19장 옥신: 생장호르몬

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19장

옥신: 생장호르몬

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|그림 19.1| 옥신 연구에 관한 초기 실험들의 요약.

옥신의 굴광성에 대한 실험

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|그림 19.1| 옥신 연구에 관한 초기 실험들의 요약.

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|그림 19.3| 옥신의 구조.

옥신: 화학적 다양성 & 유사한 생물학적 활성

 자엽초나 줄기 절편의 세포 신장 촉진

 시토키닌 존재 하에서 캘러스 배양의 세포분열

 부정근 형성 촉진

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|그림 19.6| 방사성동위원소로 표지된 옥신을 이용한 옥신 극성 수송의 설명.

식물의 구조적 극성을 좌우하는 옥신의 극성 수송

 슈트 정단에서 근단에 이르는 옥신 기울기의 형성

 유관속 유조직 통한 구기적 이동

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|그림 19.7| 포도의 경재 꺾꽂이 순이 거꾸로 놓여 있거나(왼쪽 2개) 혹은 올바 로 놓여 있거나(오른쪽 2개)에 상관없이 부정근은 기부 말단에서 발생하고 슈트 는 정단 말단에서 자란다.

 옥신의 극성 수송: 옥신의 흡수(유입) 및 유출

 중력 무관한 세포 간 이동

 산소부족, 설탕 고갈 및 대사 저해제에 감수성대사에너지 사용

 활성 옥신에 특이적

원형질막 단백질 운반체에 의해 매개

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|그림 19.8| 옥신 극성 수송의 단순화된 화학 삼투 모델.

옥신 극성 수송의 화학 삼투 모델

세포의 옥신 흡수 : 막을 통한 양성자 구동력에 의해

옥신 유출

: 음성적 막 퍼텐셜에 의해

극성 편재된 유출 운반체

ATP에너지 직접 이용

수송체

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옥신의 흡수(유입)

 수동 확산

: 양성자 결합형(IAAH) -pH의존적 흡수

 2차 능동수송 : 해리형(IAA-)

• 양성자 공동수송 동시 수송체:

AUX1/LAX 2H

⁺

-IAA

^-

투과효소

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|그림 19.9|

AUX1의 발현

: 중축, 측면 근관, 중심주 조직

근단 옥신의 구기적 수송 : 뿌리의 굴중력성 기작과 관련

LAX3 발현

: 일부 표피세포, 피층세포의 옥신 축적

 측근 발생,

측근을 둘러싼 표피세포의 확장

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옥신의 유출

 세포질의 중성 pH : IAA의 해리 (IAA-)

음성적 막 퍼텐셜에 의해 세포 밖 수송 추진

 유출 운반체의 극성 편재 : PIN 패밀리 단백질

 ATP에너지 직접 이용

수송체

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|그림 19.10| 애기장대의 PIN1.

PIN 패밀리 단백질

 옥신의 지향적 이동과 PIN 유출 운반체 단백질들의 조직 특이적 분포와 연관

 정단-기부의 배축 따른 수직적 수송(PIN1)

 뿌리 정단으로부터의 구기적 수송(PIN2)

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ATP 결합 카세트(ATP Binding Cassette; ABC)

 막 내재성 슈퍼패밀리의 수송체 단백질

 옥신수송 관여하는 P-당단백질 혹은 B 서브클래스의 ATP의존적 수송체(PGP/ABCB)의 균일분포

 배출된 옥신의 재흡수 차단

 극성 분포하는 PIN 단백질과 협업

-->조직 특이적 옥신의 극성 수송 촉진

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|그림 19.14| 수송체에 의해 매개되는 옥신 항상성의 모델.

세포 내 옥신의 항상성 조절

유리된 IAA 수준은 수송체에 의해 조절

 ABCB4: 옥신 농도에 따른 세포 내 흡수 기능과 유출 기능

ER로의 이동(PIN5)과 IAA 복합물의 형성(ABP1) 및 해리

(ILR1/IAR3)

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|그림 19.18| 복합적인 TIR1/AFB-AUX/IAA 옥신 수용체에 대한 옥신의 결합, 그리 고 뒤이어 일어나는 옥신 반응성 유전자들의 전사 활성화에 관한 모델.

