유전자가위를 이용한 PagCSE1 유전자 교정 현사시나무 개발

장현아1*, 배은경1, 박수진1, 최영임1

(1국립산림과학원 산림유전자원부 산림생명공학연구과)

Development of CRISPR/Cas9-mediated knockout of

Caffeoyl shikimate esterase 1 in hybrid poplar

Hyun A Jang1, Eun-kyung Bae1, Su-Jin Park1, Young-Im Choi1,

(1Department of Forest Resources, National Institute of Forest Science, Suwon 16631, Rupublic of Korea)

요약: 화석연료 사용에 따른 기후변화로 인하여 바이오에너지 자원에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 목질계 바이오매스는 친환경 대체에너지 자원으로 주목받고 있다. 따라서 목질 성분의 약 30% 정도를 차지하는 난분해성 리그닌의 함량을 조절한다면 목질계 바이오매스 이용 효율을 개선시킬 수 있다. 본 연구에서는 유전자교정 기술을 이용하여 리그닌 생합성 경로에 작용하는 Caffeoyl shikimate esterase (CSE) 유전자를 knockout 시켜, 리그닌 함량을 감소시킨 현사시나무(Popolus alba x P. glandulosa)를 개발하고자 하였다. 유전체 정보가 공개된 검은미루나무(P. thrichocarpa)의 염기서열을 주형으로 현사시나무의 CSE1 유전자를 분리하여 염기서열을 확인하고, 2번째 exon을 대상으로 가이드 RNA 벡터를 제작하였다. 제작된 벡터를 현사시나무에 도입하여 30개의 교정체 식물을 재분화하였다. 1bp 또는 2bp의 삽입·결실(Indel)이 확인된 3개의 계통(CSE1-sg2-1, -16, -28)을 이용하여 리그닌 및 당화효율을 분석하였다. 3개의 교정체에서 리그닌 함량은 대조구와 비교하여 최대 10.6% 감소하였으며, 당화 효율은 25.3% 증가하였다. 또한, 리그닌이 감소한 식물체에서 특이적으로 나타나는 생장 저하 현상은 관찰되지 않았다. 따라서 개발된 현사시나무들은 기존의 식물들보다 바이오매스 생산량을 개선하여 산업적 활용성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract: Due to climate change caused by fossil fuel use, dependence on oil needs to be reduced. Woody biomass especially is being evaluated as an eco-friendly alternative energy resource. Therefore, it is possible to increase the efficiency of using woody biomass by controlling the content of non-degradable lignin, which accounts for about 30% of woody components. In this study, we tried to develop lignin reduction hybrid poplar by knocking out the Caffeoyl shikimate esterase (CSE) gene that acts on the lignin biosynthesis pathway in plants using CRISPR/Cas9 system. A guide RNA vector was constructed in the second exon of CSE1, isolated using the published nucleotide sequence of the black cottonwood (Populus thrichocarpa). Total of 30 regenerated plants were obtained by introducing them into hybrid poplar (P. alba x P. glandulosa). Among them, insertions and deletions of 1 bp to 2 bp in target sites of 3 lines of PagCSE1-sg2-1, -16, and -28 were confirmed. They reduced lignin by up to 10.6% and increased saccharification efficiency by up to 25.3% compared to wild type. Interestingly, in plants with reduced lignin, there was no specific reduction in growth. Therefore, it is expected that the production of industrially available woody biomass can increase efficiently.

사사: 본 연구는 2021년도 국립산림과학원 석박사연구원의 지원에 의해 이루어진 것임