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화훼류는 다양한 소비층의 욕구를 충족하기 위해서는 여러 가지 방향으로 품종개발을 해야 한다. 화훼류는 특히 작목도 다양하고 육종방향도 소비 트렌드와 사회적 이슈에 따라서 매 우 달라지기 때문에 굉장히 육종적인 범위가 넓은 분야이다. 육종가에 따라 원하는 목표형질이 다르겠지만, 화색과 향기가 대부분 화훼류에 있어 소비적인 면에서 상당히 영향력이 있고 중요한 역할을 하기 때문에 화색과 향기에 관여하는 주요 성 분과 이들의 생합성 경로, 그리고 형질 발현을 조절하는 여러 유전자에 대한 종합적인 연구 내용에 대한 고찰이 필요하다고 하겠다(Gutterson 1993).

자연적인 돌연변이나 유전적 연관성이 높은 종과 교배를 통 하여 다양한 색깔을 지닌 품종들을 육성해 왔으나, 특정화색 을 원할 시 관용적인 육종방법으로는 교배친으로 사용할 유전 자원이 없을 경우 매우 제한적이고 시간과 노력이 많이 투자 되어야 한다는 단점이 있다. 다양한 화색을 만들어 내기 위해 이온 빔과 감마선을 인공적으로 조사하여 돌연변이 유발을 통 해 같은 종에서 화색을 달리하여 시리즈성의 품종의 만들어내 기도 하고(Sawada et al. 2019), 이 외에도 특정 화색을 발현 시킬 수 있는 유전자 변형(genetically modified; GM)을 적용 하여 최근에 F3'5'H 유전자의 도입을 통해 장미와 카네이션과 같은 다양한 꽃에서 델피니딘을 생성하여 자주색을 띠도록 변 형시킬 수 있게 되었다(Noda 2018).

향기는 방향성 식물의 휘발성 기름 성분인 정유 성분에 의 해 형성된다. 방향성 성분은 식물의 번식과정에서의 식물체의 수분 매개자의 역할로 곤충을 유인하기 위해 향기를 뿜어내어 교배시기의 신호를 보내는 역할도 하기 때문에 향기의 조절에 영향을 주는 것이 무엇인지에 대한 필요성이 증가하고 있다. 향기의 경우도 최근 관련성분 생산에 중요한 역할을 한다고 알려진 V-myb myeloblastosis viral oncogene homolog(MYB) 단백질 전사요인을 조절하여 생합성을 촉진하는 등의 다양 한 유전공학적인 방법을 고안해내고 있다(Ramya et al. 2017;Spitzer-Rimon et al. 2010).

본 논문에서는 현재까지 화색과 향기에 대한 대사공학적인 선행 연구사례가 많이 알려져 있지만 실질적으로 실용화되지 못하고 있는 경우가 많기 때문에 전략적으로 활용할 수 있는 방법을 고찰하고, 화훼작물의 화색 변형과 향기 조절에 관여 하는 대사경로를 전반적으로 서술하여 이와 관련된 메카니즘 과 조절하는 방법에 대해 알아보고자 하였다.

화훼류의 화색 및 향기 조절 연구 동향

화훼류의 화색 조절 가능성에 대해 실험적인 증거로 보고 된 것은 생합성 경로의 연구를 기반으로 페튜니아에 옥수수의 Dihydroflavonol 4-reducatase(DFR) 유전자를 도입하여 화색 이 적색으로 변한다는 연구 결과였다(Mayer et al. 1987). 이 러한 연구기반을 토대로 1997년 호주 Florigene사에서 카네이 션 화색변이 품종과 2009년 일본 SUNTORY사에서 파란색 장 미 형질전환 품종의 개발을 통해 상용화에 성공하는 등 이후 에도 장미와 카네이션의 다양한 화색을 만들기 위한 시도들이 있었다. 꽃의 가치에 대한 평가요소 중 화색뿐만 아니라 향기 또한 중요한 요소로써 많은 연구가 진행되어져 왔다. 화훼류 의 향기에 대한 연구는 현재까지 방향성 물질과 관련하여 매 우 광범위하게 진행되었고 이와 관련한 품종 또한 다양하다. 초기 향기에 대한 연구는 화훼류의 수분 매개체로서의 역할을 구명하는 연구가 대부분이다. 한 예로는 페튜니아를 가지고 수분 매개체의 역할로써 품종 간의 방향성을 나타내는 시기에 2가지의 유전자 중 하나는 Shikimate를 통한 유동성을 제어하 여 벤제노이드 생합성을 조절하는 MYB TF ODO1경로를 따 르는 것을 이용하고 하나는 그렇지 않은 것을 비교하였다. 실 제로 자연 교배 육종에 있어 향기의 성분이 그것을 좌우한다 는 결론이 나왔다는 보고가 있다(Klahre et al. 2011). 향기에 대한 연구는 이러한 유인제 역할에 대한 연구가 많이 진행되 어 왔고, 현재는 이에 대한 방향성 성분에서 정유 물질을 채취 하여 산업적으로 응용하고자 하고 있다.

화훼 작물의 주요 화색 성분 및 발현 조절

화훼류의 주요 화색 색소 성분

식물의 화색을 나타내도록 하는 성분들은 굉장히 다양하지만, 주로 플라보노이드(Flavonoid), 카로티노이드(Carotenoid), 베타 레인(Betalain) 등이 관여하고 있다고 알려져 있다(Grotewold 2006). 플라보노이드는 수용성 물질이며, 화색의 넓은 영역을 다루기 때문에 화색 발현에 있어서 중요한 물질로써 작용한 다. 카로티노이드는 지용성 물질이며, 주로 노란색 계열의 화 색에 관여하지만 안토시아닌 색소와 함께 국화 또는 장미에서 청동색 또는 갈색, 그리고 적색 또는 주황색에서 조화를 이루 며 각각 다른 화색을 나타내기도 한다(Forkmann 1991). 베타 레인의 경우는 적색, 보라색, 노란색, 주황색, 상아색 등으로 발현될 수 있는 성분이다.

