과학자들이 비료가 부족한 상황에서도 벼의 생장을 왕성하게 유지시켜주는 핵심 유전자를 발견했습니다. 이번 발견은 농부들이 비용을 절감하고 환경 오염을 줄이는 동시에 지구 온난화 시대에 수확량을 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다.
벼에서 새롭게 발견된 "핵심 조절 유전자"는 농부들이 더 적은 비료로 더 많은 곡물을 생산하는 데 도움을 줄 수 있어, 경제적 부담과 환경적 부담을 모두 완화할 수 있을 것으로 보인다.
옥스퍼드 대학교, 난징 농업 대학교, 중국과학원 유전발달생물학연구소의 국제 연구팀이 질소(필수 식물 영양소)가 부족할 때 벼의 뿌리와 줄기 생장 균형을 유지하는 데 도움이 되는 단일 유전자의 작용 원리를 발견했습니다. 연구팀은 이 유전자의 자연적으로 더 강한 변이체를 활용하여 비료 사용량을 줄이면서도 포장 시험에서 벼 수확량을 최대 24%까지 증가시켰습니다.
발견, 출판 저널 과학이는 생산 비용이 많이 들고 온실가스 배출 및 수질 오염의 주요 원인인 합성 질소 비료에 대한 의존도를 줄이면서 전 세계 식량 안보를 개선할 수 있는 강력한 새로운 방법을 제시합니다.
현대 농업은 높은 수확량을 얻기 위해 질소 비료에 크게 의존합니다. 그러나 토양의 질소 함량이 감소하면 작물은 일반적으로 영양분을 찾기 위해 뿌리에 더 많은 에너지를 집중시켜 줄기 생장과 곡물 생산량을 희생합니다. 이러한 생존 전략은 야생에서는 효과적이지만 농장에서는 수확량을 제한합니다.
지금까지 과학자들은 이러한 균형을 조절하는 분자적 스위치가 무엇인지 알지 못했습니다. 이번 새로운 연구는 벼에서 WRINKLED1a라는 유전자가 질소 공급량에 따라 식물의 지상부와 지하부 생장 방식을 조율하는 핵심 조절자임을 밝혀냈습니다.
연구진은 온실 및 야외 실험을 통해 WRINKLED1a 유전자의 발현을 높이거나 낮췄을 때 어떤 변화가 나타나는지 조사했습니다. 기능적인 WRINKLED1a 유전자가 결핍된 벼는 질소가 부족한 조건에서 뿌리 생장을 촉진하는 능력을 잃었고, 질소가 풍부한 조건에서도 줄기 생장이 약했습니다. 반면, WRINKLED1a를 과발현하도록 유전적으로 조작된 벼는 뿌리와 줄기 모두 왕성하게 생장했으며, 질소 수준 변화에도 뿌리와 줄기 생장의 균형을 안정적으로 유지했습니다.
연구팀은 실험실 연구를 넘어 실제 농업 현장에 적용하기 위해 다양한 벼 품종에서 해당 유전자의 자연적인 변이를 찾아보았습니다. 3,000개 이상의 품종을 조사한 결과, WRINKLED1a 유전자의 발현이 더 강한 변이형을 발견했습니다. 그리고 이 "개량된" 대립유전자를 원래 해당 유전자의 발현이 약한 벼에 접목시켰습니다.
중국 하이난성과 안후이성에서 실시된 세 차례의 현장 시험에서, 개량된 품종은 다양한 질소 조건에서도 뿌리와 줄기의 비율이 안정적으로 유지되었고, 더 많은 곡물을 생산했습니다. 상대적으로 낮은 질소 비료 사용량에서도 수확량이 23.7% 증가했으며, 높은 질소 비료 사용량에서도 19.9% 증가했습니다.
이번 연구 결과는 해당 유전자가 보다 지속 가능한 농업을 위한 도구로서 잠재력을 가지고 있음을 보여준다고 옥스퍼드 대학교 매그덜린 칼리지 칼레바 연구센터 소속이자 생물학과 박사후 연구원인 저 지(Zhe Ji) 교수는 밝혔습니다.
지 박사는 보도자료에서 "이번 연구는 이 조절인자가 지속 가능한 작물 개량을 위한 유망한 목표물임을 분명히 보여준다. 현장 시험에서 개량된 유전자가 벼 수확량에 미치는 영향은 놀라울 정도였다"고 밝혔다.
WRINKLED1a의 작용 방식을 더 자세히 조사한 결과, 연구팀은 이 유전자가 식물의 각기 다른 부분에서 서로 다른 역할을 한다는 것을 밝혀냈습니다.
