WiDiPo: A Collection of Wild Diploid Potato for Enhancement of Breeding Germplasm

감자를 전 세계적인 슈퍼스타, 즉 감자튀김, 매시드 포테이토, 혹은 감자칩이 될 수 있는 매우 다재다로움한 채소라고 상상해 보십시오. 하지만 이 요리계의 명성 뒤에는 유전적 위기가 숨어 있습니다. 오늘 우리가 먹는 대부분의 감자는 마치 똑같이 생긴 쌍둥이 합창단와 같습니다. 그들은 모두 동일한 네 세트의 염색체를 공유하며 매우 작은 조상 집단으로 계보를 거슬러 올라갑니다. 이러한 다양성의 결여는 위험합니다. 만약 새로운 질병이나 해충이 나타나 감자 하나를 물리칠 수 있다면, 아마도 그들 모두를 물리칠 수 있을 것입니다. 하지만 자연에는 거대한 백업 라이브러리가 있습니다. 아메리카 대륙의 산과 사막 곳곳에 흩어져 있는 야생 감자 친척들은 극한의 환경에서 살아남기 위해 고유한 초능력을 진화시키며 살아가고 있습니다. 이 야생 친척들은 유전적인 '도구'들의 보물 상자와 같습니다. 즉, 벌레와 싸우거나, 부패를 견디거나, 가혹한 날씨에서 살아남기 위한 유전자들을 가지고 있는 것입니다. 문제는 오랫동안 과학자들이 이 야생 친서들을 일종의 '미스터리 박스'처럼 취급하며 사용해 왔다는 점입니다. 그들은 야생 씨앗 한 봉지를 집어 들고, 그것을 심은 뒤, 승자를 찾기를 바랐습니다. 하지만 그 봉지 안의 모든 씨앗은 서로 다른 유전적 혼합을 가진 서로 다른 개체이기 때문에, 이는 마치 볼 때마다 모양이 변하는 바늘 더미 속에서 특정한 바늘 하나를 찾는 것과 같습니다.

여기서 새로운 접근 방식이 등장합니다. 이 방식은 야생 감자를 모호한 군중이 아니라, 구체적이고 알려진 선수들의 로스터로 취급합니다. 미국 농무부(USDA)의 연구진은 "WiDiPo"(Wild Diploid Potato, 야생 이배체 감자)라고 불리는 특별한 컬렉션을 만들었습니다. 이것을 미스터리 박스를 상세한 비디오 게임 캐릭터 선택 화면으로 바꾸는 것이라고 생각하십시오. 씨앗이 섞인 봉지 대신, 그들은 10종의 서로 다른 야생 종에서 추출한 200개 이상의 개별적인 감자 클론(복제 식물)을 분리해 냈습니다. 각 클론에 이름을 붙이고, DNA 지도를 작성했으며, 그들이 정확히 어떤 초능력을 보유하고 있는지 확인하기 위해 엄격한 "훈련 캠프"를 거치게 했습니다. 목표는 감자 육종가들이 현대의 재배 감자와 팀을 이룰 완벽한 야생 영웅을 쉽게 선택할 수 있도록 하여, 더 강하고, 더 맛있으며, 미래에 대비할 수 있는 새로운 품종을 만드는 것입니다.

WiDiPo 컬렉션: 감자 영웅들의 로스터

연구진은 먼저 재배용 감자의 이배체(두 세트) 버전과 "호환"되는 10종의 서로 다른 야생 감자 종을 선택했습니다. 그들은 단순히 무작위로 씨앗을 집어 든 것이 아니라, 각 종당 10개의 특정 "액세션"(특정 지역에서 채집된 씨앗 그룹)을 선택하여 총 100개의 시작 그룹을 만들었습니다. 이로부터 개별 식물을 키워냈고 가장 우수한 성과를 보이는 개체들을 선발했습니다. 결과적으로 그들은 200개 이상의 개별 클론으로 구성된 라이브러리를 구축했습니다.