플라보노이드 색소 성분의 생합성 경로

대부분 꽃, 열매, 종자의 색을 나타내는 성분은 플라보노이드인데, 이것을 통해서 황색에서부터 적색, 청색 등 풍부한 화색을 생성시킬 수 있다. 이것은 식물 특이적인 이차 대사산물인 리그닌(lignin), 스틸베노이드(stilbenoids), 쿠마린(coumarins)과 파이토알렉신 (phytoalexins)을 합성하는 페닐프로파노이드(phenylpropanoid) 생합성 경로로부터 합성된다. 전형적인 플라보노이드 생합성 경로는 Fig. 1에 나타내었다. 플라보노이드 종류는 크게 찰콘 (chalcone), 플라본(flavones), 플라보놀(flavonols), 플라바논 (flavanones), 디하이드로프라보놀(dihydroflavonols), 안토시아 닌(anthocyanins) 등이 있다.

찰콘(chalcone)은 방향족 케톤(ketone)이며, Chalcone synthase 에 의해 한 개의 coumaroyl-CoA와 세 개의 malonyl CoA를 아세테이 트 단위를 순차적으로 축합되어 4,2’,4’,6’-tetrahydroxy chalcone을 형성하게 된다. Chalcone synthase(CHS)는 플라보노이드 생합성 에서 스타터CoA로써 중요한 역할을 한다. 플라바논(flavanones) 은 나린제닌(Naringenin)을 기질로 Chalcone isomerase(CHI) 효 소를 이용하여 생성되는데 이것이 여러 단계를 거쳐서 플라본 (flavones), 플라보놀(flavonol), 안토시아닌(anthocyanine)으로 합성된다. 플라본(flavones)은 플라바논(flavanones)을 기질로 하고 플라보놀(flavonol)은 플라바논(flavanones)과 디하이드로 플라보놀(dihydro-flavonol)을 기질로 하여 flavone synthase(FNS) 와 flavonol synthase(FLS) 효소작용을 통해서 생성된다(Fig. 1). 플라본(flavones)과 플라보놀(flavonol)은 식물 색소 중 옅은 황색 이나 무색을 나타내는 데 영향을 준다.

안토시아닌 아글리콘(aglycon; 배당체)인 펠라고니딘(pelargonidin), 시아니딘(cyanidin), 델피니딘(delphinidin)이 합성되어 적색에 서부터 청색까지 다양한 화색을 나타내도록 해준다. 펠라고니딘 은 안토시아닌 B-ring에서 1개의 가수화가 된 것이고, 시아니딘은 B-ring에서 2개의 가수화가 된 것이며, 델피니딘은 B-ring에서 3개의 가수화가 된 것이다. 주로 펠라고니딘 계열은 오렌지색 또는 적색을 나타내고, 시아니딘계열은 적색과 자홍색을 나타내 며, 델피니딘 계열은 자주색이나 청색을 나타낸다고 알려져 있다 (Winker-Shirley 2001; Winker-Shirley 2006).

플라보노이드 생합성 경로의 대사작용을 통한 화색 조절

플라보노이드 대사 경로를 조절해서 화색을 조절하기 위한 방법에 대한 다양한 연구 결과가 보고된 바 있다. 플라보노이 드 생합성 경로의 주요 유전자 발현을 억제시켜 화색을 조절 하는 방법으로 거베라에 안티센스 cDNA의 도입으로 안토시 아닌 합성을 차단시켜 일부 형질전환체에서 화색을 극적으로 변화시켰던 것이다(Elomaa et al. 1993). 최근에는 시클라멘 꽃 조직에서 F3'5'H(CpF3'5'H)로 추정되는 cDNA의 전체를 분 리하여 시클라멘에 안티센스 CpF3'5'H을 보유한 아그로박테 리움을 통해 형질전환 시킨 결과 내생 된 정도에 따라 유전자 도입 계통의 꽃은 변형된 색을 보였으며, 이는 F3'5'H 유전자 의 손실과 양의 상관관계가 있었고 변형된 색은 자주색에서 적색, 분홍색의 화색을 나타냈다Boase et al. 2010). 이와 반 대로 특정 유전자를 과발현 시켜서 화색을 조절하는 방법을 이용하여 페튜니아에 CHS를 과발현시켜 청색을 좀 더 연한색 으로 화색 변형시켰고 적색 장미에 델피니딘 성분이 많이 축 적된 품종에서 F3’5’H유전자를 발현시켜 청색 장미를 만들어 냈다(Hanumappa et al. 2007;Katsumoto et al. 2007).

특이 화색 청색 꽃을 만드는 방법

청색 꽃은 주로 플라보노이드의 안토시아닌 계통에 의해 형 성되는데, 안토시아닌은 주로 적색이나 보라색 색소를 만들어 낸다. 그런데 이것은 굉장히 불안정한 상태이기 때문에 식물 의 색소 중에서 특히 청색을 발현시키는 것은 일반적인 육종 방법으로 다루기는 어려운 부분이다. 청색 색소 생성과 관련 한 방법으로는 유전자 형질전환과 안토시아닌 계통의 생합성 경로 조절을 통해 화색을 변경하는 방법을 이용한다고 알려져 있다.

