Evolution of an unstable sex determination system in white Guinea yam (Dioscorea rotundata)

식물 세계에서 번식의 규칙은 놀라울 정도로 유동적입니다. 많은 동물이 변하지 않는 염색체에 의해 성별이 결정되는 고정된 성을 가진 반면, 꽃을 피우는 식물은 종종 더 유연한 방식을 보여줍니다. 어떤 종은 엄격하게 암컷 또는 수컷이지만, 어떤 종은 동일한 개체에서 두 종류의 꽃을 모두 생산하거나 심지어 해마다 성별을 바꾸기도 합니다. '불안정한 성 표현'으로 알려진 이러한 가변성은 식물이 왜 수컷 또는 암컷 꽃을 피울지 결정하는 과정을 이해하려는 과학자들에게 흔한 난제입니다. 농부들에게 이러한 예측 불가능성은 중대한 장애물입니다. 세계를 먹여 살리는 데 필수적인 작물의 경우, 성별을 안정적으로 제어할 수 없다는 점은 더 나은 수확량이나 병충해 저항성을 가진 새로운 품종을 육종하는 것을 어렵게 만듭니다. 만약 식물이 성별을 계속 바꾼다면 강제로 자가 수분을 유도할 수 없으므로, 육종가들은 바람직한 형질을 고정하기가 쉽지 않습니다.

연구팀은 이제 서아프리카와 중앙아프리카의 주요 주식인 구아나 야마(white Guinea yam)에서 나타나는 이 불안정성의 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이 야마의 유전 코드를 전례 없는 세밀함으로 지도화함으로써, 연구진은 이 식물이 성별을 결정하기 위해 마이크로RNA(microRNA)라고 불리는 아주 작은 분자를 사용하는 특정 유전적 스위치를 사용한다는 사실을 발견했습니다. 이 스위치는 단순한 온-오프 버튼이 아니라 환경적 요인의 영향을 받을 수 있는 시스템이며, 이것이 왜 동일한 식물이 어느 해에는 암컷이었다가 다음 해에는 수컷이 될 수 있는지를 설명해 줍니다. 이 발견은 다른 관련 야마 종에서 발견되는 것과는 구별되는, 최근에 진화한 성 결정 시스템을 드러내며, 향후 식량 안보를 위해 이 중요한 작물을 안정화할 수 있는 새로운 길을 제시합니다.

학명으로 Dioscorea rotundata인 구아나 야마는 개별 식물이 보통 암컷 또는 수컷인 자웅이주(dioecious) 식물입니다. 이러한 성의 분리는 육종 프로그램에 큰 병목 현상을 일으킵니다. 자가 수분이 가능한 다른 작물들과 달리, 야마는 씨앗을 맺기 위해 암컷 식물을 수정시킬 수컷 식물이 필요합니다. 이 과정은 느리고 비효로적이며, 새로운 유전적 개선을 도입하는 것을 어렵게 만듭니다. 더욱이, 연구자들은 이 야마의 성별이 항상 안정적인 것은 아니라는 점을 오랫동안 관찰해 왔습니다. 암컷으로 식별된 식물이 갑자기 수컷 꽃을 피우거나, 단일 식물이 서로 다른 가지에 암컷과 수컷 꽃을 모두 피우는 상태, 즉 자웅동주(monoecy) 현상이 나타나기도 합니다. 이러한 가변성은 한 성장 시즌에서 다음 시즌으로 넘어갈 때 식물이 어떻게 행동할지 예측하는 것을 어렵게 만들었습니다.

이 미스터리를 해결하기 위해 연구진은 세포 속에 담긴 완전한 유전적 지침인 식물의 게놈(genome)에 주목했습니다. 그들은 이 종의 성 결정에 책임을 지는 Z와 W 염색체라고 알려진 특정 한 쌍의 염색체에 집중했습니다. 이 시스템에서 두 개의 Z 염색체를 가진 식물은 항상 수컷이며, 하나의 Z와 하나의 W 염색체를 가진 식물은 암컷, 수컷 또는 자웅동주가 될 수 있습니다. 연구팀은 암수 꽃을 모두 피우는 단일 야마 식물로부터 이 염색체들의 고해 resolution 지도를 생성했습니다. 이를 통해 두 버전의 염색체를 나란히 비교하여 성별 전환을 유발할 수 있는 구체적인 유전적 차이를 찾아낼 수 있었습니다.

