식물 줄기세포 캘러스의 전분화능 소실 원인 최초 규명

- 차세대 작물 개발 위한 새로운 가능성 제시 -

[연구필요성]

식물 체세포는 특정한 조직배양 조건에서 원래의 세포 운명을 되돌려 탈분화(dedifferentiation) 과정을 거치고, 캘러스(callus)라 불리는 전분화능(pluripotency) 세포 집단을 형성한다. 이 캘러스는 새로운 뿌리와 줄기, 나아가 완전한 개체로까지 재생될 수 있어. 식물 조직배양, 형질전환, 유전자 편집, 신품종 개발 등 현대 식물 생명공학의 핵심 기반 기술로 활용되고 있다. 그러나 실제 조직배양에서는 시간이 지날수록 캘러스의 재생 능력이 급격히 감소하는 문제가 반복적으로 나타난다.

특히 계대배양(subculture)이 반복될수록 기관 재생 효율이 현저히 떨어지지만, 왜 캘러스가 전분화능을 잃게 되는지에 대한 세포 수준의 원리는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 따라서 캘러스 내부 세포들이 시간에 따라 어떠한 세포 상태 변화와 발달 전환 과정을 거쳐 재생 능력을 상실하는지를 규명하는 연구가 필요하였다.

[연구성과/기대효과]

본 연구에서는 식물 캘러스의 전분화능이 지속적으로 유지되는 고정된 상태가 아니라, 일시적으로 획득된 뒤 시간이 지나며 점차 소실되는 동적인 발달 과정임을 새롭게 규명하였다. 특히 장기간 배양 과정에서 캘러스의 재생 능력이 급격히 저하되는 원인을 세포 수준에서 체계적으로 분석함으로써, 식물 재생의 근본 원리에 대한 새로운 이해를 제시하였다.

연구진은 단일세포 전사체(single-cell transcriptome) 분석을 통해 전분화능을 유지한 캘러스와 이를 상실한 캘러스를 비교하였고, 재생 능력 저하를 유도하는 세포 상태 변화와 분자적 특징을 정밀하게 규명하였다. 특히 줄기세포의 획득과 유지에 핵심적인 역할을 하는 WOX5-TAA1 조절 모듈의 활성이 장기 배양 과정에서 점차 감소한다는 사실을 확인하였다. 이는 캘러스의 재생 능력 상실이 줄기세포 프로그램의 붕괴와 밀접하게 연결되어 있음을 보여준다.

줄기세포 활성이 감소한 세포에서는 분화가 촉진되었으며, 이 과정에서 활성산소(reactive oxygen species, ROS) 축적, 저산소(hypoxia) 반응 증가, 살리실산(salicylic acid) 생합성 활성화, 긴사슬 지방산(very long chain fatty acid, VLCFA) 고갈과 같은 대사 및 스트레스 반응 변화가 동반됨을 밝혔다. 이는 세포 운명 전환 과정에서 나타나는 대사적 재편이 캘러스의 전분화능 소실과 밀접하게 연결되어 있음을 시사한다.

본 연구는 캘러스를 단순한 미분화 세포 집단이 아니라, 전분화능을 일시적으로 획득한 뒤 점진적으로 분화 프로그램으로 전환되는 연속적 발달 시스템으로 새롭게 정의했다는 점에서 의미가 크다. 더 나아가 활성산소 조절과 지방산 대사 보완 등 배양 환경 최적화를 통해 캘러스의 재생 능력을 보다 안정적으로 유지할 수 있는 가능성도 제시하였다.

이러한 성과는 재생이 어려운 작물 종의 조직배양 효율 향상과 유전자 편집 기반 품종 개발 기술 고도화의 핵심 기반 자료로 활용될 것으로 기대되며, 향후 차세대 식물 생명공학 및 미래 농업 기술 발전에 폭넓게 기여할 것으로 전망된다.

