From Staminate Flower Induction to Seed Harvest: Feminised Seed Production in Cannabis sativa

식물 육종의 세계에서 목표는 종종 한쪽 부모의 강점과 다른 쪽 부모의 풍미를 결합하여, 두 부모의 가장 뛰어난 형질을 모두 가진 자손을 만들어내는 것입니다. 대부분의 작물의 경우, 이는 수컷 식물의 꽃가루를 선택한 파트너의 암컷 꽃에 옮겨 심는 단순한 과정입니다. 그러나 대마(cannabis) 식물은 독특한 생물학적 난제를 제시합니다. 대마는 암수딴그루(dioecious)로, 개별 식물이 뚜렷하게 수컷 또는 암컷으로 구분되며, 상업적 생산물인 꽃(flower)은 암컷에서만 발견됩니다. 상업적 환경에서 수컷 식물이 단 하나라도 존재하는 것은 재앙인데, 그 꽃가루가 암컷을 수정시켜 수확 대상인 밀도 높고 씨 없는 꽃 대신 씨앗을 생성하게 만들기 때문입니다. 이러한 엄격한 분리는 과학자들이 원치 않는 씨앗을 유발하거나 남성 유전자를 도입하지 않고도 두 개의 우수한 암컷 식물을 교배하여 새로운 개선된 품종을 만드는 것을 어렵게 만들어 전통적인 육종을 까다롭게 합니다.

이를 해결하기 위해 연구자들은 오랫동안 유전 코드를 변경하지 않고도 암컷 식물의 성별을 일시적으로 바꿀 수 있는 방법을 모색해 왔습니다. 이 과정은 암컷 꽃의 발달에 필수적인 에틸렌이라는 호르몬을 차단함으로써 식물의 자연스러운 호르몬 신호를 방해하는 화학적 처리에 의존합니다. 이 신호가 적절한 순간에 억제되면 식물의 생식 시스템이 전환되어 암컷 꽃 대신 수컷 꽃을 키우기 시작합니다. 이 개념은 이미 알려져 있었으나, 실제 적용은 일관되지 않았으며, 많은 시도가 충분한 양의 생존 가능한 꽃가루를 생산하지 못하거나 식물이 제대로 기능하기에는 너무 스트레스를 받는 결과를 초래했습니다. 과제는 이 실험실의 기술을 '여성화된(feminized)' 씨앗, 즉 두 암컷 부모로부터 태어났지만 유전적으로는 암컷인 씨앗을 만들기 위한 신뢰할 수 있는 산업 규모의 방법으로 전환하는 것이었습니다.

Agriculture Victoria의 연구팀은 이제 이러한 씨앗을 생산하기 위한 완전하고 단계적인 시스템을 개발함으로써 이 간극을 메웠습니다. 그들의 작업은 단순한 화학 물질 적용을 넘어, 식물의 초기 성장부터 최종 씨앗 수확에 이르는 전체 워크플로우를 구축하는 것으로 나아갑니다. 과정은 단일 고품질 암컷 식물에서 삽수를 취해 통제된 환경에서 키우는 것부터 시작됩니다. 연구원들은 화학 스프레이가 캐노피의 모든 부분에 도달할 수 있도록 특정 분지 구조를 장려하기 위해 식물의 형태를 세심하게 관리하며 가지치기를 합니다. 이러한 준비 과정은 매우 중요한데, 식물이 후속되는 섬세한 작업을 견딜 수 있을 만큼 튼튼하면서도 접근하기 쉬운 상태여야 하기 때문입니다.