왜 이런 수고를 들였을까요? 야생 감자는 복잡하기 때문입니다. 야생 식물에서 나온 씨앗 한 봉지에는 수십 명의 서로 다른 유전적 개체가 들어 있습니다. 만약 그 봉지를 대상으로 질병 저항성을 검사하여 저항성을 가진 식물을 하나 찾아낸다 하더라도, 그 봉지에서 다음 세대를 키워내면 그 저항성이 사라질 수도 있습니다. 왜냐하면 씨앗들이 동일하지 않았기 때문입니다. 따라서 이 식물들을 격리하고 클로닝(유전적으로 동일한 복제본을 만드는 것)함으로써, WiDiPo 컬렉션은 형질을 고정시킵니다. 이제 육종가는 "나는 조기 병해(early blight)에 저항력이 있는 감자가 필요해"라고 말하며, 추측하는 대신 정확히 어떤 WiDiPo 클론이 그 능력을 갖추고 있는지 찾아볼 수 있습니다.

훈련 캠프: 초능력 테스트

연구팀은 이 200개 이상의 클론을 몇 가지 강도 높은 테스트에 투입하여 그들이 무엇을 할 수 있는지 확인했습니다. 그들은 네 가지 주요 영역, 즉 질병 저항성, 해충 저항성, 번식 능력, 그리고 유전적 구성을 조사했습니다.

1. 질병 퇴치군 (조기 병해 및 늦은 병해)
감자는 끊임없이 곰팡이의 공격을 받습니다. 가장 큰 악당 두 가지는 조기 병해(Early Blight)와 늦은 병해(Late Blight)입니다. 늦은 병해는 아일랜드 감자 기근을 일으켰던 바로 그 곰팡이이며, 농장 전체를 초토화할 수 있습니다. 조기 병해는 잎의 품질을 떨어뜨리는 흔한 잎 질병입니다.

• 연구 결과: 연구팀은 저항성이 종 내에서도 매우 다양하다는 것을 발견했습니다. 어떤 클론은 완전히 무력했지만, 어떤 클로은 탱크처럼 강력했습니다.
  • 조기 병해: Solanum raphanifolium 종은 많은 클론에서 일관된 저항성을 보이며 두각을 나타냈습니다. S. microdontum 및 S. brevicaule 같은 다른 종들은 매우 저항력이 강한 클론과 매우 취약한 클론이 섞여 있었습니다. 흥 흥미롭게도, S. infundibuliforme는 이 질병에 거의 보편적으로 약한 모습을 보였습니다.
  • 늦은 병해: 이 부분에서의 저항성을 찾는 것은 더 어려웠습니다. S. berthaultii, S. microdentum, S. verrucosum 등이 일부 강력한 방어력을 보여주었지만, 대부분의 종은 조기 병해보다 늦은 병해에 더 취약했습니다. 놀랍게도, S. raphanifolium 역시 늦은 병해에 대해 높은 수준의 저항성을 보였는데, 이는 이 종이 이전에 이 형질로 알려지지 않았다는 점에서 예상 밖의 결과였습니다.

2. 부패 및 해충 방어군
감자는 들판에서 썩기도 하지만, 저장 중에도 박테리아인 연부 부패(soft rot) 등으로 인해 썩기도 합니다. 또한 감자들은 배를 텅 비게 만들 수 있는 탐욕스러운 곤충인 콜로라도 감자 벌레(CPB)의 위협을 받습니다.

• 연부 부패: 연구팀은 감자 괴경(덩이줄기)이 박테리아 부패에 얼마나 잘 저항하는지 테스트했습니다. 그 결과 엄청난 범위의 차이를 발견했습니다. 다시 한번, S. infundibuliforme와 S. kurtzianum이 가장 부패하기 쉬웠으며, 다른 종들은 강한 저항성을 보였습니다.
• 콜로라도 감자 벌레: 이 부분이 매우 흥ًا 지점이었습니다. 연구진은 곰팡이와 싸우는 데는 형편없었던 일부 종들이 오히려 벌레와 싸우는 데는 뛰어나다는 것을 발견했습니다. 곰팡이나 부패에 약했던 S. kurtzianum과 S. infundibuliforme는 벌레로부터 입는 피해가 거의 없었습니다. 반대로, 곰팡이에 대한 방어력이 뛰어났던 S. raphanimifolium은 벌레에 의해 가장 많은 피해를 입었습니다. 이는 한 종류의 적과 싸우는 데 능숙하다고 해서 반드시 다른 종류의 적과도 잘 싸울 수 있는 것은 아님을 시사합니다.

