Chromosome level haplotype resolved genome assembly of the apple cultivar Cripps Pink (Pink Lady ® )

농업의 세계에서 사과만큼 친숙하고 경제적으로 중요한 작물도 드뭅니다. 수십 년 동안 과학자들은 많은 식물의 유전적 지침을 읽어낼 수 있었지만, 사과는 특히 까다로운 난제로 남아 있었습니다. 서로 거의 동일한 복사본이 되도록 육종된 일부 작물과 달리, 대부분의 사과나무는 유전적 수준에서 매우 혼합되어 있으며 서로 크게 다를 수 있는 두 개의 뚜렷한 지침 세트를 보유하고 있습니다. 이러한 복잡성은 사과 게놈의 완전하고 정확한 지도를 만드는 것을 어렵게 만들었으며, 연구자들에게 과일의 품질, 질병 저항성, 그리고 나무가 어떻게 성장하는지를 결정하는 미세한 변이들을 놓친 단편적인 시각만을 남겨주었습니다. 명확하고 고해상도의 지도가 없었기에, 왜 특정 사과가 더 맛있는지, 더 오래 저장되는지, 또는 특정 방식으로 색이 변하는지를 이해하는 것은 느리고 종종 추측에 의존하는 게임이었습니다.

이제 연구진은 마침내 세계에서 가장 중요한 사과 품종 중 하나인 크립스 핑크(Cripps Pink), 즉 상업적으로 '핑크 레이디(Pink Lady)'로 알려진 품종에 대해 결함이 없는 완전한 지도를 만들어냈습니다. 서호주에서 개발된 이 품종은 아삭한 질감, 새콤달콤한 맛, 그리고 몇 달 동안 신선함을 유지하는 놀라운 저장 능력으로 전 세계적인 사랑을 받고 있습니다. 이러한 상업적 지배력에도 불구하고, 고품질의 유전적 청사진이 부족했기 때문에 과학자들이 이 독특한 특성이나 로지 글로우(Rosy Glow) 또는 루비 핑크(Ruby Pink)와 같은 인기 있는 색상 변이를 일으키는 자발적 돌연변이를 연구하는 데 한계가 있었습니다. 나무의 두 가지 뚜렷한 유전적 절반을 분리하는 상세한 염색체 수준의 조립을 통해, 연구팀은 이 사랑받는 과일의 유전적 구조를 훨씬 더 깊이 들여다볼 수 있는 토대를 마련했습니다.

연구는 간단하지만 결정적인 단계로부터 시작되었습니다. 바로 서호주 맨짐업 원예 연구소(Manjim-up Horticulture Research Institute)에 있는 크립스 핑크 나무에서 신선한 잎을 채집하는 것이었습니다. 연구진은 이 잎에서 DNA를 추출하였으며, 이때 사용될 첨단 시퀀싱 기술의 요구 사항에 맞춰 DNA 가닥이 길고 온전하게 유지되도록 했습니다. 그 후 그들은 패브이오하이파이(PacBio HiFi) 시퀀싱이라는 방법을 사용하여 긴 유전 코드 구간을 높은 정확도로 읽어냈으며, 이를 통해 DNA 가닥을 작고 혼란스러운 조각들로 부수지 않고 전체 길이를 효과적으로 포착했습니다. 이 긴 읽기 데이터들을 일관된 구조로 조직하기 위해, 그들은 세포핵 내부에서 서로 다른 DNA 부분들이 물리적으로 어떻게 상호작용하고 접히는지 매핑하는 옴니씨(Omni-C) 기술을 사용하여 또 다른 데이터 층을 추가했습니다. 이 상호작용 데이터는 컴퓨터 소프트웨어가 어떤 조각들이 함께 속해 있고 어떻게 배치되어야 하는지를 이해하도록 돕는 가이드 역할을 합니다.

이러-읽기와 상호작용 지도의 조합을 사용하여, 연구팀은 나무가 물려받은 두 가지 서로 다른 염색체 세트를 나타내는 두 개의 분리된 완전한 버전으로 게놈을 조립했습니다. 그 결과, 약 6억 5,700만 개의 빌딩 블록으로 구성된 기본 조립체가 생성되었으며, 이는 각각 약 6억 5,300만 개와 6억 4,600만 개의 빌딩 블록으로 이루어진 두 개의 뚜렷한 하플ло타입(haplotype, 유전형), 즉 두 가지 유전적 버전으로 나뉩로 나누어졌습니다. 각 버전은 사과 종을 정의하는 17개의 염색체로 성공적으로 조직되었습니다. 이 지도의 품질은 매우 높습니다. 연구진은 원래의 DNA 서열 중 거의 모든 조각이 최종 조립체에서 발견될 수 있음을 확인했으며, 오류는 너무 드물어서 코드의 백만 글자당 두 개 미만 수준이었습니다. 또한 이 지도는 결함이 없는 상태(gap-free)로, 즉 염색체 사이에 누락된 구간이 없는데, 이는 이전의 더 파편화된 시도들에 비해 상당한 발전입니다.