식물이 준비되면 팀은 성 전환을 유도하는 티오황산 은(silver thiosulfate) 용액을 적용합니다. 이것은 단발성 사건이 아니라 지속적인 캠페인입니다. 식물은 꽃이 피기 시작할 때부터 몇 주 동안 일주일에 세 번씩 분사됩니다. 타이밍이 결정적입니다. 화학 물질이 밝은 빛에 노출되면 빠르게 분해되기 때문에 스프레이는 어두운 곳이나 희미한 빛 아래에서 뿌려야 합니다. 몇 주가 지나면서 처리된 식물의 암컷 꽃은 눈에 띄는 변화를 겪습니다. 꽃가루를 잡기 위해 사용되는 끈적한 털 모양의 구조를 발달시키는 대신, 꽃은 부풀어 오르고 꽃가루를 포함하는 작은 둥근 주머니를 형성하기 시작합니다. 자연적인 수컷 식물의 것과는 다르게 보이는 이 주머니들은 결국 노랗게 변하며 터져서 생존 가능한 꽃가루 구름을 방출합니다.

연구진은 성공적인 육종 프로그램을 위해 충분한 꽃가루를 얻으려면 3~4주 동안 반복적으로 분사해야 한다는 것을 발견했습니다. 그들은 꽃가루를 채취하기 위해 주머니를 부드럽게 집어 올리고 미세한 체를 통해 식물질로부터 꽃가루 입자를 분리했습니다. 이 꽃가루는 필요한 때까지 생존력을 유지하기 위해 냉동 보관되었습니다. 다음 단계는 이 저장된 입자들을 처리되지 않은 다른 암컷 식물의 암술머리에 수동으로 문지르는 작업이었습니다. 수용 식물들은 병행하여 재배되었으며, 기증 식물이 꽃가루를 생산하는 시점에 맞춰 꽃이 꽃가루를 받을 준비가 되도록 시간을 맞추었습니다. 미세한 브러시를 사용하여 꽃가루를 직접 적용함으로써, 팀은 교잡이 정밀하게 이루어지도록 했으며 원치 않는 오염이 발생하지 않도록 했습니다.

결과는 상당했습니다. 이 기술로 수분된 단 3개의 수용 식물로부터 연구팀은 약 3,000개의 씨앗을 수확했습니다. 이 수확량은 이 방법이 과학적으로 타당할 뿐만 아니라 육종 프로그램에 필요한 대량의 씨앗을 생산하는 데 실용적임을 입증합니다. 생산된 씨앗은 모두 암컷이었으며, 이는 유전 물질이 전적으로 두 암컷 부모로부터 왔음을 확인해 줍니다. 연구진은 처리된 기증 식물이 잎이 노랗게 변하는 등의 스트레스 징후를 보였지만, 이는 정상적인 과정이며 꽃가루의 성공적인 형성을 방해하지 않았다고 언급했습니다. 사실, 이 스트레스는 화학 처리가 암컷 생식 기관을 억제하고 식물의 에너지를 수컷 구조를 만드는 데로 재지시하는 데 효과적으로 작동하고 있다는 신호였습니다.

이 연구는 엘리트 하이브리드 품종을 만들기 위한 신뢰할 수 있는 프레임워크를 제공함으로써 대마 산업에 중요한 진전을 의미합니다. 이 작업 이전에는 육종가들이 성 전환의 예측 불가능성이나 대량의 씨앗을 생산하기 위한 표준화된 방법의 부족으로 어려움을 겪었습니다. 새로운 프로토콜은 유전적으로 균일한 씨앗을 생성하는 명확한 경로를 제공하며, 이 씨앗들은 장기간 보관될 수 있고 부모와 동일한 식물을 키우는 데 사용될 수 있습니다. 이는 노동 집약적이고 질병 위험이 높은 현재의 산업 표준인 삽수 클로닝(cloning) 방식에 비해 큰 장점입니다. 두 개의 선택된 암컷 식물로부터 씨앗을 생성할 수 있게 함으로써, 이 방법은 육종가들이 바람직한 형질을 고정하고 더 높은 정밀도로 새로운 하이브리드를 만들 수 있게 해줍니다. 이 도구를 통해 대마의 과학적 육종 잠재력이 마침내 열리고 있으며, 이 작물이 수동 번식 상태에서 더 발전된 종자 기반 농업 시스템으로 이동하고 있음을 시사합니다.