카네이션의 경우 청색 화색이 소개되기 이전에 바이올렛 화 색에서 시작되었는데, 이것은 바이올렛 화색을 가진 카네이션 인 ‘Mooncarnation’이 페튜니아의 유전자 중 F3’5’H(Flavonoid 3'5' hydroxylase)와 DFR(Dihydroflavonol 4-reductase)를 백색 의 DFR 돌연변이 카네이션 꽃에 도입하면서 가능해졌고, ‘Viola’ 에서 F3’5’H는 ‘Mooncarnation’에 도입되었다. Co-pigmentation을 통해서 바이올렛 화색이 발현되었고 co-pigments로써 C-glycosyl flavones를 사용하여 ‘Mooncarnation’의 화색을 더욱 청색에 가깝게 만들었다(Fukui et al. 2003).

장미의 경우는 기본적으로 플라보노이드 성분을 많이 가지 고 있고 상대적으로 높은 pH를 가지고 있어 청색 화색을 발 현시키기 좋은 작물이고 다양한 F3’5’H 유전자 중에서도 팬지 의 것을 장미에 도입시키는 유전자 공학적인 기술을 이용하여 청색 장미를 만들어냈다(Katsumoto et al. 2007).

이것은 안토시아닌 계열의 델피니딘 생합성 경로를 조절하는 주요 효소 중 F3’5’H를 과발현시키는 위와 같은 원리는 실상은 청색의 화색이라기보다는 바이올렛이나 진한 자주색에 가까운 색소를 발현시키는 원리인데, 진정한 청색 화색을 형성시키기 위해서는 폴리아실레이트화 된 안토시아닌과 금속 복합물이 대 사공학적으로 도입되어야 할 것으로 보인다(Noda et al. 2018). 최근에 Noda et al. 2018는 국화에서 청색 색소를 발현시키는 기술을 개발했는데 분홍색의 국화 꽃에 일종의 나비콩속의 ‘Butterfly pea’ 꽃에서 나온 uridine diphosphate(UDP)-glucose: anthocyanin 3′,5′-O-glucosyltransferase 유전자를 도입하여 청 색 국화를 만들어 냈다.

이러한 생합성 경로 조절 또는 대사공학적인 조절을 통해 청색 색소를 발현시키는 기술은 지속적으로 연구되어왔고 이 와 더불어 중요하게 집고 넘어가야 할 부분이 있다. 그것은 환경적인 조절이 필요하다는 것이다. 앞서 언급된 안토시아 닌의 델피니딘 생합성 효소를 조절하는 F3’5’H 유전자는 시토 크롬 P450 효소의 아과인 CYP75A 또는 CYP75B에 속하고 F3’5’H 유전자를 암호화하는 cDNA들은 처음으로 페튜니아 (Holton et al. 1993)에서 분리하였고, 이것을 장미나 국화에 적용하면 청색의 화색을 가지게 될 것이라고 예측하였다. 그 러나 델피니딘 성분의 생성만으로는 균일하고 일정하게 청색 을 나타내지 않았고 때로는 적색이나 자주색을 띄는 경우도 발생하였다. 이러한 결과로 발견한 것이 꽃잎 속 액포의 pH 의 조절이 화색 조절에 영향을 준다는 것이었다. 이것은 꽃잎 의 액포 조건을 pH 3~4 정도로 떨어지게 되면 오히려 적색을 나타낼 수 있고, pH 조건을 조금 더 높여 pH 4~5 정도로 조 절하면 청색에 근접한 화색을 만들어낼 수 있다는 결과였다 (Yoshida et al. 2003).

흑색 꽃도 만들 수 있을 것인가?

다양한 화색을 개발하는 것이 중요해지고 있고 그 중에서도 특히 페튜니아와 다알리아 등의 몇몇 흑색 품종이 개발되면서 이에 대한 관심이 증가하고 있지만, 이와 관련된 메카니즘에 대한 연구는 명확하지 않은 상태이다.

흑색 꽃은 최초로 팬지 야생형 품종인 Viola tricolor와 Lisianthius nigrescens에서 발견되었다(Clausen 1930;Markham et al. 2004). 이후에도 흑색을 가진 화훼류에 대한 연구가 진행되었 고 다알리아 품종에서도 흑색의 화색을 나타내는 것을 발견하 였다. 안토시아닌 계열의 시아니딘 성분이 크게 축척 되면서 흑색을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 이것은 흑색 다알리아는 플 라본 합성효소 II(DvFNS)의 발현이 특정 메신저 RNA(mRNA) 를 분해하여 유전자 발현이 감소하는 전사 후 유전자 침묵 (PTGS, post-transcriptional gene silencing)이 되면서 플라본 의 생합성이 감소되는 반면에 안토시아니딘 계통의 시아니딘 성분의 집적의 정도를 높여주는 방식으로 흑색 색소가 발현되 도록 한다고 보고되었다. ‘Kokucho’ 품종은 흑색의 화색을 띠 는데 이것으로부터 자주색이 발현될 수 있다. 자주색 화색은 돌연변이에 의한 것이 아닌 tobacco streak virus(TSVdahlia)에 감염으로 DvFNS의 PTGS의 활성을 높여줌으로써 발현된다. 그 래서 자주색을 띄는 ‘Kokucho’ 품종에서 TSVdahlia가 제거되면 흑색의 화색을 띨 수가 있다(Deguchi et al. 2015).

