Population genomics of transcontinental grapevines reveals divergent evolutionary trajectories and cis-regulatory mechanisms underlying cold adaptation
이 연구는 대륙 간 집단 유전체학과 기능적 검증을 통합하여, 포도의 저온 적응에 있어 서로 다른 진화적 궤적이 겨울철 열 환경에 의해 구동되며, 특히 *vvi-miR169g*가 *NF-YA* 전사체를 절단함으로써 저온 내성을 부정적으로 조절하는 시스-조절(cis-regulatory) 메커니즘을 통해 이루어진다는 것을 밝혀냈다.
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수십 년을 살아가는 식물들은 단일 계절을 살고 마는 식물들과는 다른 과제에 직면한다. 일년생 식물은 내년에 더 좋은 날씨가 돌아오기를 단순히 기다리면 되지만, 다년생 나무나 덩굴 식물은 봄에 다시 성장하기 위해 살아있는 상태를 유지하며 혹독한 겨울 조건을 견뎌내야 한다. 세계적인 산업의 근간인 포도나무에게 있어 결빙 온도를 견뎌내는 것은 생사와 직결된 문제다. 추위를 견디는 능력은 단순히 두꺼운 나무껍질을 갖는 것만이 아니라, 식물이 자신의 유전적 지침을 어떻게 읽어들이는지와 관련된 복잡한 생물학적 과정이다. 과학자들은 서로 다른 지역의 식물들이 추위에 대처하는 서로 다른 방식을 진화시켜 왔다는 것을 오래전부터 알고 있었지만, 어떤 덩굴은 결빙 속에서도 살아남고 다른 것은 사멸하게 만드는 구체적인 유전적 스위치는 그동안 숨겨져 있었다. 이러한 메커니즘을 이해하는 것은 지구 기후가 변화함에 따라 많은 전통적인 와인 재배 지역이 그 한계를 넘어서는 위협을 받고 있는 현 시점에서 매우 중요하다.
상하이 교통대학교의 연구팀은 전 세계 포도나무의 DNA를 조사함으로써 이 미스터리의 층을 벗겨냈다. 그들은 북미에서 발견된 고대 야생 품종부터 수천 년 동안 유럽에서 재배되어 온 재배 품종에 이르기까지, 223개의 다양한 포도나무 샘플을 대규모로 수집했다. 이 식물들의 전체 유전 코드를 시퀀싱하고 이를 자연적으로 자라는 기후와 비교함으로써, 과학자들은 이 두 집단이 어떻게 서로 다른 방식으로 진화했는지에 대한 놀라운 차이를 발견했다. 과실의 품질을 위해 개량된 유럽 포도나무는 하나의 진화 경로를 따랐던 반면, 스스로 혹독한 겨울을 견뎌야 했던 북미 야생 포도나무는 완전히 다른 경로를 따랐다. 이 연구는 야생 덩굴이 전사 후 조절(post-transcriptional regulation), 즉 유전 코드가 읽힌 후에 일어나는 유전자 조절 방식을 통해 정교한 시스템을 발달시켰으며, 이를 통해 결빙 온도에 대해 유연하고 신속한 반응을 할 수 있게 되었음을 밝혀냈다.
연구진은 이 진화적 분리의 주요 동인이 연중 가장 추운 달의 기온이라는 것을 발견했다. 첨단 통계 모델을 사용하여, 그들은 이 특정 열적 필터가 지리적 거리나 다른 환경적 요인보다 북미 야생 개체군의 유전적 구성을 훨씬 더 강력하게 형성했음을 보여주었다. 반면, 인간에 의해 길들여지고 이동된 유럽 포도나무는 극한의 추위 생존보다는 과실의 당도와 색상에 초점을 맞춘 선택의 흔적을 보였다. 연구팀이 이 서로 다른 덩굴들을 통제된 저온 스트레스 테스트에 노출시켰을 때, 그 차이는 물리적으로 가시화되었다. 북미 덩굴은 24시간 동안의 결빙 후에도 식물의 엔진 역할을 하는 광합성 기구를 유지했다. 그러나 유럽 덩굴은 광합성 효율이 급격히 무너졌으며, 잎이 갈색으로 변하며 죽어갔다.