3. 번식 체크
이 야생 감자들을 육종에 사용하려면 새끼를 칠 수 있어야 합니다. 대부분의 야생 감자는 "자가 불합화성(self-incompatible)"으로, 스스로 수정할 수 없고 파트너가 필요합니다.

• 연구 결과: 테스트한 163개 식물 중 40개가 자가 수정을 통해 열매를 맺을 수 있었습니다. 이는 육종가들에게 금광과 같은 소식인데, 자가 수정이 가능한 식물은 다루기가 훨씬 쉽기 때문입니다. S. verrucosum은 가장 많은 자가 수정 개체(22개 중 18개)를 보유하고 있었던 반면, S. infundibuliforme와 S. raphanifolium은 하나도 없었습니다. 연구팀은 또한 이 식물들이 재배 감자와 교배했을 때 어미 또는 아비 역할을 할 수 있는지 확인했으며, 많은 개체가 양쪽 역할 모두에서 번식력이 있음을 발견했습니다.

4. 유전 지도
마지막으로, 연구팀은 이 클론들의 유전적 관계를 파악하기 위해 DNA를 시퀀싱했습니다. 그들은 10만 개 이상의 유전적 마커를 살펴보기 위해 시퀀싱 기반 유전형 분석(GBS) 방법을 사용했습니다.

• 연구 결과: 유전 지도는 이 종들이 서로 어떻게 관련되어 있는지에 대해 과학자들이 이미 알고 있던 사실을 대부분 확인해주었습니다. 그러나 연구팀은 일부 "혼합된" 개체들을 발견했습니다. 예를 들어, 유전적으로 S. chacoense로 분류된 일부 식물들이 S. berthaultii와 더 닮아 있었고, 그 반대의 경우도 있었습니다. 이는 자연 상태에서 이 종들이 때때로 교잡하여 잡종을 만들어낸다는 것을 시사합니다. 데이터는 또한 WiDiPo 컬렉션이 매우 다양한 유전적 다양성을 포착하고 있음을 확인해주었으며, 이는 육종가들에게 정확히 필요한 것입니다.

이것이 왜 중요한가

이 논문은 야생 감자를 일반적인 씨앗 풀(pool)로 취급하는 기존 방식이 비효of적이라고 제안합니다. 개별적이고 클로닝되었으며 완전히 특성화된 식물 컬렉션을 만듦으로써, WiDiPo 프로젝트는 야생 감자를 정밀한 도구로 변화시킵니다. 이제 육종가들은 데이터를 보고 "클론 X는 조기 병해에 저항력이 있고 자가 수정이 가능하다"는 것을 알 수 있으며, 자신이 무엇을 얻게 될지 정확히 알 수 있습니다.

연구진은 또한 이 야생 클론에서 발견된 저항성이 유전될 수 있음을 보여주었습니다. 저항성을 가진 야생 클론과 재배 감자를 교배했을 때, 그 자손이 저항성을 물려받았습니다. 이는 이 야생 유전자들이 단지 이론적인 것에 그치지 않고 다음 세대에서도 작동한다는 것을 증명합니다.

요약하자면, WiDiPo 컬렉션은 가교 역할을 합니다. 이는 야생의 길들여지지 않은 유전적 잠재력과 신뢰할 수 있는 고수확 작물에 대한 현대의 요구를 연결합니다. 이 프로젝트가 모든 문제를 해결하는 것은 아닙니다. 일부 종은 여전히 까다롭고 야생에서의 유전적 혼합은 복잡합니다. 하지만 이는 다음 세대의 감자 육종을 위한 명확하고 조직된 출발점을 제공합니다. 데이터는 이제 공개되었으므로, 어떤 과학자나 육종가라도 이 "도구"들에 접근하여 미래의 식량 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다.