[생명과학] 식량생산량을 증가시킬 수 있는 허수아비 유전자

2013.01.29 18:29

가을의 곰을... 조회 수:2757

식량생산량을 증가시킬 수 있는 허수아비 유전자

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-01-29

 

 

 

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2050년까지 지구의 인구는 95억 명에 이를 것이라는 예측이 제기되는 가운데, 인류는 동일한 양의 물과 비료 그리고 경작지를 가지고 인구의 증가로 인해서 식량조달의 문제에 직면하고 있다. 미국 코넬대학의 연구진은 생산량을 50%정도 증가시킬 수 있는 새로운 종류의 작물을 만들 수 있는 유전자를 발견하여 이러한 문제를 해결할 수 있다고 보고 있다. ‘허수아비 유전자(scarecrow gene)’라고 불리는 이 유전자는 크란츠 구조(Kranz anatomy)라고 알려진 특이한 잎구조를 통제하는 유전자로서 좀 더 효율적으로 광합성을 할 수 있다. 식물은 두 가지 방법 중에 한 가지를 이용하여 광합성을 하게 된다: C3라고 하는 것으로 덜 효율적인 방법으로 고대 식물의 대부분에서 발견되는 광합성으로 밀이나 쌀의 광합성 방법이다. 그리고 C4는 좀 더 효율적인 방법으로 풀이나 옥수수, 사탕수수, 사탕무가 사용하는 광합성 방법으로 가뭄이나 강력한 태양빛 그리고 열이나 적은 질소를 가지고도 광합성을 할 수 있다.

학술지 ‘Plant and Cell Physiology’지에 발표된 논문에 제1 저자인 토마스 슬르윈스키(Thomas Slewinski)는 “연구자들은 크란츠 구조 이면에 존재하는 유전적인 특징을 발견하려고 시도해왔다. 그래서 우리는 이것을 C3작물로 조작했다”고 말했다. 스르윈스키는 코넬대학의 식물생물학 교수이며 이번 연구의 주저자인 로버트 터전(Robert Turgeon)의 박사후 연구원이다. 이번 발견은 “어떻게 전체적인 구조가 조절되는가를 알아내는 실마리를 제공한다”고 터전은 말해다. 그는 “아직 많은 것들이 연구되어야 하지만 이제 연구를 위한 문은 열렸으며 이 허수아비 유전자를 이용하는 방법을 알게 되었다”고 말했다. C4 메커니즘을 C3 메커니즘으로 전환시키는 방법의 가능성은 수십 년 동안 전세계적으로 연구되었다”고 말했다.

만일 C4 광합성이 유전자조작 방법을 통해서 성공적으로 C3식물로 전환된다면, 농부들은 밀과 쌀을 좀 더 덮고 건조한 기후에서 적은 양의 비료로 경작할 수 있을 뿐 아니라 절반 이상의 생산량을 증가시킬 수 있다고 연구자들은 주장했다. C3 광합성은 지구의 역사에서 대기에 이산화탄소의 비율이 높은 상황에서 기원했다. C4 식물은 C3와는 독립적으로 각기 다른 시간과 지역에서 60번에 걸쳐 진화했다. C4 적응구조는 잎에서 크란츠 구조와 연관되며 이것은 관을 둘러싸고 있는 특별한 유관속초세포 (bundle sheath cells)와 잎살 (mesophyll)이라 불리는 세포외막을 포함한다. 유관속초세포와 잎살세포는 다른 종류의 엽록체를 이용하여 2단계 광합성으로 결합되어 있다.

식물의 진화와 구조를 세부적으로 조사하여 슬르윈스키는 C4 식물의 잎에 존재하는 유관속초세포는 뿌리와 줄기에 존재하는 관조직을 둘러싸고 있는 내배엽세포와 유사하다. 슬르윈스키는 C4잎이 뿌리와 줄기의 내배엽세포를 공유한다면 이들 세포들을 통제하는 유전적인 특징도 공유하게 된다고 생각했다. 슬르윈스키는 뿌리에서 내배엽세포를 조정하는 돌연변이 허수아비세포를 갖고 있는 실험적으로 만들어진 옥수수 종을 조사했다. 연구자들이 이 식물을 배양할 때 이들은 뿌리에서 문제를 발견했으며, 그 뒤에 유관속초세포에서 비정상성을 조사했다. 연구자들은 허수아비 돌연변이 잎은 비정상적이고 유관속초세포가 확산되어 있으며 관이 비정규적이었다는 사실을 발견했다.

식물에서 RuBisCo라고 불리는 효소는 공기 중 이산화탄소를 포획하는 반응을 보이고 자당 (sucrose)을 생산하는 첫 번째 단계로 식물에 에너지를 만들어내는 에너지가 풍부한 광합성을 일으킨다. 하지만 C3의 경우에 RuBisCo효소는 산소와 경쟁하는 반응을 일으켜 퇴화되어야 하는 부산물을 만들어내어 전체 효율성을 30~40% 정도 떨어뜨리게 된다. C4 식물에서 이산화탄소 고정현상은 두 가지 단계를 통해 일어난다. 첫 번째 단계는 잎살에서 일어나게 되고 이 반응을 통해 만들어지는 것은 RuBisCo효소를 위해서 유관속초세포로 전달된다. RuBisCo 단계는 유관속초세포에서 산소농도가 낮고 이산화탄소의 농도가 높은 상태이기 때문에 매우 효율적이다. 이것은 산소반응과 경쟁하는 문제를 제거하고 식물을 좀 더 효율적으로 만든다. 이번 연구는 국립과학재단 (National Science Foundation)과 미국농업부 (US Department of Agriculture)의 지원을 받아 이루어졌다.

출처: ‘사이언스 데일리’ 2013년 1월 25일
원문참조:
T. L. Slewinski, A. A. Anderson, C. Zhang, R. Turgeon. Scarecrow Plays a Role in Establishing Kranz Anatomy in Maize Leaves. Plant and Cell Physiology, 2012; 53 (12): 2030 DOI: 10.1093/pcp/pcs147
 
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