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[연구] 서울대학교 양태진 교수팀, 단백질 작물인 잠두의 범유전체 국제공동연구 논문 Nature Genetics에 게재
[연구필요성]
서울대학교 양태진교수팀 (서울대 그린바이오과학기술원장, BK21 농림생물자원창의인재양성사업단장)과 한국원자력연구원의 권순재박사팀이 참여한 국제 공동연구팀은 잠두(faba bean)의 겨울 생존 여부가 단 하나의 유전자 위치(genomic locus)에 의해 결정되는 것을 발견했다. 즉, 겨울작형 잠두와 봄작형 잠두 그룹간에는 유전체 상의 단일 유전자 변이에 의해 결정된다는 것이다. 독일의 IPK 라이프니츠 식물유전학 및 작물연구소(IPK Leibniz Institute)와 국제 공동연구팀은 유전체 연구를 통해 겨울형·봄형 잠두를 구분하는 핵심 유전자를 구명하여 향후 단백질 작물로 주목받는 잠두의 품종 개발 속도를 크게 앞당길 것으로 기대한다.
[연구성과/기대효과]
잠두는 인류가 오래전부터 재배해 온 작물로, 단백질 함량이 높고 공기 중 질소를 토양에서 활용 가능한 형태로 전환하는 능력을 갖고 있어 친환경 농업에 중요한 작물이다. 특히 유럽에서는 대두를 대체할 수 있는 지속가능한 단백질 공급원으로 주목받고 있다. 그러나 많은 품종이 내한성이 부족해 추운 지역에서는 겨울을 견디지 못하는 문제가 있다.
연구를 주도한 과학자는 Murukarthick Jayakodi 교수(현재 Texas A&M 교수)는 서울대학교에서 석사와 박사학위를 한 인도 출신 과학자이며 독일의 IPK를 거쳐 Texas A&M 대학교에서 연구를 지속하고 있다. Murukarthick 교수는 벼 보다 25배 이상 유전체 크기가 큰 잠두의 10.7Gbp 참조 유전체(reference genome)를 완성하여 3년전에 Nature 학술지에 게재하였는데 본 연구에서는 광학 지도(optical mapping) 등 다양한 기술을 활용해 유전체 조각들을 더 정확하게 조립하여 6개 염색체의 고정밀 청사진을 제공하였으며 400개 이상의 자원의 유전체 분석을 추가하여 겨울형과 봄형 잠두의 유전체 차이를 정밀 구분하였다.
본 연구에서는 400개 이상의 많은 자원을 총체적으로 비교하므로써 단 하나의 유전자 위치에 있는 단일 대립유전자(allele) 차이만으로 겨울형과 봄형 잠두를 구분할 수 있다는 사실을 발견하였으며 마치 전등 스위치처럼 해당 유전자의 변이에 따라 식물이 겨울을 견디거나 그렇지 못하게 되는 원리를 발견하였다고 할 수 있다.
핵심 유전자 위치에는 CBF/DREB 전사인자(transcription factor) 계열 유전자들이 존재하는 것으로 확인됐다. 이 유전자들은 추운 환경에서 다양한 방어 반응을 활성화하는 핵심 조절 유전자로 알려져 있다. 저온 조건에서 이 유전자들이 크게 활성화된다는 사실을 확인했으며 이는 이들이 식물의 동해 저항성(frost tolerance)에 중심적인 역할을 한다.
연구팀은 또한 동일한 유전자 위치가 다양한 환경에서 안정적인 수량과도 연관돼 있다는 사실을 확인했으며 기존보다 약 50% 높은 생산성을 보이는 겨울형 잠두 품종 개발을 가속화할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구 결과는 겨울형 잠두의 품종 개량 속도를 크게 높일 수 있는 중요한 단서로 평가되며, 연구 성과는 국제 저명 학술지 ‘Nature Genetics’에 3월 10일 게재된다.
[본문]
겨울형 잠두(faba bean)는 봄형 품종에 비해 수량에서 상당한 이점을 보이며, 지역 단백질 생산 확대와 농업의 지속가능성 향상에 기여할 잠재력을 지니고 있다. 그러나 동해(winter kill)의 위험이 재배 확대를 제한하고 있으며, 잠두의 내한성(winter hardiness)에 대한 유전적 기작은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 크게 개선된 잠두 기준(reference) 유전체를 구축하고, 이를 겨울형 및 봄형 계통(accession)의 재시퀀싱(resequencing)과 표현형 분석(phenotyping)과 결합하여 내한성을 결정하는 유전적 요인을 규명하였다.
서리 내성(frost tolerance) 형질에 대한 전장유전체 연관 분석(GWAS) 결과, 주요 내한성 유전자좌(locus)가 확인되었으며, 가장 강하게 연관된 변이는 표현형 변이의 대부분을 설명하고 겨울형과 봄형을 정확하게 구분하는 것으로 나타났다. 또한 겨울형 잠두 유전자 집단 내에서 추가적인 신호도 발견되어, 향후 내한성 향상을 위한 추가적인 개량 가능성을 제시하였다. 본 연구는 향상된 유전체 자원을 제공하고, 세계적인 단백질 작물에서 중요한 농업 형질인 내동한성의 유전적 기초를 규명함으로써 향후 육종 연구를 촉진할 기반을 마련한다.
