Fine mapping and Candidate Gene Identification of a Novel Rice Bacterial Blight Resistance Gene Xa51(t) from Yunnan Landrace Haonuoyang
본 연구는 운남 지역의 재래종인 하오양(Haonuoyang)으로부터 특정 250-bp 결실을 가진 Os11g47910(GRAS 도메인 함유 단백질을 인코딩함)인 새로운 우성 백병 저항성 유전자 Xa51(t)를 정밀 지도 작성 및 식별하였으며, 지속 가능한 벼 질병 저항성을 위한 표지자 보조 육종을 용이하게 하는 KASP 마커를 개발하였다.
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쌀은 수십억 명의 사람들에게 일상의 주식이며, 세계 식량 안보의 무게를 짊어지고 있는 작물입니다. 하지만 이 주식은 끊임없는 적, 바로 세균성 병해(bacterial blight)에 직면해 있습니다. 식물의 물을 운반하는 조직을 침투하는 미세한 박테리아에 의해 발생하는 이 질병은 건강한 초록빛 잎을 하얗고 갈색인 긴 시든 줄기로 변하게 만듭니다. 상태가 좋지 않은 해에는 이 감염으로 인해 수확량의 절반 또는 그 이상이 사라질 수 있습니다. 수십 년 동안 농부와 과학자들은 자연 저항성을 지닌 벼 품종을 육종함으로써 이에 맞서 싸워왔으며, 이는 본질적으로 식물에게 면역 체계를 부여하는 것과 같습니다. 그러나 박테리아는 영리합니다. 그들은 빠르게 진화하며, 불과 몇 년 만에 단일 저항성 품종의 방어 체계를 뚫고 들어오기도 합니다. 이러한 지속적인 군비 경쟁은 과학자들이 새로운 저항성의 원천을 계속해서 찾아 나서야 함을 의미하며, 종종 이 병원균들과 수 세기 동안 공존하며 살아남은 야생 근연종과 고대 재래종에서 그 답을 찾곤 합니다.
최근 한 연구에서 연구진은 중국 운남성의 '하오노양(Haonuoyang)'이라 알려진 특정 지역 재래종 벼에 주목했습니다. 이 재래종은 거의 20년 동안 지역의 챔피언으로서, 지역 내 박테리아가 변화하고 다양해지는 와중에도 테스트된 거의 모든 균주에 대해 이례적인 저항력을 보여주었습니다. 이전의 연구들이 이 저항성이 실재하며 세대를 거쳐 전해진다는 점을 확인했지만, 정확히 어떤 유전적 스위치가 이를 가능하게 하는지는 여전히 미스터리로 남아 있었습니다. 연구팀은 운남 농업과학원 소속 과학자들을 필두로 그 구체적인 스위치를 찾아 나섰습니다. 그들은 저항성을 가진 하오양과 감수성(병에 취약한) 품종인 '징강 30(Jingang 30)'을 교배하여 거대한 자손 집단을 만들었습니다. 어떤 식물이 건강하게 유지되고 어떤 식물이 병에 걸리는지를 추적함으로써, 그들은 탐색 범위를 염색체 11번의 아주 작은 특정 DNA 구간으로 좁혔습니다.
연구진은 고도의 시퀀싱 기술을 사용하여 수천 개의 자손의 게놈을 스캔하며, 저항성 식물과 감수성 식물을 구분 짓는 미세한 유전적 차이를 찾았습니다. 마침내 그들은 단 5개의 잠재적 유전자만을 포함할 정도로 매우 작은 영역을 특정해 냈습니다. 진짜 원인을 식별하기 위해, 그들은 이 다섯 개 유전자의 DNA 서열을 저항성 부모와 감수성 부모 모두에서 조사했습니다. 그 결과, GRAS 가문 단백질(GRAS family protein)로 알려진 단백질을 생성하는 하나의 유전자가 두 부모 사이에서 매우 다르게 나타난다는 것을 발견했습니다. 저항성을 가진 하오양에서 이 유전자는 더 짧았는데, 감수성인 징강 30에는 존재하지만 하오양에는 없는 특정 250-염기쌍(base-pair) 구간이 끝부분에서 결여되어 있었습니다. 이 누락된 조각이 핵심적인 차이점인 것으로 보였습니다.
이 특정 유전자가 실제로 저항성의 원천임을 증명하기 위해, 과학자들은 일련의 엄격한 실험을 수행했습니다. 그들은 이 유전자를 제거하거나 혹은 추가로 복제하여 넣은 새로운 벼 식물들을 만들었습니다. 이 변형된 식물들을 세균성 병해 박테리아에 감염시켰을 때, 결과는 명확했습니다. 유전자가 제거된 식물은 병에 훨씬 더 취약해진 반면, 유전자가 추가된 식물은 현저히 강한 저항성을 보였습니다. 강력한 현미경을 통한 추가 관찰 결과, 저항성을 가진 식물에서는 감염 부위 근처의 세포들이 훨씬 더 오랫동안 구조를 유지하여 박테리아의 확산을 늦춘 반면, 감수성 식물의 세포들은 빠르게 붕괴되었습니다. 연구진은 또한 벼 식물이 이 저항성 유전자를 보유하고 있는지 빠르게 식별할 수 있는 간단한 유전 검사를 개발했으며, 이는 육종가들이 새롭고 내구성이 강한 품종을 개발하는 데 사용할 수 있는 도구가 되었습니다.
이 발견은 이 유전자가 기존에 과학계에 알려진 많은 유전자와는 구별되는 완전히 새로운 유형의 저항성 유전자를 식별했다는 점에서 매우 중요합니다. 연구팀이 Xa51(t)라고 명명한 이 유전자는 보통 질병 방어가 아닌 식물의 성장 및 발달과 관련된 단백질 가문에 속합니다. 이 가문이 박테리아 병해와 싸우는 데에도 결정적인 역할을 한다는 사실을 발견한 것은 식물이 스스로를 어떻게 보호하는지에 대한 이해의 새로운 길을 열어줍니다. 이 연구는 하오양의 저항성이 단일 우성 유전자에 의해 조절된다는 점과, 유전자 서열에서의 특정 결실이 식물의 생존을 가능하게 한다는 점을 확인해 줍니다. 운남 지역 재래종의 유전적 자산을 활용함으로써, 연구진은 변화하는 기후와 지속적인 질병의 위협 속에서 더 안정적인 수확을 제공할 수 있는, 박테리아 병해를 견뎌낼 수 있는 벼 육종을 위한 강력한 새로운 도구를 제공했습니다.
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