옥신의 신호전달 경로

옥신 수용체는 조합형 복합체로 구성

 TIR1/AFB 패밀리에 속하는 가용성 단백질 : SCF 유비퀴틴 E3리가아제 복합체의 F-박스 단백질 성분

 AUX/IAA 전사 리프레서 단백질 패밀리

옥신 유도 유전자의 조절

 옥신 반응인자(auxin response factor; ARF) DNA 옥신 반응요소(auxin response element

; AuxRE)에 결합전사의 활성화 또는 억제

 AUX/IAA 단백질

: 옥신 유도 유전자 발현의 중요한 조절자

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옥신의 작용: 세포 신장

옥신 농도에 대한 식물 기관들의 각기 다른 반응

 기관마다 신장을 위한 최적농도가 다름

 줄기에서 옥신의 최적 농도 이상에서는 세포 신장을 저해하는 에틸렌 생합성 촉진

옥신 작용의 표적

 쌍자엽식물 줄기의 바깥쪽 조직

 뿌리의 신장대 중 표피세포

 극성 수송의 흐름에서 벗어난 측면 수송 과정이 필요

|그림 19.20| 완두 줄기 또는 귀리 자엽초 절편에서 IAA-유도 생장의 전형적인 농도-반응 곡선.

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|그림 19.21| 쌍자엽식물의 유관속 조직에서 구기적 흐름(basipetal stream) 쪽으로만(PIN1에 의해 추진됨) 제한된 옥신의 수송.

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|그림 19.19| 귀리 자엽초 절편에서 옥신에 의해 유도된 생장의 시간 경과 곡선.

옥신에 의한 신장 반응의 지연시간

 대사저해제에 의한 옥신 유도 신장 반응 저해

 단백질 합성 저해제에 의한 신장 반응 저해

 RNA합성 저해제 의한 옥신 유도 생장 저해

 최소 지연시간  생화학적 작용에 필요한 시간 반영

|그림 19.22| 10 μM IAA와 2% 설탕으로 배양 한 귀리 자엽초 절편과 대두 하배축 절편의 생 장 키네틱스의 비교.

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|그림 19.23| 옥수수 자엽초에서 옥신에 의해

유도되는 신장과 세포벽 산성화의 키네틱스.

옥신에 의해 유도되는 양성자 배출과 세포 신장

 산성 생장 가설

: 옥신에 의한 양성자 펌프 활성화아포플라스트의 pH저하세포벽 신장성 증가 -양성자 배출 촉진 화합물에 의한 생장 촉진 효과

귀리의 자엽초 절편에 미치는 후지콕신의 영향.

FC: 후지콕신.

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|그림 15.26| 분리된 세포벽의 산성 유도 신장.

: 옥신에 의한 양성자 펌프 활성화아포플라스트의 pH저하세포벽 신장성 증가

-산성 및 중성 완충 용액에 대한 신장 반응

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|그림 15.27| 분리한 세포벽의 신전성을 재구성(reconstitution)하는 실험에 관한 모식도.

익스팬신(expansin)

 세포벽을 이루는 셀룰로오스와 글루칸 간의 수소결합을 끊어 세포벽 이완시킴

: 옥신에 의한 양성자 펌프 활성화아포플라스트의 pH저하세포벽 신장성 증가

-세포벽 이완 인자의 존재

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|그림 19.24| 30초의 단일 지향성(unidirectional) 청색 섬광에 반응하는 자엽 초의 빛을 받은 면과 그늘진 면에서 일어나는 생장의 시간 경과 곡선.

옥신의 작용: 식물 굴성

굴광성: 빛에 반응하여 일어나는 생장

옥신의 측면 재분포

 포토트로핀1/2(청색광 수용체)의 인산화

원형질막에서 분리

옥신 수송체 및 수송체 조절 단백질과 상호작용 유도

음지 면을 향한 옥신의 이동 유도

차등 생장: 광원을 향한생장

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|그림 19.25| 옥수수 자엽초에서 옥신의 측면 재분포가 단일 지향광에 의해 촉진된다는 증거.

 방향성이 있는 빛 자극을 따라 선단부에서 생산된 옥신의 측면 수송

-ABCB19의 저해, PIN1의 불안정화, 측면 위치의 PIN3의 저해 및 재배치

|그림 19.26| 굴광성이 일어나는 동안 옥신 의 측면 재분포는 DR5:GUS 리포터

유전자 구성체로 식물을 형질전환 함으로써 시각화할 수 있다.

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|그림 19.27| 옥신은 수평으로 배향된 귀리 자엽초 선단의 아랫면을 향해 수송된다.

굴중력성: 중력에 반응하여 일어나는 생장

선단 및 하부 조직의 굴중력성 자극 감지 및 옥신의 측면 재분포

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|그림 19.28| 애기장대의 평형세포에 의한 중력의 감지.

