농촌진흥청은 지황의 유용성분 중 하나인 테르페노이드* 생합성 과정에 관여하는 174종의 유전자를 발굴하고 이중 핵심 유전자 24종의 기능을 밝힘
* 테르페노이드: 병해충 방어, 광합성 등 식물 생장에 큰 영향을 미치는 주요 대사물질로 베타시토스테롤(Beta-sitosterol), 이리도이드(Iridoid) 등이 잘 알려진 테르페노이드 계통 화합물. 심혈관질환 예방, 혈당 저하 등에 효과를 보이나 그 생합성 과정 연구는 많이 이뤄지지 않고 있음
우리나라에서 많이 활용하는 약용작물인 지황은 보약으로 손꼽히는 경옥고의 주원료. 항암, 항염, 스트레스 저감, 불면증이나 소화불량 개선 효능이 있어 약재나 건강기능식품 원료로 쓰임
현재까지 ‘토강’, ‘다강’ 등 13품종이 농촌진흥청 주도로 육성됐으며, 최근 기계로 수확하기 쉬운 품종인 ‘한방애’가 개발, 보급돼 산업적 활용성도 높아질 전망
이번 연구는 지황의 잎, 줄기, 뿌리, 꽃 등의 전사체*를 비교 분석해 주요 약리 성분인 테르페노이드 생합성 과정에 관여하는 유전자 174종을 발굴하고, 테르페노이드 생합성을 증진하는 핵심 유전자 24종의 기능을 확인한 것
* 전사체: 생물체의 생리활성에 필요한 모든 단백질(효소) 정보를 가지는 메신저 RNA (mRNA)의 집합체
연구 결과, 지황의 주요 유용성분인 베타시토스테롤과 사포닌 생산에 중요한 역할을 하는 유전자 18종, 이리도이드계 물질 생산을 조절하는 유전자 3종, 카로티노이드(지아잔틴) 생합성 관련 유전자 3종 등 테르페노이드계 물질 생합성 관련 유전자가 약재로 활용되는 뿌리에서 함께 발현돼 핵심 유전자로 작용하는 것을 확인
농촌진흥청은 이번 연구 결과를 지난달 유전체 분야 국제학술지 Genes (IF 4.1)에 게재. 앞으로 이들 유전자를 테르페노이드 고함량 우수품종 육성에 활용할 수 있을 것으로 기대 됨
[ 지황 기능성 테르페노이드 고생산 핵심 유전자 발굴 ]
□ 지황 용도 및 효능
○ 지황(Rehmannia roots)은 현삼과에 속하는 다년생 작물로, 주로 뿌리로 번식하며, 아시아 지역에서 경옥고, 쌍화탕 등 한방 제품에 널리 쓰이고 있음.
○ 사용 목적에 따라 땅에서 캐내어 씻은 생지황(生地黃), 생지황을 그대로 말린 건지황(乾地黃), 생지황을 쪄서 말린 숙지황(熟地黃)을 약재로 이용
○ 국내 지황 생산량 및 재배면적은 1,577t, 106ha로, 국립농산물품질관리원에서 관리하는 75개 약용작물 중 인삼, 오미자, 구기자, 새싹삼 다음으로 GAP 인증 건수(25건)가 많음(국립농산물품질관리원 GAP 정보서비스, 2022. 6. 기준).
○ 지황의 주요 약용성분은 테르페노이드의 일종인 이리도이드(Iridoid) 계 카타폴(catapol)로 알려져 있으며, 이외에도 트리테르페노이드(triterpenoid) 성분들이 항균, 항암 등 약리효과 유발
□ 주요 연구성과
○ 약리효과가 검증된 테르페노이드 생합성 과정에 관여하는 유전자 174종 발굴
○ 전구체로부터 특정 기능성 물질 생산으로 연결되어, 구성 성분의 변화에 영향을 주는 상동 유전자* 역할 구명
* 상동 유전자: 유전자의 서열과 기능은 유사한 것으로 추정되나, 관여하는 경로 또는 전구체가 다를 것으로 예측되는 유전자
○ 지황에서 생산되는 다양한 테르페노이드계 물질(사포닌, 스테롤, 이리도이드 등)의 생산을 조절하는 핵심 유전자 24종 기능 구명
- 지황의 주요 약용성분인 카타폴(Catapol)은 지황의 잎, 꽃, 뿌리에서 MEP pathway에 따라 합성되며, 추후 물질이동경로를 따라 뿌리조직으로 이동하는데, 잎과 꽃에서 카타폴 등 이리도이드계 물질 생산을 조절하는 핵심 유전자 3종 구명
- 지황 주요성분 카타폴(catapol) 등 이리도이드(Iridoid)계 물질 생합성 유전자 발현 분석 -
- 사포닌과 스테롤은 지황 뿌리에서 MVA (mevalonate) pathway에 따라 합성되며, 지황 조직(뿌리, 잎, 줄기, 꽃) 간의 대사경로 관여 유전자 발현을 비교 분석하여, 사포닌과 스테롤 생산에 핵심 역할을 하는 유전자 18종을 구명
< 지황 트라이테르페노이드 사포닌(triterpenoid saponin) 및 스테롤(sterol) 생합성 유전자 >
- 카로티노이드 생합성 관련 핵심 유전자 3종 구명
○ 지황 전사체 정보 분석 협력 기관
- 국립농업과학원, 국립원예특작과학원
○ 지황 전사체 및 유전자 정보 DB 구축: 국립농업생명공학정보센터(NABIC)
□ 기대효과
○ 지황 유래 기능성 사포닌, 스테롤 고생산 유전자 활용 대량 생산체계 구축을 통한 산업화 촉진 기대
○ 기능성 물질 고생산 우수품종 육성을 통한 농가 소득 증대
* 지황은 경옥고, 쌍화탕의 필수 원료로 사용(국내 매출, 70억/년)
□ 논문 표지
관련 논문을 첨부하오니 다운 받으시어 읽어 보시기 바랍니다.
Co-Expression Analysis Reveals Differential Expression of Homologous Genes Associated with Specific Terpenoid Biosynthesis in Rehmannia glutinosa
