Rice brown spot resistance gene bsr1 also confers resistance to bacterial blight by suppressing sucrose efflux

우리가 의존하는 식량이 보이지 않는 침입자들의 끊임없는 공격을 받는 세상을 상상해 보십시오. 식물 과학의 영역에서 이것은 매일 일어나는 현실입니다. 식물은 요새와 같지만, 까다로운 약점이 있습니다. 성장을 위해 자신의 당(에너지)을 나누어 주어야 한다는 점입니다. 그리고 어떤 영리한 병원균들은 식물을 속여 문을 열고 침입자들을 먹이기 위해 당을 쏟아내게 만드는 법을 정확히 알고 있습니다. 이것은 단순히 힘의 대결이 아니라, 보급로의 대결입니다. 과학자들은 식물이 실수로 나쁜 녀석들을 먹이는 것을 막을 수 있다면, 식물이 살아남을 수도 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 하지만 이 당의 흐름을 조절하는 특정 '스위치'를 찾아내고, 식물의 성장을 해치지 않으면서 식물을 보호하기 위해 그 스위치를 어떻게 켜야 하는지를 알아내는 것은 거대한 난제였습니다.

이제, 마침 finally 사건을 해결한 쌀 탐정 팀을 상상해 보십시오. 그들은 특정 종류의 쌀인 '타두칸(Tadukan)'이 어떻게 '갈색무늬병(brown spot)'이라 불리는 지독한 곰팡이 질환으로부터 면역력을 갖는지, 그 비밀 무기를 찾고 있었습니다. 갈색무서병은 논을 갈색으로 시들어가는 황무지로 만들 수 있는 병입니다. 그들은 bsr1이라고 이름 붙인 유전자를 찾아냈습니다. 여기서 반전은, 이 유전이 전통적인 방패나 독침처럼 작동하지 않는다는 점입니다. 대신, 이 유전은 스마트한 클럽 보안 요원처럼 행동합니다. 논문은 bsr1이 사실 수송체, 즉 식물 세포벽에 있는 아주 작은 문이며, 보통 당이 밖으로 흐르게 하는 역할을 한다고 밝히고 있습니다. (취약한 쌀에서 발견되는) '나쁜' 버전의 이 문은 활짝 열려 있어 곰팡이가 당을 마음껏 먹고 자라게 합니다. 하지만 (저항력이 있는 타두칸 쌀에서 발견되는) '좋은' 버전은 매우 특정한 방식으로 고장 나 있습니다. 바로 곰팡이가 문을 열려고 속이려 할 때 문이 열리기를 거부하는 것입니다. 당을 세포 안에 가둠으로써, 식물은 침입자를 굶겨 죽입니다. 더 멋진 점은, 이 동일한 '고장 난 문' 전략이 다른 종류의 적, 즉 박테리아인 '흰잎마름병(bacterial blight)'으로부터도 식사를 차단할 수 있다는 것인데, 다만 특정 균주들에 대해서만 그렇습니다. 연구진은 이 유전자가 세포벽에서 문이 놓이는 물리적인 방식을 변화시켜, 적이 문을 열려고 시도할 때 효과적으로 문을 꽉 닫아버림으로써 작동한다는 것을 보여주었습니다. 이 과정에서 쌀의 성장에는 지장을 주지 않았습니다.

설탕 자물쇠 이야기

악당: 갈색무늬병과 설탕 함정
쌀은 지구 인구 절반의 생명줄이지만, 무서운 적에 직면해 있습니다. 바로 '갈색무늬병'을 일으키는 곰팡이인 Bipolaris oryzae입니다. 이 질병은 전 세계적인 악몽입니다. 이 곰팡이는 열기에 번성하며, 지구가 따뜻해짐에 따라 미국이나 남아프리카 공화국 같은 새로운 지역으로 퍼지고 있습니다. 피해가 심할 때는 농작물의 최대 90%를 전멸시켜 기근과 기아를 초래할 수 있습니다. 수십 년 동안 농부들은 값비싼 화학 물질로 맞서 싸워왔지만, 곰팡이는 계속 승리해 왔습니다. 과학자들은 필리핀의 저항력이 강한 쌀 품종인 타두칸이 존재한다는 것은 알고 있었지만, 그것이 어떻게 작동하는지는 몰랐습니다. 그것이 화학 무기였을까요? 두꺼운 피부였을까요? 아니면 전혀 다른 무엇이었을까요?

탐정 작업: 유전자 찾기
연구진은 강한 저항력을 가진 타두칸 쌀과 대중적이지만 취약한 일본 품종인 코시히카리(Koshihikari)를 교배하는 것으로 시작했습니다. 그들은 수천 개의 자손을 만들고, 저항력은 유지하면서 야생 쌀의 다른 이상한 형질들은 잃어버린 개체들을 찾아냈습니다. 방대한 탐색 끝에, 그들은 염색체 11번의 아주 작은 31.2 킬로베이스 DNA 구간으로 범위를 좁혔습니다. 이 작은 구획 안에서 그들은 Os11g0620400이라는 유전자를 찾아냈고, 이를 bsr1(brown spot resistance 1)이라고 개명했습니다.