지도를 손에 넣은 후, 연구진은 코드 안에 실제로 무엇이 쓰여 있는지에 주목했습니다. 그들은 각 버전의 게놈에서 53,000개에서 54,000개 사이의 단백질 코딩 유전자를 식별해냈으며, 이 숫자는 나무의 생물학적 복잡성을 반영합니다. 거의 모든 유전자가 알려진 기능과 매칭되었으며, 이를 통해 과학자들은 나무의 구조를 구축하는 것부터 환경에 대한 반응을 관리하는 것에 이르기까지 각 부분이 무엇을 하는지 이해할 수 있게 되었습니다. 연구팀은 또한 게놈의 상당 부분인 약 65%가 DNA 전체에 스스로를 복제하고 붙여넣는 서열인 반복 요소(repetitive elements)로 구성되어 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 반복 요소들은 단순한 채움용이 아닙니다. 이들은 게놈이 어떻게 진화하는지, 그리고 특히 염색체가 세포 분열 기구에 부착되는 중심 영역 주변에서 어떻게 조직되는지에 역할을 합니다.

이 새로운 지도의 가장 가치 있는 측면 중 하나는 나무의 두 가지 유전적 버전을 분리하여, 과학자들이 이전에 숨겨져 있던 차이점을 볼 수 있게 해준다는 점입니다. 연구진은 두 유전적 절반이 매우 유사하지만 동일하지는 않다는 것을 발견했습니다. 여기에는 한 버전이 다른 버전에 비해 DNA의 큰 섹션이 뒤집혀 있는 것을 포함한 뚜렷한 구조적 차이와, 한 거대한 유전 블록이 다른 위치로 이동한 하나의 염색체에서의 상당한 재배열이 포함됩니다. 이러한 변이들은 나무가 어떻게 자라고 과일이 어떻게 발달하는지에 영향을 미칠 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 예를 들어, 이 지도는 두 버전 사이의 특정 가동성 유전 요소의 분포 차이를 드러냈으며, 이는 왜 어떤 나무들이 약간 다른 특성을 가진 과일을 생산하는지를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구진은 단백질을 만들지는 않지만 유전자가 켜지고 꺼지는 것을 조절하는 데 필수적인 비코딩(non-coding) 부분도 살펴보았습니다. 그들은 세포의 제어 메커니즘 역할을 하는 수천 개의 전이 RNA(transfer RNAs)와 기타 작은 RNA 분자들을 식별했습니다. 모든 염색체에 걸쳐 나타나는 이러한 조절 요소의 존재는 이 조립체가 게놈의 전체 기능적 풍경을 포착하고 있음을 확인시켜 줍니다. 더욱이, 연구팀은 특정 반복 DNA 패턴과 낮은 유전자 밀도를 찾아냄으로써 세포 분열에 필수적인 염색체의 중심부인 센트로미어(centromeres)의 위치를 지도화했습니다. 이 상세한 구조적 정보는 이전의 파편화된 버전에서는 불가능했던 염색체 구조의 완전한 그림을 제공합니다.

이 작업은 단순히 참조 모델을 제공하는 것에 그치지 않습니다. 이는 오늘날 과수원에서 볼 수 있는 다양한 핑크 레이디 사과를 만들어내는 구체적인 유전적 변화를 이해하는 문을 열어줍니다. 지도가 매우 완전하고 정확하기 때문에, 과학자들은 이제 서로 다른 품종을 비교할 수 있고, 심지어 나무가 노란색 과일 대신 빨간색 과일을 생산하거나 콤팩트한 '스퍼(spur, 짧은 가지)' 모양으로 자라게 하는 정확한 유전적 돌연변이를 찾아낼 수 있습니다. 두 유전적 버전을 분리해서 볼 수 있다는 능력은 연구자들이 한쪽 부모로부터 특정 유전자가 어떻게 발현되는지를 연구할 수 있게 해주며, 이는 이전에는 도달할 수 없었던 세밀한 수준입니다. 이러한 명확성은 육종 프로그램에 필수적인데, 이는 육종가들이 변화하는 기후와 소비자 선호도에 더욱 잘 부합하는 새로운 품종을 만들기 위해 더 정밀하게 바람직한 형질을 선택할 수 있도록 해주기 때문입니다.

이 연구에서 생성된 데이터는 공개적으로 이용 가능하게 되어, 전 세계 과학자들이 자신의 연구를 가속화하기 위해 이 고품질 지도를 사용할 수 있도록 보장되었습니다. 결함 없는 염색체 수준의 크립스 핑크 게놈 뷰를 제공함으로써, 연구진은 세계에서 가장 중요한 사과 품종 중 하나를 이해하는 데 있어 주요 장벽을 제거했습니다. 이 리소스는 게놈 진화에 관한 연구, 새로운 유전자의 발견, 그리고 과일의 품질 및 저장과 관련된 형질 분석을 지원할 것입니다. 과학계가 이 새로운 지도를 탐구하기 시작함에 따라, 사과의 유전 암호를 풀고 미래 세대를 위해 과일을 개선할 수 있는 잠재력은 그 어느 때보다 커졌습니다.