카로티노이드 생합성 경로

플라보노이드 물질은 화훼 식물의 생존에 필수요건이 아니 며, 대사경로 조절을 통한 변경이 상대적으로 수월한 것으로 알려져 있다. 그래서 가장 많은 연구가 진행되어져 있기도 하 지만, 그에 비해 카로티노이드와 베타레인의 경우는 식물에게 매우 중요한 성분임에도 불구하고, 카로티노이드의 생합성 대 사경로를 조절하여 화색변경이 된 것은 몇 가지 예만 있고, 베 타라인의 경우에는 보고된 바가 거의 없다.

카로티노이드는 엽록체에서 식물 광합성에 중요한 기능을 수행하는 식물 색소이며, 앱시스산(abscisic acid), 스트리고락 톤(strigolactone), 지베렐린(gibberellins)과 같은 식물호르몬 합성의 전구체로써 이들의 유전자 조작은 상대적으로 어렵다 (Grotewold 2006; Umehara et al. 2008).

식물에서 카로티노이드의 주요 생합성은 모든 테르페노이드 물질 의 기본 단위인 이소프렌(isoprene:C5) 구조를 가지는 isopentenyl pyrophosphate(IPP)와 dimethylallyl pyrophosphate(DMAPP) 물질의 응집에서부터 시작되고, methylerythritol phosphate(MEP) 경로에서 생성된다(Rodríguez-Concepción 2010). 이것은 IPP와 DMAPP가 acetyl-CoA을 시작으로 3-hydroxy-3- methylglutaryl-CoA reductase(HMGR)가 주효소로 관여하는 MVA 경로가 아니라, pyruvate와 glyceraldehyde- 3-phosphate(GAP)로부터 1-deoxy- D-xylulose 5-phosphate(DXP)의 과정을 거치는 MEP 경로를 통해 주로 공급된다(Fig. 2;Eisenreich et al. 2001).

우선 DOXP synthase(DXS)에 의해 pyruvate와 GAP의 중합반 응으로 형성된 DOXP가 DOXP reductoisomerase(DXR, IspC) 에 의한 환원반응이 나타나고 2-C-methyl-d-erythritol 4-phosphate (MEP)라는 branched-chain polyol 구조로 재정렬 되면 CDP-ME synthase(CMS, IspD), CDP-ME kinase(CMK, IspE), ME-2,4cPP synthase(MCS, IspF) 3종류의 연속적인 효소반응에 의해 nucleotide diphosphate intermediate를 거쳐 cyclic 2,4-diphosphate 구 조로 전환된다. 그 이후 HMBPP synthase(HDS, IspG)에 의한 ring opening, HMBPP reductase(HDR, IspH)에 의한 환원반 응에 의해 IPP가 형성되는데, 이는 IPP isomerase(IPI) 효소 활성에 의해 DMAPP와 상호 전환되면서 IPP와 DMAPP가 합 성된다(Rodriguez-Concepcion and Boronat 2002;Rohdich et al. 2003). 1분자의 DMAPP에 3분자의 IPP를 연속적으로 첨가 시키는 geranylgeranyl pyrophosphate synthase(GGPS) 촉매 반응이 일어나면 geranylgeranyl pyrophosphate(C20, GGPP) 가 만들어지고 최종적으로 이것이 카로티노이드 합성의 물질 로써 사용된다(Misawa et al. 1994).

다양한 화훼류의 카로티노이드 합성 대사 조절 기작

카로티노이드 생합성 경로 대사를 조절하는 특정 유전자가 이와 관련한 발현 기작을 통해서 황색 색소 생성에 관여한다. 한 연구에서 페튜니아를 이용하여 백색과 황색의 화관에서 카 로티노이드 생합성을 조절하는 물질이 무엇인지를 확인하였 다. 가장 눈에 띄는 결과는 황색 화관에서 carotenoid cleavage dioxygenase 4a(CCD4a) 전사체의 결핍으로 인한 변화였다. 백색 품종에 비해 옅은 황색의 품종의 CCD4a 유전적인 염기 서열에서의 어떤 특정 프로모터 영역 및 코딩 영역의 삽입으 로 인한 차이가 발견되었고, 이것은 CCD4a 전사체의 결핍이 주된 이유라고 판단되었다. 이 결과로 옅은 황색을 띠는 화관 은 백색에 비해 카로티노이드 생합성 활성은 높게 보인 반면 이화작용은 낮은 활성을 나타냄을 알 수 있다(Kishimoto et al. 2018).

이외에도 다양한 화훼류에서도 유전적인 조절을 통해 카로 티노이드계열의 색소를 합성시킬 수 있다. 국화과 꽃에 속하 는 메리골드의 경우 꽃잎에 존재하는 루테인(luteine) 성분의 생산이 상업적인 이용가치가 매우 크기 때문에 카로티노이드 색소의 조절이 매우 중요하다. 백색 꽃과 황색 꽃의 카로티노 이드 함량이 대략 100배이상 차이가 나고(Moehs et al. 2001;Scott et al. 1968), 이것은 이와 관련된 유전자인 PSY, PDS, LYCB, LYCE, BCH가 클로닝한 후에 DXS, IPI, GGPS 촉매제 관련 유전자를 클로닝하고 색소체 분할과 복제와 관련된 2개 의 유전자인 MinD와 FtsZ도 클로닝하였다(Moehs et al. 2001). 백색에서 진한 황색에 이르기까지 꽃 종류별 유전자 발현과 카로티노이드 함량의 상관관계를 관찰해본 결과 PSY mRNA 의 정도와 가장 명확한 상관관계를 볼 수 있었다. 또한, 진한 화색을 지닌 화훼류 품종에서 루테인 생합성 경로에 관여하는 LYCE의 mRNA는 강하게 발현되는 반면에 LYCB의 mRNA는 크게 발현되지 않았다. 이것은 메리골드의 카로티노이드 형성 이 전사수준에서 조절되고 있음을 알 수 있다. 그러나 PSY mRNA의 정도와 카로티노이드 함량의 상관관계의 정도가 없 음을 나타내는 연구결과가 나왔다. 진한 황색 화색을 가진 ‘Crackerjack’ 품종보다 연한 황색의 화색을 가진 ‘Alcosa’ 품종 이 PSY의 더 높은 전사수준을 유도한 것으로 나타났지만 ‘Crackerjack’ 품종 보다 더 많은 루테인을 축적하지는 않았다. LYBC의 mRNA가 ‘Alcose’ 품종과 ‘Crackerjack’ 품종에서는 높 게 발현되는 반면 백색의 화색을 나타내는 ‘Snowdrift’ 품종에 서는 거의 발현되지 않았다(Del Villar-Martinez et al. 2005).

