phenotype of phloem differentiation.식물의 발달 과정 중에는 많은 내부 물질들의 순환과 이동이 필수적이고, 이러한 물질의 순환에 중요한 역할을 하는 것이 식물의 혈관인 관다발 조직이다. 관다발 조직은 크게 뿌리에서부터 흡수된 수분의 이동 통로인 물관, 광합성 산물의 이동 통로인 체관 그리고 세포 분화를 통해 물관과 체관을 구성하는 형성층으로 구성되어있다. 그 중, 특히 체관은 광합성 반응을 통해 생성된 유기 물질의 이동뿐만 아니라 식물 발달 과정에 관여하는 호르몬, 단백질, RNA 및 다양한 이차 대사산물의 이동에도 관여한다. 최근 초기 체관 전구 세포에서 발현하여 체관 분화에 필수적이라고 생각되는 positive regulator인 SUPPRESSOR OF MAX2 1-LIKE 4/5 (SMXL4/5) 전사체의 번역을 JULGI(JUL)가 억제 조절하는 것이 밝혀졌다. JULGI는 RNA binding protein으로써, SMXL5의 5’UTR에 존재하는 Guanine 밀집 sequence에 특이적으로 상호 작용하여, G-qudruplex라는 RNA의 2차구조를 형성하는데 관여해 전사체의 번역을 억제한다. 결과적으로 target RNA의 번역을 억제시키는 negative regulator로써 체관 분화를 조절 하게 된다. 이러한 억제 조절자인 JULGI는 새롭게 생성되는 체관의 분화를 적절히 조절 하기 위해 육상 식물이 최초로 발생되는 시점에서부터 대부분의 유관속 식물(vascular plant)에 보존되어 필수적인 조절 인자로써 작용하는 것으로 생각된다. 따라서, JULGI와 SMXL5는 vascular tissue에서 발현하고, 그 상호작용이 체관 분화에 직접적으로 작용한다. 그러나 관다발 조직에는 다양한 종류의 세포와 다른 발달 단계의 세포들이 인접해서 위치해 있기 때문에 세부적으로 발현 위치를 구분하는 것이 쉽지 않고, JULGI의 정확한 발현 위치 또한 자세히 알려져 있지 않았다. 본 연구에서는 JULGI의 체관 발달 조절 메커니즘을 이해하기위한 필수 정보인 JULGI의 발현 패턴을 알아보고자 형광 단백질 표지를 이용하여 식물체 내에서 발현을 규명하고자 했다. 또한, 정확한 발현 위치 분석을 위해 체관 특이적으로 발현하는 promoter를 이용하여 maker lines을 전개하고, JULGI의 발현 패턴과 비교하였다. 이를 통해, JULGI가 phloem을 포함한 vascular tissue에서 전사되나, 번역은 companion cell에서 특이적으로 일어나는 것을 규명했다. 특히, 뿌리에서 관찰되는 발현 패턴은 transition zone 위쪽 부분, 즉, 체관이 성숙되어 분화된 지점 이후부터 JULGI가 발현하는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해, JULGI가 성숙된 체관에서부터 발현하여, 새로이 분화하는 체관의 조절을 위해 형성층 쪽으로 이동하여 타겟의 발현을 조절하는 것으로 생각된다. 뿐만 아니라, maker promoter와 plasmodesmata를 통해 이동하지 못하는 3xGFP tag을 이용한 companion cell에서의 제한적인 JULGI의 발현이 체관 분화를 심각하게 억제하는 표현형을 보였다. 이는 형성층에서의 직접적인 체관 분화 조절뿐만 아니라 이미 분화된 체관에서 발현되는 인자들이 이동하여 새롭게 생성되는 체관 분화에 관여하고, JULGI가 그 조절에서 필수적인 역할을 한다는 것을 의미한다. JULGI가 성숙된 체관 조직에서 발현하고, 새롭게 분화하는 체관을 억제 조절하는 것은 관다발의 형성층에서 직접적인 체관 분화 조절뿐만 아니라, 발달 된 조직에서의 신호의 발현 및 전달이 중요한 역할을 한다는 가설을 제시한다. 향후 연구를 통해 체관 발달 과정 중에 조직 특이적으로 발현하는 인자들과 JULGI의 상호 작용에 의한 체관 분화 조절 가능성이 실험적으로 증명되어야 할 것이며, 이러한 복잡한 조절 과정 이해를 통해 JULGI를 이용한 식물 자원 이용에도 활용될 수 있을 것이다