평형세포(특수화된 중력 감지 세포)와 평형석(중력 센서의 기능을 갖는 녹말체)

 슈트와 자엽초: 줄기의 유관속 조직을 둘러싼 세포층 녹말초에서 감지

 뿌리: 근관의 중축 내 평형세포

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|그림 19.29| pH 감수성 염료를 이용한 실험들은 근관 중축세포들

의 pH 변화가 굴중력성의 신호전달에 관여되어 있음을 암시한다.

중력 자극 신호의 전달

 세포 내 pH의 변화(아포플라스트의 산성화 및 시토졸의 알칼리화)

원형질막 양성자 펌프 활성화IAA의 지향성 흡수와 유출

 저장 풀(pool)로부터 칼슘이온 방출

|그림 19.30| 옥수수 뿌리는 근관의 한쪽 면에 놓인 Ca²⁺포함 한천 조각을 향해 굽는다.

원형질막 pH기울기 감소 및 활성 산소종의 독립적 증가: 굴촉성과 관련성 깊음

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|그림 19.31| 뿌리의 굴중력성 굴곡에 있어서 옥신의 방향 전환(redirection) 및 이후의 차등적

신장 저해를 위해 근관이 필요하다는 것을 보여주는 미세 수술(microsurgery) 실험.

근관에서 측면 재분포하는 옥신

 근관에서 중력 감지

 옥신은 근관에서 유래하는 저해제로 작용

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|그림 19.32| 옥수수 뿌리에서 굴중력성이 일어나는 동안 옥신 재분포의 현재 모델.

 뿌리 정단으로의 구정적 흐름: PIN1/ABCB19

 뿌리 정단 밖으로의 구기적 옥신 흐름 : 근관 정단세포로부터 배제,

측면 근관세포의 옥신흡수

 PIN3의 재분포, 아포플라스트 산성화의 비대칭옥신 측면 분포 촉진

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|그림 19.34| 옥신은 강낭콩 액아(axillary bud)의 생장을 억제한다.

식물 발달에 미치는 옥신의 효과

정단우성을 조절

 액아의 생장은 정아에서 구기적으로 수송되는 옥신에 의해 저해

 다른 호르몬과의 상호작용 : 옥신에 의한 시토키닌 조절

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|그림 19.35| 영양생장기 pin1의 슈트 정단 분열조직에서 엽원기(leaf primordia)의 주사전자현미경 사진.

화아발달과 엽서 조절

 pin1돌연변이체  분열조직으로의 옥신 이동 억제

 잎과 꽃 기관원기의 개시 억제

 경정 분열조직 엽원기에서

PIN1의 분포와 옥신 흐름의 방향 상관성  엽서 패턴

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|그림 19.36| 오이( Cucumis sativus) 줄기 조직에서 상처 주변으로 IAA에 의해 유도 되는 물관부 재생.

측근과 부정근의 형성을 촉진

유관속 분화 유도

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|그림 19.37| 딸기 ‘열매’는 실제로는 팽창된 화탁이다.

잎의 탈리를 억제

 엽신으로부터 수송된 옥신에 의해 탈리 억제

 잎의 노쇠화로 옥신 미생산시 탈리 촉발

열매의 발달을 촉진

 수정 후 발달하는 종자의 옥신에 의해

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20장

지베렐린: 식물 높이와

종자 발아의 조절 물질

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|그림 20.1| 야생형[사진에서 ‘정상(normal)’으 로 표지된] 옥수수와 왜성 돌연변이체(d1) 옥수 수에 미치는 외부 처리한 GA₁의 효과.

|그림 20.2| 장일식물인 양배추는 단일 조 건에서는 키 낮은 로제트로 남아 있지만 GA₃를 처리하면 추대(bolting; 절간이 길 게 생장함)와 개화를 유도할 수 있다.

지베렐린의 생물학적 특성

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지베렐린의 화학적 특성

 5탄소의 이소프레노이드 단위 4개로 형성된 디테르페노이드

 활성형 GA의 특징

 C-4,10-락톤

 C-6 카르복실산

 C-3 β-배향 히도록실기

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|그림 20.3| 유년기 구과 식물에서 지베렐린은 구과의 눈(conebud) 형성을 유도한다.

지베렐린이 생장과 발달에 미치는 영향

 종자발아 촉진

 앱시스산(ABA)과 길항적 작용, 가수분해효소 합성 유도

 줄기와 뿌리 생장을 촉진

 절간 신장 촉진, 뿌리 신장

 유년 단계에서 성년 단계로의 전이 조절

 단계 변화 조절

 화아 분화와 성결정에 영향

 로제트 식물의

개화를 위한 장일요구 대체

 단성화의 성 결정 시 환경영향을 매개

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|그림 20.4| 지베렐린은 ‘Thompson Seedless’ 포도 품종의 생장을 유도한다.