그들의 조사 결과, Z 염색체에는 결여되어 있지만 W 염로체에는 존재하는 뚜로 된 영역이 발견되었습니다. 약 170,000개의 유전 코드 글자로 이루어진 이 영역은 마이크로RNA를 생성하는 독특한 유전자를 포함하고 있습니다. 마이크로RNA는 다른 유전 메시지에 결합하여 이를 침묵(silencing)시키는 조절자 역할을 하는 작은 분자입니다. 구아나 야마에서 이 특정 마이크로RNA(이름: dro-miR432)는 W 염색체를 운반하는 식물에서만 발견됩니다. 연구진은 이 분자가 꽃가루 발달에 관여하는 PGL3라는 유전자를 표적으로 한다는 것을 발견했습니다. 마이크로RNA가 존재할 때, 이는 PGL3 유전자를 억제하여 수컷 꽃의 생산을 효과적으로 줄입니다. 마이크로RNA가 없거나 활성이 낮아지면 PGL3 유전자가 자유롭게 기능하여 수컷 꽃의 발달을 허용하게 됩니다.

이 연구는 이 마이크로RNA의 존재가 이 야마에서 보이는 불안정한 성 표현의 핵심이라는 강력한 증거를 제공합니다. 마이크로RNA가 완전히 활성화된 식물에서는 수컷 발달 유전자의 억제가 암컷 꽃으로 이어집니다. 그러나 이 시스템은 영구적인 구조적 변화보다는 조절 분자에 의존하기 때문에, 억제의 정도는 달라질 수 있습니다. 연구진은 이 마이크로RNA의 양이 변동하는 것을 관찰했으며, 이것이 왜 단일 식물이 한 해에는 암컷 꽃을, 다른 해에는 수컷 꽃을 피울 수 있는지를 설명해 줍니다. 연구진은 이 마이크로RNA 유전자를 다른 식물인 담배 식물에 삽관하여, 그것이 야마에서와 마찬가지로 표적 유전자를 성공적으로 침묵시키는 것을 보여줌으로써 이 메커니즘을 확인했습니다.

이 발견은 또한 야마의 진화적 역사에 대한 빛을 비춥니다. 연구진은 구아나 야마의 성 염색체를 야생 야마 및 워터 야마(water yam)의 두 다른 야마 종과 비교했습니다. 그들은 구아나 야마가 성을 결정하기 위해 완전히 다른 유전자 세트와 다른 유형의 염색체 배열을 사용한다는 것을 발견했습니다. 다른 종들이 다른 유전적 스위치에 의존하는 반면, 구아나 야마는 이 마이크로RNA 기반 시스템을 비교적 최근에 진화시켰습니다. 이 시스템을 담당하는 유전 영역은 동일한 유전적 변이를 보유한 야생 조상으로부터 물려받은 것으로 보입니다. 이는 재배 야마의 성적 불안정성이 결함이 아니라, 유연성이 이점이 될 수 있었던 야생의 기원에서 온 잔재임을 시사합니다.

이 발견의 함의는 기초 과학을 넘어 확장됩니다. 성별을 조절하는 특정 유전적 스위치를 식별함으로써, 육종가들은 이제 이 작물을 안정화할 수 있는 잠재적인 도구를 갖게 되었습니다. 만약 과학자들이 이 마이크로RNA의 활성을 제어하는 법을 배운다면, 일관되게 한 종류의 꽃만 생산하는 품종이나, 혹은 심지 even 두 종류의 꽃을 모두 안정적으로 생산하는 식물을 만들어낼 수 있습니다. 이를 통해 농부들은 작물의 자가 수분을 유도할 수 있으며, 이는 육종 과정을 획기적으로 단축하고 더 생산적이고 회복력이 강한 새로운 품종을 빠르게 개발할 수 있게 할 것입니다. 세계 인구의 상당 부분을 먹여 살리는 작물에 있어, 이 유전적 스위치를 이해하고 숙달하는 것은 향다 식량 안보를 보장하기 위한 변혁적인 단계가 될 수 있습니다.