Only a third of Fusarium oxysporum formae speciales are monophyletic: a per-label and per-deposit audit of 363 public genomes
363개의 공개된 *Fusarium oxysporum* 게놈을 감사함으로써, 본 연구는 오직 3분의 1의 전문형(formae speciales)만이 단계통이며 현재의 분류 체계가 상당한 계통발생학적 갈등, 분류학적 중복, 그리고 잘못 표기되었거나 비표적 게놈들로 인해 문제가 많다는 것을 밝히며, 전문형(forma specialis)은 계통발생학적 범주가 아닌 독립적인 증거를 필요로 하는 운영적 병리학적 범주로 취급되어야 한다고 주장한다.
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토양에 서식하는 균류는 종종 인간의 눈에는 보이지 않지만, 우리가 먹는 음식에 엄청난 힘을 행사한다. 이들 중 가장 악명 높은 것들은 푸사리움 옥시스포룸(Fusarium oxysporum) 복합체 구성원들로, 식물의 물관 조직을 막아 식물을 고사시키고 전체 작물을 죽일 수 있는 도관 시듦병을 일으키는 거대한 미생물 가족이다. 1세기 넘게 과학자들은 이 균류들이 어떤 식물을 공격하느냐에 따라 이들을 분류해 왔다. 토마토를 파괴하는 균류는 한 범주에 넣고, 바나나를 죽이는 균류는 다른 범주에 넣는 방식이다. "포마 스페셜리스(forma specialis)"라고 알려진 이 분류 체계는 농부와 식물 육종가들에게는 실용적인 도구이지만, 진화적 역사를 보여주는 지도로 의도된 것은 아니었다. 이 균류들은 현미경 아래에서 외형이 동일해 보이고 주로 유성 생식을 하지 않기 때문에, 그들의 진정한 가계도를 읽어내는 일은 매우 어려웠다. 핵심적인 질문은, 공격하는 식물에 의해 정의된 그룹들이 실제로 생명의 나무 위에서 뚜렷한 가지에 해당하는지, 아니면 단순히 유사한 습성을 공유하는 서로 관련 없는 유기체들의 집합에 불과한지였다.
터키 에게 대학교(Ege University) 연구진의 최근 연구는 수백 개의 이 균류들에 대한 유전적 청사진을 사용하여 이 질문을 체계적이고 대규모로 검토했다. 연구팀은 전 세계 데이터베이스에서 공개적으로 사용 가능한 816개의 게놈 서열을 수집한 후, 이를 363개의 고품질의 독특한 균류 게놈 세트로 필터링했다. 그런 다음 이들 모두가 공유하는 핵심 유전 물질인 약 150만 개의 염기 서열을 비교하여 정밀한 가계도를 구축했다. 그들의 목표는 "토마토 특화" 또는 "바나나 특화"와 같은 전통적인 라벨이 실제 진화적 가지와 일치하는지 확인하는 것이었다. 결과는 극명하고 명확했다. 테스트할 수 있었던 36개의 그룹 중 단 12개만이 진정한 진화적 가족이었다. 즉, 명명된 그룹 중 약 3분의 1만이 단일 계통(monophyletic), 즉 하나의 공통 조상으로부터 유래했음을 의미했다. 나머지 대다수는 나무의 여러 곳에 흩어져 나타났는데, 이는 특정 식물을 공격하는 능력이 여러 번 독립적으로 진화했거나 관련 없는 변종들 사이에서 교환되었음을 나타낸다.
연구진은 이러한 혼란이 단순히 샘플 수가 적어서 발생하는 문제가 아님을 발견했다. 큰 그룹의 크기를 작은 그룹의 크기에 맞춰 수학적으로 줄였을 때도, 흩어져 있는 패턴은 그대로 유지되었다. 멜론, 딸기, 바나나를 공격하는 것과 같은 가장 큰 그룹들은 무려 11개의 별개이고 독립적인 계통으로 나뉘어 있었다. 이는 특정 작물을 감염시키는 능력이 단일 가족의 고정된 형질이 아니라, 매우 다른 유전적 배경에서도 나타날 수 있는 유연한 기술임을 시사한다. 더욱이, 이 연구는 질병을 일으키는 능력이 변종 사이를 이동할 수 있는 별도의 이동성 유전체 부위에 실려 있다는 것을 밝혀냈다. 반면, 주된 유전체 본체는 다른 역사를 기록하고 있다. 이것은 왜 유전적으로 매우 유사한 두 균류가 서로 다른 식물을 공격할 수 있는지, 반대로 유전적으로 먼 두 균류가 왜 같은 식물을 공격할 수 있는지를 설명해 준다.
진화적 발견 외에도, 공개 데이터베이스에 대한 감사 과정에서 데이터 자체의 심각한 문제들이 드러났다. 연구진은 자신들이 가진 게놈 중 거의 11%가 다른 것의 정확한 복제본이며, 따라서 새로운 정보를 담고 있지 않다는 사실을 발견했다. 더 결정적으로, 바나나를 공격하는 균류로 라벨이 붙은 6개의 게놈이 실제로는 유명한 토마토 공격 균류의 복제본이라는 사실을 확인했는데, 이는 데이터 조립 과정 중 컴퓨터 오류로 인해 발생한 것으로 보인다. 이 6개의 게놈은 토마토 균주와 너무나 유사하여 동일한 질병 유발 유전자 세트를 공유하고 있었음에도 불구하고, 바나나 시듦병을 연구하는 데 사용되고 있었다. 또한, 고추를 공격하는 균류로 라벨이 붙은 한 게놈은 푸사리움 속(family)에 속하지 않는 완전히 다른 유기체임이 밝혀졌다. 이러한 오류들은 표준 품질 검사로는 포착되지 않았을 것인데, 유전 서열 자체는 완전하고 잘 조립되어 있었으나, 실수는 서열이 아닌 그들에 붙여진 라벨에 있었기 때문이다.
이 연구는 이 균류들을 숙주 식물에 따라 명명하는 전통적인 체계가 질병 위험을 식별하는 데는 유용한 운영 도구이지만, 진화적 관계를 안내하는 신뢰할 수 있는 지침은 아니라고 결론짓는다. 연구진은 과학자들이 이러한 라벨을 사실로서가 아니라, 유전적 증거를 통해 검증해야 할 가설로 취급해야 한다고 주장한다. 그들은 중복된 항목과 잘못 라벨링된 항목들을 제거하여, 과학계가 사용할 수 있는 정제된 324개의 게놈 세트를 공개했다. 이 작업은 게놈학 분야에 더 넓은 교훈을 준다. 즉, 사용 가능한 유전 서열의 수가 증가함에 따라, 서열 자체를 분석하는 것만큼이나 그 서열에 부착된 메타데이터를 주의 깊게 감사하는 것이 중요해졌다는 점이다. 이러한 면밀한 검토가 없다면, 이 병원균들이 어떻게 진화하고 퍼지는지에 대한 연구는 잘못 식별된 데이터라는 토대 위에 세워질 수 있으며, 결국 생물학적 실재를 반영하지 못하는 결론으로 이어질 수 있다.
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