이 유전자가 영웅임을 증اق하기 위해, 그들은 "만약 ~라면 어떨까?"라는 게임을 수행했습니다. 그들은 CRISPR라는 분자 도구를 사용하여 약한 품종인 코시히카리의 이 유전자를 파괴했습니다. 갑자기 약했던 쌀이 강해졌습니다! 그 쌀은 저항력 있는 타두칸처럼 곰팡이에 저항할 수 있게 되었습니다. 이는 bsr1이 정말로 핵심 열쇠였음을 확인해 주었습니다.

메커니즘: 꽉 막힌 문
그렇다면 bsr1은 어떻게 작동할까요? 이 유전자는 당 수송체 역할을 하는 단백질을 코딩합니다. 식물 세포를 맛있는 설탕(자당)이 가득한 집이라고 생각해 보십시오. 곰팡이는 이 집에 침입하려는 도둑입니다. 보통 식물은 정상적인 성장을 위해 설탕을 통로(아포플라스트)로 내보내는 문(수송체)을 가지고 있습니다. 하지만 곰팡이는 마스터 키를 가지고 있습니다. 그것은 문을 활짝 열도록 속여서 통로에 설탕을 넘쳐나게 만들어, 곰팡이가 그것을 먹고 자라게 합니다.

연구진은 저항력이 있는 타두칸 쌀의 bsr1 유전자에 아주 작은 돌연변이가 있다는 것을 발견했습니다. 마치 문이 꽉 끼어버린 것과 같습니다. 곰팡이가 마스터 키를 사용해 문을 열려고 할 때, 문은 닫힌 상태를 유지합니다. 설탕은 식물이 필요로 하는 세포 안에 갇혀 있고, 곰팡이는 굶주리게 됩니다.

그들은 곰팡이를 이용해 두 종류의 쌀을 감염시켜 이를 테스트했습니다. 약한 쌀에서는 감염 후 잎의 설탕 수치가 급격히 떨어졌습니다. 설탕을 도둑맞은 것입니다. 반면 저항력이 있는 쌀에서는 설탕 수치가 높게 유지되었습니다. 문이 꽉 막혀 있었고, 도둑은 아무것도 얻지 못했습니다.

이중 스파이: 박테리아와도 싸우다
여기서 이야기는 더욱 흥미로워집니다. 연구진은 이 "꽉 막힌 문" 전략이 다른 적들에게도 통할지 궁금했습니다. 그들은 박테리아인 Xanthomonas oryzae에 의해 발생하는 다른 질병인 '흰잎마름병'에 대해 저항력이 있는 쌀을 테스트했습니다.

결과는 어땠을까요? 효과는 있었지만, 조건이 있었습니다. 쌀은 한 가지 특정 박테리아 균주(T7174)에는 저항력을 보였지만, 다른 균주들에는 그렇지 않았습니다. 이는 곰팡이와 이 특정 박테리아가 모두 설탕 문을 속이려 하지만, 서로 약간 다른 마스터 키를 사용한다는 것을 시사합니다. bsr1의 잠금 장치는 곰팡이와 그 특정 박테리아를 막기에는 충분히 강력하지만, 다른 박테리아들은 문을 여는 데 사용할 수 있는 다른 키를 가지고 있습니다.

대가 없는 승리
초강력 저항성 작물에 대한 흔한 걱정은 그들이 약하거나 식량 생산량이 줄어들 수 있다는 것입니다. 연구진은 질병이 없는 환경에서 저항성 쌀을 재배했습니다. 결과는 어땠을까요? 저항성 쌀은 약한 쌀만큼 똑같이 잘 자랐습니다. 곡물 생산량도 같았고, 키도 같았으며, 꽃이 피는 시기도 같았습니다. "꽉 막힌 문"은 식물의 성장 능력에 지장을 주지 않았습니다. 오직 적이 나타났을 때만 도움을 주었습니다.

거시적 관점
이 발견은 매우 중요한데, 왜냐하면 당 수송을 조절하는 유전자가 곰팡이 질환을 퇴치하는 데 사용된 첫 번째 사례이기 때문입니다. 보통 과학자들은 독을 만들거나 두꺼운 벽을 만드는 유전자를 찾습니다. 하지만 이 유전자는 단순히 적에게 먹이를 주기를 거부함으로써 싸웁니다. 또한, 동일한 메커니즘이 두 가지 다른 종류의 적(곰팡이와 박테리아)과 싸울 수 있다는 것을 보여주는데, 이는 드물고 가치 있는 일입니다.

연구진은 또한 이 유전자의 역사도 추적했습니다. 그들은 "막힌" 버전의 유전자가 수천 년 전 야생 쌀의 조상들에게서 나타났으며, 농부들이 작물을 살리기 위해 이를 보존해 왔다는 것을 발견했습니다. 그것은 눈앞에 숨어 있다가 과학자들이 세상을 먹여 살리기 위해 사용하는 법을 알아낼 때까지 기다려온 천연 초능력이었습니다.

요약하자면, 이 논문은 갈색무늬병으로부터 쌀을 구하는 비결이 더 큰 벽을 쌓거나 더 강한 독을 만드는 것이 아니라고 말합니다. 그것은 도둑들이 살아남는 데 필요한 설탕을 얻지 못하도록 찬장 문을 잠그는 것에 관한 것입니다. 그리고 이 발견 덕분에, 우리는 곧 스스로 그 문을 잠글 수 있는 쌀을 갖게 될지도 모릅니다.