지베렐린이 생장과 발달에 미치는 영향

 화분의 발달과 화분관 생장 촉진

 착과와 단위결실을 촉진

 꽃가루받이 없이 열매 생장 유도

 종자의 초기 발달을 촉진

 지베렐린 및

GA 생합성 저해제의 상업적 이용

: 과수 생장 촉진,

도복경감제

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|그림 20.5| 지베렐린 생합성의 세 단계.

지베렐린의 생합성과 불활성화

 테르페노이드 경로 경유 합성

 1단계: 색소체, 4개의 이소프레노이드

GGPP(제라닐제라닐이인산)ent-kaurene

 2단계: 색소체 포막과 소포체, 지베렐린 최초 형성(GA12)

 3단계: 시토졸, 2가지 주요 경로 통해 생리활성 GA(C19-GA)로 전환

13-히드록실화 경로 13-비히드록실화 경로

 불활성화: 생리활성 GA이후의 대사

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|그림 20.6| 애기장대 야생형과 GA-결핍 돌연변이체의 표현형으로 각 돌연변이체에서 차단된 생합성 경로의 위치를 보여준다.

|그림 20.7| 애기장대(녹색), 완두(청색), 옥수수(오렌지색)에서 알려진 돌연변이 (야생형 대립유전자에 대한 알파벳 소문자 로 표시함)에 의해 차단된 대사 단계를 보여주는 GA 생합성 경로의 일부.

 GA 경로 효소의 조절

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 지베렐린의 자기 대사 조절

 호르몬 항상성 유지 -음성 피드백 조절 : 생합성 억제

-양성 피드포워드 조절 : GA불활성화 증대

|그림 14.10| GA 반응은 GA 신호전달과 GA 생합성의 성분 들을 포함하는 일련의 피드백 기작에 의해 조절된다.

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|그림 20.8| 5가지의 다른 발달단계에서 GA1 프로모터:GUS 유전자 융합을 포함하는 애기장대의 조직 화 학적 분석.

 GA 생합성의 장소

 종자: 수정 직후 급격히 증가(종자와 열매의 초기 생장에 필요), 종자 성숙 후기 단계에 GA 축적 수준이 높음

 슈트 정단, 근단,

약(꽃밥) : 돌연변이

 종자 휴면, 극왜성형 생장, 웅성 불임

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|그림 20.9| 영양생장 조직의 지베렐린 함량에 차이가 있는 완두들의 표현형과 유전자형.

 GA1과 GA4의 줄기 생장에 대한 생물 활성

 GA1의 식물 키 생장: 전구물질(GA20), 경로 후 물질(GA8) 효과 없음

 완두 식물의 키와 내생적 GA1 양의 상관관계

 식물에 따라

GA4가 주된 생리 활성형

|그림 20.7| 애기장대(녹색), 완두(청색), 옥수수(오렌지색)에서 알려진 돌연변이 (야생형 대립유전자에 대한 알파벳 소문자 로 표시함)에 의해 차단된 대사 단계를 보여주는 GA 생합성 경로의 일부.

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|그림 20.10| 유전자 변형된 왜성 밀(dwarf wheat)의 식물체.

 GA20ox, GA3ox, GA2ox 효소 유전자 변형을 통한 식물의 키 조절

 목표 식물의 키 증대

: GA20ox, GA3ox의 과발현

높은 농도의 생리활성 GA1, 큰 키, 목부 섬유의 길이와 양의 증가

 왜성 작물

: GA20ox, GA3ox 전사 억제, GA2ox의 과발현

GA1 함량의 저하 유도

(43)

|그림 20.12| GID1의 GA 결합 특성.

지베렐린의 신호전달

 GA수용체로서 GID1 구형단백질

 특이적 결합: 생리활성 GA와 더 높은 친화도로 결합

 리간드와의 결합 포화 가능 : 수용체 분자들이 포화

 리간드 결합의 높은 친화성 : 수용체에 대한 GA 친화도 높을수록 강한 결합, 약한 해리

 결합의 신속성 및 가역성

 돌연변이 수용체의 GA 결합 능력 상실

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|그림 20.13| 애기장대 돌연변이체 gid1a, gid1b, gid1c 의 표현형.