Japanese morning glory(Ipomoea nil) 중에는 카로티노이 드가 축적되지 않는다. Yamamizo et al.(2010)은 조기 개화 하는 동안 모든 종들은 꽃잎에 루테인, 비올라잔틴 그리고 베 타-카로틴 성분을 축적시키고 카로티노이드 성분은 잎에다 축적시킨다. 그러나 황색 꽃의 경우는 후기 발단 단계에서 크 로모플라스트형 카로티노이드의 축적으로 교체되고 이것은 또한 메리골드와 유스토마에서도 보이는 것과 마찬가지로 에 스터화된 베타-크립토잔틴과 제아잔틴을 포함시킨다. 효소를 인코딩하는 유전자는 아이소프레노이드와 카로티노이드 생합 성 그리고 카로티노이드와 관련되고 카로티노이드 분열과 관 련되는 ccd1과 ccd4 유전자를 미성숙 된 꽃잎으로부터 추출 되었다. 이와 같은 많은 유전자들이 황색에 비해 백색에서 낮 은 정도로 나타났지만(특히 BCH), CCD1과 CCD4의 발현도 는 꽃잎에서 카로티노이드 성분 정도와 비상관적인 관계를 나타냈다. 이것은 백색 꽃의 경우는 카로티노이드 유전자 전 사의 조절을 떨어뜨려 크로모플라스트형 카로티노이드의 합 성 능력이 결핍되었기 때문이라고 보고되었다(Yamamizo et al. 2010).

나리 품종에서도 아시아틱 교잡종은 적색에서부터 황색, 분 홍색과 백색에 이르기까지 화색 범위가 다양한데 황색 품종에 서 카로티노이드 성분의 증가는 PSY, PDS, ZDS, CRTISO, BCH mRNA 유전자의 유도와 관련이 있으나, LYCB 유전자의 발현은 변함이 없고, LYCE 유전자의 발현은 감소한다. 이것은 전사 수준의 조절이 메카니즘 조절에 있어 우위성을 나타낸다 는 것을 알 수 있다(Deli et al. 1998;Yamagishi et al. 2010). 이와 같은 양상은 대사 조절 유전자의 발현이 적색과 백색의 꽃에서도 유사하게 보여졌고, 이는 곧 백색의 카로티노이드 결핍은 카로티노이드 성분의 축적을 억제시키는 절단 기작에 의한 것이라고 판단되었다. 즉, CCD 유전자의 발현과 관련이 있을 것이라고 예상된다(Yamagishi et al. 2010).

베타레인 생합성 경로

베타레인은 안토시아닌이나 카로티노이드 성분에 대한 연 구보다 미진한 상태이다. 이것은 석죽목(Caryophyllales)의 특 정 식물종에서 화색이나 과색을 발현시킬 때 안토시아닌 성분 을 대체하는 경우도 있는데 이것은 매우 한정적이다. 석죽과 (Caryophyllaceae)와 석류풀과(Molluginaceae)는 안토시아닌 은 생성하지만 베타레인은 생성시키지 않았다. 석죽목은 안토 시아닌과 베타레인 모두를 생성하는 것에 비하면 하나의 합성 경로를 잃어버린 셈이다(Strack et al. 2003). 이와 같이 두 가 지의 성분을 모두 만들어 내는 것은 일반적인 것이 아니다. 흔히, 베타레인 색소를 가진 식물은 비트, ‘Christmas cactus’의 꽃잎 그리고 ‘Bougainvillea’의 옅은 색깔의 bracts가 있다.

베타레인은 수용성이고 티로신(tyrosine)으로부터 합성되는 색소 성분이며, 2개의 주요색소 그룹으로 나뉜다. 베타레인은 크게 적색과 자주색을 띠게 하는 베타시아닌류와 황색을 띠게 하는 베타잔틴류로 나뉘어진다(Fig. 3). 베타시아닌은 한분자 의 cyclo-DOPA와 연결된 betalamic acid 단위체에 의해 만들 어지고(Wyler and Dreiding 1961), 베타잔틴류는 betalamic acid의 알데하이드 그룹을 가진 아미노산 또는 아민의 응축에 의해 형성되고 이것이 시프염기를 형성한다. 이 두 가지 성분 은 다양한 경로를 통해 만들어질 수 있는데, glycosylation과 같은 접합작용 또는 acylation작용이 가장 흔한 방식이다.

