Reducing transitory starch in cassava impairs photosynthesis and carbon export to storage roots
이 연구는 감자와 달리, MeAPS1a를 표적으로 하여 카사바의 일시적 잎 전분 합성을 억제하는 것이 광합성을 저해하고 저장 뿌리로의 탄소 수출을 심각하게 제한하여, 온실 및 노지 조건 모두에서 궁극적으로 상당한 성장 저해와 수확량 감소를 초래한다는 것을 입증한다.
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식물은 타이밍의 달인입니다. 해가 떠 있는 낮 동안 식물은 빛을 이용해 공기 중의 이산화탄소를 당으로 바꾸는데, 이 과정을 광합성이라고 합니다. 이 당은 성장의 연료가 되지만, 밤에는 해가 비치지 않습니다. 어둠 속에서 살아남기 위해 많은 식물은 낮 동안 일시적인 전분 저장량을 구축하며, 해가 진 후에는 이를 천천히 분해하여 엔진을 계속 가동합니다. 이 밤샘 연료 탱크를 '일시적 전분(transitory starch)'이라고 부릅니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 저장량이 모든 식물에게 엄격히 필요한 것인지, 아니면 어떤 식물들은 단순히 저장 단계를 건너뛰고 모든 당을 과일, 씨앗 또는 뿌리로 직접 보낼 수 있는지 궁금해해 왔습니다. 감자와 같은 작물에서 연구자들은 이 전분 저장량을 줄이는 것이 식물에 해를 끼치지 않는다는 것을 발견했습니다. 오히려 그 과정이 더 많은 에너지를 식용 덩이줄기로 밀어 넣어 수확량을 높이는 것처럼 보였습니다. 이 발견은 희망적인 아이디어를 불러일로었습니다. 아마도 우리가 다른 작물들을 공학적으로 설계하여 밤간의 저장 필요성을 우회함으로써 식량 생산을 극대화할 수 있을지도 모른다는 것이었습니다.
열대 지역에서 수억 명의 사람들에게 중요한 주식 작물인 카사바는 이 실험의 완벽한 후보처럼 보였습니다. 카사바의 전분질 뿌리는 주요 식량원이며, 그 수확량을 개선하는 것은 세계 식량 안보의 문제입니다. 이 전리적 전분이 감자 전략이 카사바에도 통할지 테스트하기 위해, 프리드리히 알렉산더 대학교와 중앙농업대학교의 연구진은 식물의 잎에서 일시적 전분을 만드는 유전자를 억제하기로 했습니다. 그들은 밤간의 저장량을 구축할 수 없는 유전자 변형 카사바 식물을 만들었으며, 이는 식물이 에너지 관리를 위해 다른 전략에 의존하도록 강제하는 효과를 냈습니다. 목표는 식물이 절약된 에너지를 저장 뿌리로 재지정하여 뿌리를 더 크고 풍성하게 만들 수 있는지 확인하는 것이었습니다.
그러나 결과는 전혀 다른 이야기를 들려주었습니다. 연구진이 일시적 전분을 만드는 능력을 제거했을 때, 카사바 식물은 더 효율적이 되지 않았습니다. 대신 심각하게 손상되었습니다. 일시적 전분 저장고가 없자 식물의 광합성 능력은 절반 이상 떨어졌습니다. 식물의 공장 역할을 하는 잎은 전분이 제공하는 완충 장치 없이는 기능하기 위해 고군투쟁했습니다. 뿌리로 더 많은 당을 보내는 대신, 식물은 전체적인 당 생산량이 훨씬 줄어들었습니다. 변형된 식물의 잎 수는 더 적어졌고, 식물 자체도 정상적인 개체보다 훨씬 느리게 자랐습니다. 온실이라는 통제된 환경에서 식물들은 간신히 생존했지만, 분명히 약해진 상태였습니다. 하지만 동일한 식물을 노지에 심었을 때 상황은 처참해졌습니다. 식물들은 아주 작은 캐노피를 형성했고, 저장 뿌리는 정상 식물보다 극도로 작고 가벼워졌습니다. 전분 저장고를 없애 수확량을 높이려던 시도는 반대의 효과를 낳았고, 식물의 성장과 식량 생산 능력을 붕ert(붕괴)시켰습니다.
연구진은 또한 실험 중에 발생한 부차적인 미스터리도 조사했습니다. 그들은 특정 스위치를 사용하여 유전자 변형이 잎에서만 작동하고 뿌리에는 영향을 미치지 않도록 설계했습니다. 그러나 그들은 유전적 신호가 제자리에 머물지 않는다는 것을 발견했습니다. 식물의 내부 메시징 시스템 역할을 하는 RNA라는 작은 분자들이 잎에서 뿌리로 이동한 것입니다. 어린 식물에서는 이 메시지가 뿌리에서도 전분 생성 유전자를 억제할 만큼 강력하여, 공급원과 저장소 모두에서 시스템을 꺼버렸습니다. 그러나 식물이 커지고 나이가 들면서 뿌리에서의 메시지 농도는 옅어졌고, 뿌리에서도 유전적 억제 징후가 사라졌습니다. 그럼에도 불구하고 노령 식물의 뿌리는 여전히 왜소하고 발달이 저해된 상태였습니다. 이는 초기 단계에서 피해가 발생했음을 시사하는데, 즉 잎이 결정적인 성장 단계 동안 뿌리에 충분한 당을 보내지 못했기 때문이지, 뿌리 자체가 유전적으로 변형되었기 때문이 아니라는 것입니다.
이 연구는 카사바와 감자 같은 다른 작물 사이의 근본적인 차이를 보여줍니다. 감자는 잎의 전분을 줄여도 잘 견디며 번성할 수 있는 반면, 카사바는 광합성 기구를 유지하기 위해 그 일시적 저장량에 크게 의존합니다. 식물에게 전분은 단순히 밤을 위한 연료일 뿐만 아니라, 낮과 밤 동안 에너지 생산을 안정적으로 유지해 주는 안정제 역할을 합니다. 이 안정제가 제거되면 전체 시스템이 흔들립니다. 이 연구 결과는 작물 공학에 대한 경고를 담고 있습니다. 한 종에서 통하는 방법이 다른 종에서도 반드시 통하는 것은 아닙니다. 전분 저장량을 줄여 수확량을 높이려는 전략은 보편적인 해결책이 아닙니다. 카사바에게 일시적 전분은 선택 사항이 아닙니다. 그것은 식물의 생애 주기에서 필수적인 부분이며, 우리가 식량으로 의존하는 뿌리를 만들어내는 에너지의 흐름을 지속시키는 데 필수적입니다.
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