CRISPR/Cas9-targeted mutagenesis of tobacco DMR6 homeologs reduces seedling susceptibility to Phytophthora nicotianae race 0
본 연구는 CRISPR/Cas9 매개에 의한 담배의 감수성 유전자인 NtDMR6T와 NtDMR6S의 파괴가 방어 관련 경로를 조절함으로써 Phytophthora nicotianae race 0에 대한 유묘의 감수성을 감소시킨다는 것을 입증하며, 이는 추가적인 농업적 검증이 필요함에도 불구하고 블랙 샹크(black shank) 저항성 육종을 위한 유망한 전략을 제공한다.
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식물이 자신만의 면역 체계를 가지고 있지만, 때로는 성장을 돕기 위해 설계된 바로 그 유전자가 질병이 몰래 침입하는 "뒷문" 역할을 하게 되는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 식물 병리학, 특히 "감수성 유전자(susceptibility genes)"에 초점을 맞춘 과학의 매혹적인 영역입니다. 식물을 요새라고 생각해 보십시오. 보통 우리는 방어라고 하면 침입자와 싸우는 벽과 경비병(저항성 유전자)을 떠올립니다. 하지만 감수성 유전자는 적이 내부로 들어오기 위해 사용하는 숨겨진 트랩도어나 열려 있는 창문과 같습니다. 만약 그 요새를 부수지 않고도 그 특정 창문들을 잠글 방법을 찾을 수 있다면, 식물은 공격하기 훨씬 더 어려워질 것입니다. 이는 담배, 감자, 토마토와 같이 우리가 먹는 많은 작물이 들판 전체를 쓸어버릴 수 있는 토양 전염성 곰팡이 및 난균류(수생 곰팡이와 유사한 생물체)와 끊임없이 싸우고 있기 때문에 매우 중요한 일입니다. 목표는 단순히 식물을 더 강하게 만드는 것이 아니라, 적이 이용하는 약점을 제거함으로써 식물을 더 똑똑하게 만들어, 지속적인 화학적 도움 없이도 질병에 저항할 수 있는 작물을 만드는 것입니다.
이제 우리는 담배 밭에서 벌어지고 있는 구체적인 전투를 들여다보겠습니다. 현재 담배 식물은 "블랙 샹크(black shank)"라고 알려진 질병을 일으키는 지독한 병원균인 Phytophthora nicotianae의 공격을 받고 있습니다. 이 병은 뿌리에서 시작하여 줄기를 검게 변하게 하며, 식물을 죽일 수도 있습니다. 오랫동안 농부들은 이를 "저항성 유전자"로 싸우려 노력해 왔지만, 병원균은 까다롭습니다. 병원균은 빠르게 진화하여 자신의 "제복"을 바꾸며 기존의 방어 체계가 자신을 인식하지 못하게 만들기 때문입니다. 연구진(담배연구소와 바게닝겐 대학교 연구진 주도)은 다른 전략을 시도하기로 했습니다. 새로운 벽을 쌓는 대신, 트랩도어를 잠그기로 결정한 것입니다. 그들은 식물의 자연 방어 물질인 살리실산을 분해하는 관리자 역할을 하는 DMR6라는 특정 유전자에 주목했습니다. 간단히 말해, DMR6는 관리자처럼 작동하여 식물의 방어력을 떨어뜨립니다. 만약 관리자가 너무 열심히 일하면 식물의 방어력은 약해집니다. 만약 그 관리자를 해고하거나(또는 유전자를 파괴하면) 방어력은 강력하게 유지됩니다.