베타레인 조절을 위한 대사 기작

적색비트 베타레인이 합성되는 동안 효소 CYP76AD1의 촉매 작용으로 l-dihydroxy-phenylalanine(DOPA)을 cyclo-DOPA으 로 전환된다. 이러한 작용이 분꽃의 RNA sequencing(RNA-seq) 분석에 의하면 CYP76D3가 그 촉매작용을 하는 효소로써의 역할 한다는 것을 알 수 있었다.

적색의 화색을 가진 분꽃에서 이 CYP76AD3 유전자가 1개 의 인트론과 2개의 엑손을 가진다는 것을 보여주고 있다. 그 러나 황색에 적색이 얼룩덜룩하게 덮인 화색으로 발현된 돌연 변이체에서 전이성 유전인자인 dTmj1는 인트론으로부터 절제 되어왔다. 이것은 betalain 합성을 위한 효소를 암호화하는 유 전자에 영향을 미치는 전좌 현상이 다양한 꽃 표현형을 초래 할 수 있다는 최초의 연구 결과이다(Suzuki et al. 2014).

화훼 작물의 주요 향기 성분 및 생성 조절

화훼류의 주요 방향성 성분

향기를 띄는 성분은 꽃뿐만 아니라 식물의 뿌리, 줄기, 잎, 열매 등 모든 기관에서 방향성 물질을 생합성 할 수 있다. 식 물의 방향성 물질 발생의 주요 목적은 수분매개체와 방어의 역할로써 작용하는 것이다. 화훼류에서 언급되는 방향성 물질 은 주로 3가지(terpenoid, phenylpropanoid/benzenoid, fatty acid)로 분류된다(Dudareva et al. 2004;Pichersky et al. 2006).

테르페노이드

테르페노이드는 테르펜류라고도 하며 식물의 방향성 성분 중에서 가장 다양하게 이용되는 유기 화합물 중 하나이다. 이 것은 대략 556개의 종류가 있고 흔히 2개의 5탄당이 상호 호 환되어 형성된다. 고등식물은 병원균, 물리적 영향, 해충의 가 해 등으로부터 자신을 보호 혹은 예방하기 위하여 다양한 2차 대사산물을 생성하는데 그 중에서 최근에 널리 알려진 물질이 테르페노이드(terpenoids)이다. 일반적으로 귀중한 식물의 화 학물질이란 2차 대사산물이고, 2차 대사산물이란 1차 대사를 거쳐 생산되며 식물의 생존에 필수적 구성성분이 아닌 물질을 의미한다.

테르페노이드는 일반적으로 2가지의 상호 전환이 가능한 5탄당 전구물질인 IPP와 이것의 이성체인 DMAPP(DiMethyl AllyldiPhos-Phate)에서 유래되어 생합성 된다(McGarvey and Croteau 1995). 식물체에서 이러한 5탄당 전구물질들은 2개의 독립적인 경로를 통해 합성되는데, 메발론산 경로인 MVA 경 로와 비메발론산 경로인 MEP 경로로 나뉘어진다. 이것이 식 물체의 다양한 품종과 또는 특정 기관의 테르페노이드 합성에 기여한다(Vranova et al. 2013).

MEP경로는 색소체에서 작용하고 전체 화훼류의 테르페노 이드에서 모노테르펜은 약53% 그리고 디테르펜은 약 1% 정 도의 방향성 물질을 형성시키는 역할을 한다(Knudsen et al. 2006). 반면에 MVA 경로는 세포질, 소포체 그리고 퍼옥시솜 에서 작용하는데 전체 화훼 테르페노이드의 약 28% 정도가 세스퀴테르펜 방향성 물질 형성을 야기시킨다. 구분되어 나누 어지는 동안에, 이러한 아이소프레노이드 생합성 경로는 수송 기작을 통한 대사적 교차작용을 통해 연결된다(Brick and Lange 2003; Flugge and Gao 2005). 이러한 작용은 MEP경로 가 MVA 경로보다 탄소 유동을 더욱 높게 하며, 꽃에서 구명 된 것처럼 cytosol에서 생합성 되어 테르페노이드를 형성시킬 수 있도록 해준다(Dudareva et al. 2005;Laule et al. 2003;Ward et al. 2011). ‘Snapdragon’ 꽃에서도 MEP경로만이 세스 퀴테르펜 생합성 작용을 도와준다(Dudareva et al. 2005)

방향성 테르페노이드 관련한 MVA경로는 3개의 acetyl-CoA 분자의 6개의 효소작용의 단계적인 축합 반응에서 시작한다. 반 면에 MEP경로는 7개의 효소작용이 관여하는 D-gylceraldehyde 3-phosphate와pyruvate의 축합 반응에서 시작한다. MVA 경 로에서의 방향성 테르페노이드는 phenyl diphosphate전구물 질로부터 합성되는데 이것은 phenyltrans-perases의 작용으로 2분자의 IPP와 1분자의 DMAPP의 축합반응에 의해 이루어진 다. 그리고 세포질에서 farnesyl diphosphate(FPP) synthase에 의해 FPP를 형성한다. 이것은 세스퀴테프렌을 만드는 전구물 질이다(Fig. 4;McGarvey and Croteau 1995). MEP 경로에서 는 geranyl pyrophosphate(GPP) synthase로 1분자의 IPP와 1 분자의 DMAPP가 축합되어 머리-꼬리가 나열적으로 배열되면 GPP를 형성한다. 이것은 모노테르펜의 전구물질이다. 이러한 효소들은 Snap dragon, Clarkia breweri에서 발견하였고(Toll et al. 2004), 모노테프펜과 관련이 있다. 그리고 GGDP은 디 테르펜가 카로티노이드 전구물질로써 작용한다. FPP와 GPP 는 전사인자에 대한 대체물로써 작용하기도 하고 이것은 식물 이 광범위한 방향성 테르페노이드 복합물을 생산할 수 있는 역할을 한다. 이러한 생합성과정으로 합성된 방향성 테르페노 이드는 환경요인에 의해 영향을 받을 수도 있다. 그렇기 때문 에 적합한 환경조건 구명에 관하여 심도 있는 연구가 수행될 필요성도 요구되고 있다.