[본문]

식물은 하나의 체세포만으로도 새로운 기관과 개체를 다시 만들어 낼 수 있는 뛰어난 발달 가소성을 지닌다. 이러한 재생 능력은 조직배양 과정에서 형성되는 '캘러스'를 통해 구현되며, 캘러스는 적절한 조건에서 뿌리와 줄기 등 새로운 기관을 재생시킬 수 있다. 이 때문에 캘러스는 식물 조직배양, 형질전환, 유전자 편집 및 신품종 개발의 핵심 기반 기술로 활용되고 있다. 실제 배양 과정에서는 시간이 지날수록 캘러스의 기관 재생 능력이 급격히 감소하는 문제가 반복적으로 나타난다. 이는 캘러스 내부 세포들이 배양 과정에서 서로 다른 발달 상태로 전환되며 전분화능을 점차 상실하기 때문일 가능성이 제기돼 왔지만, 그 세포 수준의 원리는 명확히 밝혀지지 않았다.

본 연구는 캘러스 형성 과정에서 획득된 전분화능이 어떤 과정을 거쳐 소실되는지를 규명하고자 수행되었다. 연구진은 단일세포 전사체(single-cell transcriptome) 분석을 통해, 조직배양 과정 동안 캘러스 내부의 세포 유형과 세포 상태 변화를 정밀하게 추적하였다. 그 결과, 캘러스의 전분화능은 WOX5-TAA1 조절 모듈에 의해 부여되지만, 장기간 배양이 지속될 경우 해당 모듈의 활성이 점차 감소하면서 줄기세포 프로그램이 약화되고 전분화능 역시 점진적으로 소실된다는 사실을 확인하였다.

특히 전분화능 소실 과정에서는 WOX5 발현 감소와 함께 BRN1 활성이 증가하였으며, BRN1은 캘러스 세포가 줄기세포 상태를 벗어나 분화 프로그램으로 전환되도록 촉진하였다. 또한 분화가 진행된 세포에서는 활성산소(ROS) 축적, 저산소 반응 및 살리실산 생합성 증가 등스트레스 및 방어 관련 반응이 활성화되었고, 동시에 전분화능 유지와 연관된 긴사슬 지방산은 점차 고갈되는 현상이 나타났다.

본 연구는 캘러스가 전분화능을 일시적으로 획득한 뒤, 점차 분화 프로그램으로 전환되는 연속적 발달 과정을 따른다는 새로운 개념을 제시하였다. 또한 활성산소 억제 및 긴사슬 지방산 보충 처리를 통해 캘러스의 전분화능 유지 및 조직배양 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 이는 식물 재생 능력의 근본 원리를 이해하는 중요한 단서를 제공하며, 향후 재생이 어려운 작물의 조직배양 효율 향상과 식물 유전공학·생명공학 기반 기술 고도화에 기여할 것으로 기대된다.

[연구결과]

Stem cell activity is linked to a transient acquisition of pluripotency during callus proliferation


Soon Hyung Bae, Ok-Sun Park, Kyounghee Lee, Hong Gil Lee, Seo Young Jang, Geum-Sook Hwang, Yoo-Sun Noh, and Pil Joon Seo

(Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-026-73124-x)

식물 체세포는 조직배양 과정에서 캘러스를 형성하고, 이를 통해 새로운 뿌리·줄기·개체로 재생될 수 있는 전분화능을 획득한다. 그러나 이러한 재생 능력은 배양 기간이 길어질수록 점차 소실된다. 본 연구는 단일세포 전사체 분석 및 바이오이미징 기술을 통해 그 원인을 세포·분자 수준에서 규명하였다. 연구 결과, 캘러스의 전분화능은 지속적으로 유지되는 고정된 상태가 아니라, 일시적으로 획득된 뒤 시간이 지남에 따라 점차 소실되는 동적인 과정임을 확인하였다. 특히 WOX5-TAA1 모듈이 줄기세포 상태 유지에 핵심적으로 작용하지만, 장기 배양 과정에서 그 활성이 점차 약화되면서 전분화능이 감소하였다. 이후 BRN1 활성화와 함께 세포 분화가 촉진되었고, 이 과정에서 활성산소 축적, 저산소 반응 증가, 살리실산 생합성 증가, 긴사슬 지방산 고갈 등 대사 및 스트레스 반응의 재편이 동반되었다. 본 연구는 캘러스 재생 능력 소실의 세포·분자적 원리를 제시함으로써, 식물 조직배양 효율 향상과 유전자 편집 기반 작물 개발 기술 고도화를 위한 중요한 기반을 제공한다.