연구진은 분자 가위 역할을 하는 CRISPR/Cas9이라는 첨단 도구를 사용하여 담배 식물의 DMR6 유전자를 잘라내고 비활성화했습니다. 담배는 "이중" 식물(서로 다른 조상으로부터 온 두 세트의 염색체를 가짐)이기 때문에, 그들은 NtDMR6T와 NtDMR6S라고 명명한 두 가지 버전의 이 유전자를 발견했습니다. 그들은 세 가지 유형의 돌연변이 식물을 만들었습니다: 하나는 "T" 유전자가 깨진 것, 하나는 "S" 유전자가 깨진 것, 그리고 둘 다 깨진 것. 이 식물들을 블랙 샹크 질병에 대해 테스트했을 때 결과는 명확했습니다. 유전자가 깨진 식물들은 정상 식물보다 훨씬 덜 아팠습니다. 두 유전자가 모두 깨진 "이중 돌연변이"가 가장 강력했으며, 가장 낮은 질병 점수를 보였습니다. 그것은 마치 두 개의 트랩도어를 모두 잠가서 병원균이 들어오기 매우 어렵게 만든 것과 같았습니다.
하지만 여기서 문제가 있습니다. 유전자를 깨뜨리면 식물의 성장이 멈추거나 모습이 이상해지지 않을까요? 연구진은 하나의 문제를 해결하면 다른 문제가 발생하는 이 "다표현형 효과(pleiotropic effect)"를 걱정했습니다. 그들은 돌연변이 식물을 온실에서 키웠고 심지어 중국 지모(Jimo)의 실제 노지 시험에서도 재배했습니다. 그들은 키, 잎의 수, 잎의 크기 등 모든 것을 측정했습니다. 놀랍게도 돌연변이 식물은 정상 식물만큼 건강하고 키가 컸습니다. 사실, 한 돌연변이 계통은 오히려 약간 더 컸습니다! 이는 DMR6 트랩도어를 잠그는 것이 적어도 단기적으로는 식물의 성장 엔진을 망가뜨리지 않았음을 시사합니다.
왜 돌연변이 식물들이 그렇게 강했는지 이해하기 위해, 과학자들은 식물의 "설명서"(RNA)를 살펴보고 어떤 유전자가 켜지거나 꺼지는지 확인했습니다. 그들은 DMR6 유전자가 깨졌을 때 식물이 방어 엔진을 가동하기 시작한다는 것을 발견했습니다. 경보 신호를 보내고, 보호 물질을 생산하며, 침입자와 싸우는 것과 관련된 유전자들이 모두 초과 근무를 하고 있었습니다. 그것은 마치 식물이 트랩도어가 사라진 것을 깨닫고 즉시 성벽을 더 공격적으로 순찰하기 시작한 것과 같습니다. 그러나 저자들은 자신들이 이 방어 유전자들이 더 많이 "대화"하는 것을 관찰했지만, 이 특정 연구에서 실제 화학 물질이나 식물 내부의 병원균 성장을 직접 측정하지는 않았다는 점을 주의 깊게 언급했습니다. 따라서 증거는 방어 체계가 활성화되어 있음을 강력하게 시사하지만, 그들은 이를 최종적인 모든 단계에 대한 증명이라기보다는 "하위 반응(downstream response)"이라고 부르고 있습니다.
결론적으로, 이 논문은 이 두 DMR6 유전자를 편집하는 것이 담배를 블랙 샹크에 저항성을 갖게 만드는 유망한 전략이라고 결려합니다. 이는 전통적인 방식보다 더 오래 지속될 수 있는 새로운 방식으로 병과 싸우는 방법을 제공합니다. 왜냐하면 식물은 단순히 특정 적이 나타나기를 기다리는 것이 아니라, 일반적으로 감염되기 더 어렵게 만들어졌기 때문입니다. 그러나 연구진은 아직 완전한 승리를 선언하고 있는 것은 아닙니다. 그들은 단 한 종류의 병원균과 한 종류의 담배 품종만을 테스트했다는 점을 지적합니다. 또한 그들은 농부들에게 매우 중요한 요소인 (맛이나 향과 같은) 큐어링된 담배 잎의 최종 품질을 측정하지 않았습니다. 그들은 이 "잠긴 트랩도어" 전략이 모든 곳에서 작동하는지, 그리고 실수로 작물의 품질을 망치지는 않는지 확인하기 위해 다양한 분야와 다양한 병원균 균주에 걸친 더 많은 테스트가 필요하다고 제안합니다. 이는 매우 희망적인 단계이지만, 완벽하고 질병에 저항력이 있는 담배 식물을 향한 여정은 여전히 진행 중입니다.
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