페닐프로파노이드/벤제노이드

페닐프로파노이드와 벤제노이드도 대표적인 식물 방향성 성분 중 하나이다(Knudsen et al. 2006). 이 성분은 aromatic amino acid phenylalanine(Phe)로부터 파생된 것이다. 벤제노 이드와 페닐프로파노이드 생합성의 첫 번째 단계는 이미 잘 알려진 효소로부터 촉매된다. 그것은 phenylalanine anmonialyase( PAL)이라는 효소이며 이것은 Phe를 탈아미노화하여 trans-cinnamic acid(CA)로 만든다. 그리고 Phe 활용성을 위 해서 phenylacet-aldehyde synthase와 우열을 다툰다. CA로부 터 생성된 벤제노이드는 2탄당 단위체의 propyl 측면 체인을 짧아지게 하는 것과 관련이 있고 β-oxidative 경로, non-β -oxidative 경로 또는 두 개의 조합을 경유하는 과정이 존재한 다(Boatright et al. 2004;Orlova et al. 2006).

β-oxidative 경로는 페튜니아에서 중요한 기작을 찾게 되었는 데 퍼옥시솜에 작용하는 지방산 분해대사작용과 유사성을 가지 고 있었다. 이 경로는 수화작용, 산화작용, 차후의 benzoyl-CoA의 작용과 함께 β-ketothioester의 분열작용으로 CA에서 cinnamoyl-CoA 으로 활성화되면서 시작된다(Klempien et al. 2012;Qualley et al. 2012;Van Moerkercke et al. 2009).

금어초에서 benzaldehyde는 non-β-oxidative 경로에서 주요 중간 대사물로써 작용하고 NAD⁺-dependent benzaldehyde dehydrogenase 작용으로 benzoic acid로 산화된다는 것을 확 인하였다(Long et al. 2009).

화훼류에서 방향성 페닐프로파노이드은 (iso)eugenol과 methyl (iso)eugenol을 포함하여 생성되는 데 lignin생합성 경로의 초 기 단계에 coniferyl alcohol 단계까지 공유하고 있는 부분이 있다. 그리고나서 모노리그놀 전구체는 9탄당의 위치에서 산 소의 활성을 제거하는 2개의 효소반응을 겪는다. 첫 번째 반 응은 acyltransferase에 의한 아세틸화와 관련이 있다. Coniferyl acetate는 eugenol과 isoeugenol synthase 효소에 의해 각각 phenylpro-panoids eugenol과 isoeugenol로 변환된다.

화훼류에서 페닐프로파노이드/벤제노이드 복합물의 다양성 은 메틸화, 수산화, 아세틸화 등의 여러 가지 조절을 통해 증대 시킬 수가 있다. 이러한 변형 체계는 향기성분의 방향성 물질 을 더욱 증강시킨다. 특히 메틸화의 경우는 2가지 효소에 의해 조절되는데 Ο-methyltransferases와 carboxyl-methyltransferases 에 의해 촉진된다.

‘Silene’ 꽃에서는 Ο-methyltransferases가 베라트롤을 포함한 페닐프로파노이드/벤제노이드의 생합성을 조절하는 역할을 한다 고 보고했다(Akhtar and Pickersky. 2013;Gupta et al. 2012). 장미에서는 3,5-dimetho-xytoluene와 1,3,5-trimethoxybenzene 의 생성으로 조절한다고 하였으며(Lavid et al. 2002;Scalliet et al. 2002), Clarkia 품종에서는 methyl-eugenol와 isomethyleugenol 의 생성으로 조절한다고 하였다(Wang and Pichersky 1998).

지방산 유도체

Fatty acid derivates은 화훼류의 방향성 물질로써 분류되는 것 이 C18 fatty acid, linoleic, linolenic으로 구성된다. 지방산 유도 체의 생합성은 lipoxygenase(LOX)의 효소작용으로 octadecanoid 의 전구물의 입체 특이적인 산화 반응에서 시작된다. 그리고 9- and 13-hydroperoxy 중간대사물의 생성을 유도한다고 하였 다(Feussner and Wasternack 2002;Schaller 2001). 이러한 중간 대사물질들은 LOX의 2가지 경로를 통해서 방향성 물질의 생성 을 유도한다. Allene oxide synthase(AOS)는 절대적으로 대체물 로써 13-hydroperoxy 중간물을 이용하고 이것이 불안정한 epoxide로 변환된다. 그리고 이것은 감소에 따른 고리화와 jasmoic acid로의 일련의 고리화 반응으로의 대상이 된다.

AOS 경로와 반대로, hydroperoxide lyase는 두 종류의 hydroperoxide fatty acid derivates를 방향성 C6와 C9 aldehydes 로 변환시킨다. 이러한 정제된 것이나 정제되지 않은 것이나 C6와 C9 aldehydes는 자주 방향성 알콜을 만들어내는 alcohol dehydrogenases의 대체 물질로써의 역할을 한다. 이러한 C6 와 C9 aldehydes와 alcohols은 흔히 녹색 잎 식물의 방향성 물질로 주로 언급되는데 화훼류의 방향성 물질로도 매우 중요 한 성분이다. 특히, 카네이션이, 금어초와 같은 부케용 꽃다발 에 사용하는 화훼류에서 주요 물질이 된다고 했다(Schade et al. 2001;Suchet et al. 2011).