 GID1 유전자의 3중 돌연변이왜성식물 및 웅성불임

(45)

|그림 20.14| GA₃-GID1a-DELLA 복합체의 구조.

|그림 20.15| GA에 의해 유도되는 GID1 단백질의 변화, 그리고 GA-GID1 복합체에 의해 유도되는 DELLA 단백질의 변화에 관한 모델.

 GA와 GID1의 결합

GID1의 입체구조 변화

DELLA단백질의 입체구조 변화

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|그림 20.16| RGA와 GAI 리프레서 단백질의 도메인 구 조로서 조절을 담당하는 DELLA 도메인과 기능을 담당 하는 GRAS 도메인을 보여주고 있다.

 GA 반응의 음성 조절자로서 DELLA 도메인 단백질

 GRAS 도메인의 돌연변이큰 키의 식물 생장

 DELLA 도메인의 돌연변이

GA 불감성 왜성 표현형

|그림 20.17| 같은 SLN1 리프 레서 유전자에서 두 가지 다른 돌연변이가 보여주는 반대 효과.

(47)

|그림 20.18| RGA 단백질은 전사 조절자라는 사실과 일치되게 세포핵에서 발견되며 그 수준은 GA 수준에 의해 영향을 받는다.

 GA에 의한 DELLA 도메인 단백질의 분해

-GA 처리 및 GA 생합성 저해제 처리 시 핵에 분포하는 DELLA 도메인 단백질 확인

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|그림 20.19| 26S 프로테아좀에 의한 DELLA 단백질의 분해는 전사의 재프로그램화

(transcriptional reprogramming)를 일으키며 생장 혹은 또 다른 GA 반응이 관찰된다.

 F-박스 단백질에 의한 DELLA 도메인 단백질 분해 표적화

-GA 신호전달의 양성 조절자로서 기능 : 유비퀴틴 E3 리가아제 복합체의 작용

(49)

|그림 20.20| 애기장대에서 빛과 GA 신호전달의 통합은 하배축 길이를 조절한다.

지베렐린 반응

 DELLA 단백질에 의한 전사조절

 피토크롬 상호작용 인자

(phytochrome-interacting factor

; PIF)와 상호작용

 DELLA 단백질 결합

PIF의 전사 활성화 기능 억제

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|그림 20.21| 보리 낟알의 구조와 발아 시 여러 조직의 기능.

지베렐린 반응: 곡류의 호분층

 종자의 배에서 GA 합성

 호분층 세포 GA수용체에 의한 GA신호전달

 GA는 유전자 전사 수준에서 α 아밀라아제 생산 유도

 전사 및 번역 저해제에 의해 효소 생산 차단

 기존 효소의 활성화가 아닌 새로운 아미노산 합성에 의한 효소 신생

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|그림 20.22| GA ₃에 의한 GAMYB 및 α-아밀라아제 mRNA 유도의 시간 경로(time course).

 GAMYB는 α 아밀라아제 전사의 양성 조절자

 아밀라아제 유전자 프로모터의 GA 반응요소(GARE)에 결합하는 전사인자

 GA 처리 후 아밀라아제 mRNA 증가보다 앞서 GAMYB mRNA 합성 증가

 아밀라아제 유전자의 GARE 돌연변이 아밀라아제 발현 억제

 GA없을 시에도 GAMYB의

항시 발현은 아밀라아제 생산 유도

(52)

|그림 20.23| 보리 호분층에서 GA에 의한 α-아밀라아제 합성 유도의 복합 모델.

 GA처리에 의한 아밀라아제 합성

 GID1과 생리합성 GA의 결합

 DELLA 단백질의 분해 유도

 GAMYB 유전자 발현 촉진

 GAMYB 단백질이

아밀라아제 유전자 프로모터의 GARE에 결합

 아밀라아제 전사 활성화

 칼슘 의존성 경로에 의해 호분층 세포에서

아밀라아제 분비

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|그림 20.24| 벼의 gamyb 돌연변이체 꽃 기관의 표현형.

지베렐린 반응: 약의 발달과 웅성 불임

 꽃 기관 발달의 양성 조절자로서 GAMYB 전사인자

: 정상적인 화분 발달에 필요

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|그림 20.27| OsEXP4 의 센스 유전자 조합 및 안티센스 유전자 조합을 포함하는 형 질전환 벼.

지베렐린 반응: 줄기 생장

 세포 신장 촉진

 세포벽 이완 : 익스팬신 관여

옥신에 의한 신장에 가산적

 세포분열 촉진

 사이클린 의존성 단백질 키나아제 (CDK) 유전자 발현 촉진

: G1S, G2M기 전환 조절