이 차이의 핵심에는 8번 염색체에 위치한 특정 유전적 스위치가 있다. 연구진은 마스터 조절 인자로 작용하는 vvi-miR169g라는 유전자 바로 앞의 영역을 특정해냈다. 이 유전자는 방어 관련 유전자의 전사체를 표적으로 삼아 절단함으로써 저온 내성을 부정적으로 조절한다. 저온에 취약한 유럽 덩굴의 경우, 이 유전자의 프로모터 영역에 존재하는 특정 변이가 '데 노보(de novo)' 모티프를 생성하여 아마도 더 높은 발현을 유도하고 식물의 방어 기제를 억제하는 것으로 보인다. 반면, 추위에 강한 북미 덩굴은 이 동일한 영역에서 더 균형 잡힌 조절을 가능하게 하여 방어 기제의 과도한 억제를 방지하는 다른 유전적 변이(특정 하플로타입)를 보유하고 있다. 연구는 이 유전자가 항산화제 생성과 관련된 또 다른 유전자 세트를 표적으로 삼음으로써 작동한다는 것을 확인했다. 추위가 닥쳤을 때, 북미 덩굴은 vvi-miR169g 유전자가 방어 기제를 과도하게 억제하지 않는 상태를 유지하여, 세포를 손상으로부터 보호하는 항산박제를 생산할 수 있게 한다. 프로모터 변이를 가진 유럽 덩굴은 이러한 조정을 수행하지 못해 결빙 스트레스에 취약해진다.
이 메커니즘이 실제임을 증명하기 위해, 과학자들은 포도 조직에서 해당 유전자를 인위적으로 조작하는 실험을 수행했다. vvi-miR169g 유전자의 활성을 높였을 때, 식물은 추위에 매우 민감해져 심각한 손상을 입었다. 반대로, 이 유전자를 억제했을 때 식물은 결빙에 대한 저항성이 현저히 높아졌으며, 스트레스 상황에서도 건강과 광합성 능력을 유지했다. 이는 이 유전자가 식물의 저온 내성에 대한 브레이크, 즉 부정적 조절 인자로 작용하며, 이 브레이크를 제거하는 것이 생존의 핵심임을 확인시켜 주었다. 연구팀은 또한 컴퓨터 모델을 사용하여 예측된 기후 변화 시나리오 하에서 이러한 유전적 패턴이 어떻게 유지될지 시뮬레이션했다. 결과에 따르면, 일부 야생 북미 개체군은 겨울이 따뜻해짐에 따라 어려움을 겪을 수 있는 반면, 특정 유럽 품종은 극심한 한파 사건이 여전히 발생할 경우 전통적인 와인 재배 지역에서 국지적인 위험에 직면할 수 있음을 시사한다.
이 연구는 다년생 작물이 환경에 적응하는 방식을 단순한 생존 관찰을 넘어 분자 수준까지 명확하게 보여주는 지도를 제공한다. 이는 결빙을 견디고 살아남느냐 아니면 죽느냐의 차이가 종종 유전자가 켜지고 꺼지는 방식을 제어하는 몇 가지 특정한 DNA 서열 변화에서 비롯된다는 것을 보여준다. 이처럼 정밀한 유전적 표적을 식별함으로써, 본 연구는 변화하는 세상의 예측 불가능한 날씨를 견딜 수 있는 포도나무를 육종할 수 있는 새로운 길을 제시한다. 이러한 연구 결과는 과학자들이 이러한 조절 스위치를 미세하게 조정함으로써, 과실의 품질을 희생하지 않으면서도 고품질 유럽 품종의 저온 내성을 강화하여 따뜻해지는 지구에서 포도 재배의 미래를 보장할 수 있음을 시사한다.
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