화훼류 방향성 조절 위한 대사공학적인 방법

앞서 설명된 생합성 경로에 관여하는 여러 가지 독립적인 요소들에 의해 방향성 물질의 합성이 체계적으로 생성되기도 하지만, 향기 조절에 관여하는 요인으로써 전사인자(TFs)도 그만큼의 영향력을 준다고 알려져 있다(Colquhoun and Clark 2011;Muhlemann et al. 2012). 근래에 나온 것 중에는 화훼 류의 꽃잎에서 페닐프로파노이드/벤제노이드 상호작용 유동 성을 조절하는 전사인자가 있다는 보고가 있다.

화훼류의 페튜니아 꽃잎 표피세포에서 조절인자들을 확인 하였는데, 3가지로 조사되었다. ODORANT1(ODO1), EMISSION OF BENZENOIDS II(EOBII), 그리고 PhMYB4가 향기 성분을 조절하는 유전인자라고 밝혀졌다. R2R3-MYB ODO1는 방향 성 물질이 방출되기 전에 정점을 이루었다가 이 유전자의 전 사수준은 이후 다음날 아침에 낮아진다. ODO1가 시킴산 경 로에서의 효소로써 작용하는 EPSPS를 인코딩하는 유전자의 프로모터를 활성화시킨다. 이것은 ODO1가 꽃잎의 특정 부위 에서 방향성 물질 생산의 전구물질인 페닐알라닌의 상승 조절 하는 것과 관련된다고 말했다(Verdonk et al. 2005). 이에 따 라 형질전환 된 Petunia hybrida cv Mitchell의 ODO1를 하향 조절시키면 벤제노이드 방출을 굉장히 감소시킨다고 했다 (Verdonk et al. 2005). R2R3-MYB EOBII 인자는 ODO1의 발현 을 활성화를 높이는 영역에 위치한 특정 MYB-binding에 연결 된다(Van Moerkercke et al. 2011). EOBII는 또한 PAL과 IGS 프로모터를 활성화시켜 향기성분을 조절한다(Spitzer-Rimon et al. 2010). 또한, EOBII의 침묵은 ODO1와 시킴산과 페닐프 로파노이드의 생산경로 관련 유전자들의 하향조절을 유도 한다고 알려졌다. PhMYB4의 경우는 전구체를 공급에 의한 isoeugenol과 eugnenol의 방출을 간접적으로 조절하면서 C4H 는 부적으로 조절한다(Coloquhoun and Clark 2011;Colquhoun et al. 2011). 이것은 C6-C1과 C6-C3의 분류된 경로 사이에서 적합한 정도를 조정하는 역할을 한다고 제기되었다.

테르페노이드류와 관련해서는 백합 ‘Siberia’ 품 종의 경 우 향기를 조절하는 주요 구성물질이 모노테르페노이드류인데 이것의 생합성을 촉진시키는 데 주요 역할을 하는 것이 테르 펜 합성 유전자(TPS)이다. 이것과 관련한 유전자가 LiTPS2라 는 것이고 이것은 엽록체에 존재하며 이 유전자가 geranyl pyrophosphate(GPP)와 farnesyl pyrophosphate(FPP) 모두를 이용하여 linalool과 세스퀴테프펜과 같은 모노테르페노이드류 생성을 조절한다는 보고가 있다(Zhang et al. 2020).

결 론

화훼 작물에서 화색과 향기를 결정하는 여러 성분들에 대한 생합성 경로에 대해 이해하고 대사공학적인 조절 방법에 대 한 여러 사례들을 정리하여 보고자 하였다. 근래에 이에 대한 연구가 많이 진행되었고 그럼에도 불구하고 아직 밝혀지지 않은 기능과 원리들이 남아 있다. 하지만 생합성 대사 및 유 전공학적인 조절 방법에 대한 끊임없는 고민과 연구들이 본 래 육종 방식으로는 만들어 낼 수 없었던 다양한 화색과 향기 의 변경 시초가 되었다. 화색 또는 향기를 결정하는 다양한 대립유전자가 존재하지 않는 상황에서 다른 식물로부터 가져 온 새로운 유전자를 형질전환을 통해 생명공학적으로 새로운 품종을 만들거나, 알려져 있는 유전자의 기능을 조절하는 RNA 간섭 또는 침묵을 통한 시도는 많이 이어져 왔다. 최근 에는 유전자 편집기술을 통해 페튜니아, 나팔꽃, 토레니아와 같은 화훼류에서 아그로박테리움 플라스미드를 운반 수단으 로 이용하거나 또는 원형질체에 DNA-free 방식으로 화색을 변경하여 성공을 거두고 있다. 이러한 새로운 기술의 발달과 다양한 작물의 유전정보를 보편적으로 활용할 수 있게 되면서 기존에는 존재하지 않는 독특한 화색 또는 향기를 보이는 품 종을 개발함으로써 이를 재배 활용하게 될 농민 또는 관련 제 품생산 업체, 그리고 최종 소비자들 모두에게 가치 있는 일이 될 수 있을 것이다. 새로운 것에 대한 응용을 위해서는 기초 적인 원리부터 그것을 조절할 수 있는 방법까지 전체적인 시 스템을 잘 이해하고, 활용할 수 있는 훈련과 노력이 요구된다 고 하겠다.