[용어설명]

○ 캘러스(Callus): 식물 체세포가 상처, 호르몬 처리, 조직배양 등의 자극을 받아 원래의 세포 정체성을 잃고 형성하는 미분화 세포 덩어리이다. 캘러스는 적절한 조건에서 새로운 뿌리나 줄기, 나아가 개체 전체로까지 재생될 수 있어 식물 재생과 유전자 편집 기술의 핵심 재료로 활용된다.

○ 전분화능(Pluripotency): 하나의 세포 또는 세포 집단이 여러 종류의 세포와 조직으로 분화할 수 있는 능력을 의미한다. 식물에서는 캘러스가 전분화능을 획득함으로써 새로운 기관과 개체를 재생할 수 있으며, 이는 식물의 높은 재생 능력을 설명하는 핵심 개념이다.

○ 재분화(Regeneration): 탈분화된 세포가 다시 특정 기능과 형태를 가진 세포, 조직 또는 기관으로 발달하는 과정이다. 식물 조직배양에서는 캘러스로부터 새로운 뿌리, 줄기, 잎 등이 형성되는 과정을 의미하며, 식물 재생 기술의 핵심 단계로 여겨진다.

○ 단일세포 전사체 분석(Single-cell RNA-seq): 조직을 구성하는 세포를 하나씩 분리해 각 세포에서 발현되는 유전자 정보를 분석하는 기술이다. 이를 통해 조직 내부의 다양한 세포 유형과 세포 상태 변화를 세포 수준에서 정밀하게 추적할 수 있으며, 최근 생명과학 연구의 핵심 분석 기술로 주목받고 있다.

[그림설명]

 

  ▲ 그림 1. 캘러스 형성 과정의 단일세포 전사체 분석

캘러스 형성 과정에서 나타나는 형태적 변화를 관찰하고, 단일세포 전사체 분석(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq) 기반 클러스터링(clustering) 분석을 수행하여 캘러스 내부의 다양한 세포 유형을 구분하였음. 이를 통해 캘러스 장기배양 과정에서 세포 조성이 어떻게 변화하는지 추적하였고, 전분화능 획득 및 소실에 따라 줄기세포성 세포와 분화 세포의 비율이 동적으로 변화함을 확인하였음.

 

  ▲ 그림 2. 캘러스 세포 분화 과정 분석

캘러스 세포가 전분화능 상태에서 분화 상태로 전환되는 연속적인 세포 운명 흐름을 시각화함. 전분화능을 유지하는 줄기세포성 세포군(녹색)에서 점차 분화 세포군(빨간색)으로 이어지는 세포 상태 변화 과정 및 공간적 분포를 확인함.

 

  ▲ 그림 3. 캘러스 전분화능 소실 과정 모식도

캘러스 형성 초기에는 WOX5-TAA1 조절 모듈의 활성에 의해 전분화능이 일시적으로 획득되고 높은 재생 능력이 유지됨. 그러나 장기간 배양이 진행되면 WOX5 활성이 점차 감소하고 BRN1이 활성화되면서 세포 분화가 촉진됨. 이 과정에서 활성산소 축적, 저산소 반응 증가, 살리실산 생합성 활성화, 긴사슬 지방산 고갈 등의 대사 및 스트레스 반응 변화가 함께 나타나며, 결과적으로 캘러스의 기관 재생 능력이 점진적으로 감소함

 

  ▲ 그림 4. 캘러스 전분화능 증진 기술 개발

활성산소(ROS) 억제제 및 긴사슬 지방산(VLCFA) 처리에 따른 캘러스의 전분화능 유지 및 조직배양 효율 향상 효과를 분석함. ROS 억제와 VLCFA 보충은 장기 배양 과정에서 나타나는 전분화능 소실과 세포 분화를 완화하였으며, 그 결과 캘러스의 재생 능력과 기관 재분화 효율이 향상됨을 확인함. 이를 통해 캘러스 전분화능 유지 전략 개발 가능성을 제시함.