토마토는 세계적으로 많이 소비되며, 풍부한 영양과 맛 때문에 많은 사람의 사랑을 받는 대표적인 채소이다. 토마토의 대표적인 항산화물질은 지질 친화성인 라이코펜이고, 친수성의 항산화물질인 플라보노이드의 함량은 다소 적은 편이다. 일반적으로 식품에 지질 친화성과 친수성의 항산화물질이 모두 풍부하면, 병에 대하여 탁월한 방어 효과를 지니는 것으로 알려졌다. 따라서 많은 연구자는 세계적인 주요 작물인 토마토에서 항산화물질인 플라보노이드 함량을 높이기 위해 연구를 수행해왔다. 토마토의 플라보노이드는 nargenin-chalcone과 rutin(quercertin-rutinoside)으로, 주로 껍질에서만 존재하고, 전체과실의 95% 이상을 차지하는 과육에는 플라보노이드의 함량은 매우 적다. 토마토에 플라보노이드 함량을 높이고자 페튜니아의 CHI유전자를 발현시킨 결과 과피에서의 플라보놀 함량이 70배 증가하였으나, 과육과 잎에서의 플라보노이드의 함량은 별다른 차이가 없었다. 과육에서의 플라보노이드 함량을 증진시키고자 페튜니아의 CHS, CHI, F3H, FLS를 토마토에서 과발현시켰으나, 각각의 유전자가 단독으로 발현한 경우에는 과육에서 플라보노이드의 축적이 충분하지 않았다. CHS유전자의 과발현으로 과육에서의 플라보노이드 생합성이 가능함을 확인하였다. CHI유전자는 과피에서의 플라보노이드 함량의 증가와 관련이 있었으나, F3H와 FLS 유전자들은 과피와 과육에서 플라보노이드 함량증진에는 별다른 효과를 나타내지 않았다. 각각의 유전자가 들어간 형질전환체를 교배함으로써 CHS와 FLS유전자가 과육에서의 플라보노이드 함량을 증가시키는 효과가 증명되었다.
플라보노이드 생합성 구조유전자의 발현조절을 통한 토마토의 플라보노이드 성분을 변경시키기 위해 플라보노이드 생합성유 구조유전자인 CHS, F3H, FLS를 RNAi 방법을 이용하여 발현을 억제했다. 토마토 CHS1유전자가 발현억제 되었을 때 전체 플라보노이드 함량이 많이 줄어들었고, 심한 경우에는 종자가 없는 단위결실(Parthenocarpy)의 토마토가 생겼다. 이러한 결과는 stilbene synthase 유전자를 과발현했을 때도 관찰되었고, 플라보노이드가 수정, 종자, 과실발달에 영향을 미치는 것을 시사한다. 플라보놀생합성에 관여하는 FLS유전자를 발현억제시킨 결과, 과피에서의 플라보놀의 함량이 대조구에 비해서 65배 줄어들었고, 형질전환 토마토의 잎, 줄기, 꽃에서 안토시아닌의 축적이 관찰되었다. 이러한 결과는 FLS와 DFR이 기질 경쟁 관계에서 FLS발현이 줄어듦에 따라 안토시아닌 생합성 쪽으로 대사물질이 유입된 것에 기인한 것으로 생각한다. CHS와 FLS유전자의 발현 억제와는 달리 F3H유전자의 발현억제는 전체 플라보노이드 생합성량의 20%만 감소하였다. 이러한 결과는 식물체내의 F3H 유전자의 발현을 억제하더라도 FLS유전자나 F3H유전자가 naringenin을 기질로 이용하여 플라보놀 합성에 관여하고 있음을 나타내었다.
많은 양의 대사물질을 생산하기 위하여 주로 사용되는 방법은 대사물질 생합성에 관여하는 구조유전자를 조절하는 전사인자 발현을 증가시켜 원하는 대사물질의 양을 증가시키는 것이다. 토마토에서 옥수수의 안토시아닌 생합성 전사인자인 Lc 와 C1 유전자를 형질전환시킨 결과 과실에서 플라보놀의 함량이 대조구에 비해서 약 20배가량이 증가하였으나, 안토시아닌 함량의 증가는 관찰되지 않았다. 그러나 강한 빛을 조사하였을 때 잎에서 안토시아닌이 관찰되었고, 과실과는 달리 잎에서 F3'5'H유전자의 발현이 10배 정도 증가하였다.
토마토에서 안토시아닌 생합성과 관련한 R2R3 MYB 전사인자를 T-DNA tagging을 동정하였고, 토마토와 담배에 형질전환시킨 결과 잎과 전 식물조직에서 안토시아닌의 생합성이 늘어남을 확인하였고, PAL, CHS, CHI, DFR과 같이 안토시아닌 생합성과 관련된 초기 유전자의 발현도 증가하고 유식물체에서 안토시아닌 함량이 대조구와 비교해서 500배 증가하였다. 성공적인 사례는 토마토의 과실에서 안토시아닌의 함량을 증가시키기 위하여 금어초의 안토시아닌 생합성 전사인자인 Del 유전자와 Ros1 유전자를 이용하여 형질전환을 수행한 결과, 토마토의 과실에서 안토시아닌 함량(2.835 ± 0.456mg/g FW)으로 대조구에 비해서 약 200배 증가하였다. 형질전환을 통하여 개발된 안토시아닌 토마토의 항산화 효과를 알아보기 위해서 쥐(cancer-susceptible Trp53-/- )에게 식이 실험을 수행한 결과 항산화효과가 일반토마토보다 3배 정도 뛰어난 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로 전사인자를 이용한 유용물질의 대량생산과 항암효과 등을 확인할 수 있었다.
이러한 연구결과를 이용해서 지금도 끊임없이 기능적으로 뛰어나면서 건강에도 도움이 되는 토마토의 개발이 이루어지고 있다. 조만간 이러한 연구들을 바탕으로 특정영양성분이 집적된 토마토와 채소 등의 생산이 이루어질 수 있으리라 생각된다.
작성일:2010-05-25 11:03:52 152.99.82.30