줄기에서 WRINKLED1a는 활성인자 역할을 하여 가지치기를 촉진하는 NGR5라는 또 다른 조절 유전자를 활성화시킵니다. 가지가 많아지면 곡물 생산을 위한 부위도 많아집니다. 뿌리에서는 WRINKLED1a가 질소 흡수에 관여하는 유전자들을 활성화시켜 식물이 토양에서 더 많은 영양분을 흡수하도록 돕습니다.
이 유전자는 또한 뿌리에서 식물 호르몬인 옥신의 생성을 억제하는 단백질 복합체의 작용을 방해합니다. WRINKLED1a는 줄기가 아닌 뿌리에서만 이 복합체를 교란함으로써 벼가 지상부 생장에 부정적인 영향을 주지 않고 뿌리 시스템을 조절할 수 있도록 돕습니다. 이러한 조직 특이적 작용은 "뿌리는 많이, 줄기는 적게"라는 고전적인 상충 관계를 피하는 데 핵심적인 역할을 하는 것으로 보입니다.
쌀은 전 세계 인구 절반 이상의 주식이며, 세계 인구 증가에 따라 수요도 증가하고 있습니다. 하지만 동시에 기후 변화는 쌀 수확량을 위협하고 있습니다. 연구에 따르면 쌀 재배 기간 동안 기온이 1도 상승할 때마다 수확량이 8% 이상 감소할 수 있다고 합니다.
질소 비료는 벼농사에서 가장 큰 비용 중 하나이며, 때로는 총 생산 비용의 약 3분의 1을 차지하기도 합니다. 질소 비료의 생산 및 사용 과정에서 온실가스가 배출되고, 과도한 질소가 논에서 흘러나와 수로를 오염시킬 수 있습니다.
WRINKLED1a 전략은 질소 비료 사용량을 줄이면서도 높은 수확량을 유지할 수 있도록 함으로써 부유한 지역과 저소득 지역 모두의 농부들에게 도움을 줄 수 있습니다. 많은 양의 비료를 구입할 여력이 없는 소규모 농가에게는 이 유전자의 강화된 변이형을 가진 품종이 동일한 토지에서 더욱 안정적인 수확을 의미할 수 있습니다. 대규모 생산자에게는 투입 비용을 절감하고 환경에 미치는 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
난징농업대학교의 주저자인 샨 리는 이 유전자가 작물이 영양 결핍 스트레스에 반응하는 방식을 재설계할 수 있는 방법을 제시한다고 언급했습니다.
"WRINKLED1a는 질소 제한 조건에서 벼가 흔히 겪는 '뿌리는 많이 자라고 줄기는 적게 자라는' 상충 관계를 피하도록 도와 질소 투입량을 줄이면서도 안정적인 수확량을 유지할 수 있도록 합니다. 다음 단계는 밀이나 옥수수와 같은 다른 작물에서 상동 유전자를 활용하여 유사한 결과를 얻을 수 있는지 연구하는 것입니다."라고 리 박사는 보도자료에서 밝혔습니다.
다음 단계는 획기적인 변화를 가져올 수 있습니다. 다른 주요 곡물의 유사한 유전자들도 같은 방식으로 조절할 수 있다면, 이 접근법은 전 세계 곡물 공급의 상당 부분으로 확대될 수 있을 것입니다. 연구자들은 전통적인 육종 방식을 사용하여 더 강한 자연 대립유전자를 도입하거나, 외부 DNA를 추가하지 않고 유전자 편집 도구를 적용하여 유전자 활성을 미세 조정할 수 있습니다.
광범위하게 적용하려면 다양한 환경, 토양 유형 및 농업 시스템에 걸쳐 더 많은 테스트가 필요하며, 토양 건강과 생태계에 미치는 장기적인 영향에 대한 신중한 평가도 필요합니다. 하지만 이번 연구는 식물이 자원을 배분하는 방식을 조절하는 유전적 회로를 이해하고 조정함으로써 더 적은 투입량으로 더 많은 식량을 생산할 수 있다는 가능성을 명확히 보여줍니다.
기후 변화에 대한 압력이 가중되고 비료 가격이 변동하는 상황에서 이러한 효율성 향상은 매우 중요할 수 있습니다. 벼 생장에 있어 WRINKLED1a의 핵심적인 역할을 발견함으로써 식물 과학자와 육종가들은 농업의 가장 오래된 균형 과제 중 하나인 '지구에 과도한 부담을 주지 않으면서 세계 인구를 먹여 살리는 방법'에 대한 새롭고 정확한 해법을 얻게 되었습니다.
출처: 옥스퍼드 대학