Tomato genomic regions and candidate genes linked to responses to a resistance inducer against Phytophthora infestans

농업의 세계에서 농부들은 작물을 파괴하는 질병을 막기 위해 오랫동안 화학 살포제에 의존해 왔습니다. 가장 끈질기고 파괴적인 적 중 하나는 후기 병해(late blight)를 일으키는 미생물인 피토프토라 인페스탄스(Phytophthora infestans)입니다. 이 병원균은 토마토와 감자 수확량을 무서운 속도로 초토화할 수 있습니다. 수십 년 동안 해결책은 불에는 불로 맞서는 방식, 즉 합성 살균제나 구리 기반 제품을 사용하는 것이었습니다. 그러나 박테리아가 항생물질에서 살아남는 법을 배우는 것처럼, 이 병원균들도 자신들을 죽이려는 화학 물질에 저항하도록 결국 진화합니다. 이러한 군비 경쟁은 과학자들이 식물을 보호하기 위한 더 똑똑하고 지속 가능한 방법을 찾도록 몰아세웠습니다. 병원균을 직접 독살하는 대신, 연구자들은 식물 자체의 면역 체계를 방패로 바꾸는 전략을 탐구하고 있습니다. 이 접근 방식은 천연 물질인 저항성 유도제(resistance inducers)를 사용하여 공격이 발생하기 전에 식물의 방어 기제를 "깨우는" 방식입니다. 이것은 식물을 위한 백신과 같으며, 침입자를 더 효과적으로 인식하고 싸울 수 있도록 훈련시키는 것입니다. 하지만 큰 수수께끼가 남아 있습니다. 모든 식물이 이 훈련에 동일하게 반응하는 것은 아니라는 점입니다. 어떤 품종은 이 강화 효과를 완벽하게 흡수하는 반면, 다른 품종은 거의 반응하지 않아 농부들이 최선의 보호를 위해 어떤 씨앗을 심어야 할지 불확실하게 만듭니다.

프랑스의 INRAE 연구팀은 왜 서로 다른 토마토 식물들이 벨빈(Belvine®)이라는 특정 천연 처리제에 이토록 다르게 반응하는지를 조사함으로써 이 미스터리를 해결하고자 했습니다. 효모에서 추출된 이 제품은 이미 노균병과 싸우기 위해 포도나무에 사용하도록 승인되어 있지만, 토마토에 대한 잠재력은 덜 알려져 있었습니다. 과학자들은 이 처리가 얼마나 잘 작동하는지에 대한 차이가 단순히 운이 나쁜 것인지, 아니면 식물의 유전 암호에 기록되어 있는 것인지를 알고 싶었습니다. 답을 찾기 위해 그들은 아주 작은 방울토마토부터 대형 상업용 품종에 이르기까지 148가지의 다양한 토마토 품종을 모아 실제 환경과 유사한 플라스틱 터널에서 재배했습니다. 그들은 식물의 절반에는 벨빈을 처리하고 나머지 절반은 처리하지 않은 채 두었으며, 그 후 모든 식물을 후기 병해 병원균에 노출시켰습니다. 각 잎에서 질병이 얼마나 나타나는지를 세밀하게 측정함으로써, 그들은 모든 품종에 대해 처리가 제공한 보호 정도를 정확히 계산할 수 있었습니다.

결과는 농부들이 의심했던 바를 확인해주었습니다. 처리는 효과가 있었지만, 그 성공 여부는 전적으로 특정 토마토의 종류에 달려 있었습니다. 평균적으로 벨빈 처리는 질병의 심각성을 거의 90% 감소시켰는데, 이는 놀라운 개선입니다. 그러나 보호 수준은 품종마다 크게 달랐습니다. 어떤 토마토는 처리 후 질병에 완전히 면역되어 감염 징후를 전혀 보이지 않은 반면, 다른 토마토는 부분적으로만 보호되었습니다. 이러한 광범위한 결과는 처리에 반응하는 능력이 키나 과일 색깔처럼 세대를 통해 전해지는 형질임을 시사했습니다. 이를 증명하기 위해 연구진은 식물 간의 차이가 유전이 아닌 환경 때문이 아니라 유전자에 의한 것인지를 측정하는 척도인 반응의 유전력(heritability)을 계산했습니다. 그들은 유전이 보호 효율성에 엄청난 역할을 하며, 차이의 절반 이상이 유전자에 의해 설명된다는 것을 발견했습니다. 이는 매우 중요한 발견으로, 육종가들이 자연적인 방어 기제를 더 잘 활용하는 토마토를 선택할 수 있음을 확인해 주었습니다.

유전적 근거가 확인되자, 팀은 다음 단계인 토마토 게놈에서 이러한 변이를 책임지는 특정 부위를 찾는 단계로 넘어갔습니다. 그들은 식물의 전체 DNA를 스캔하여 질병 보호의 차이와 일치하는 미세한 차이를 찾는 강력한 기술인 전장 유전체 연관 분석(Genome-Wide Association Study)을 사용했습니다. 이 탐색은 토마토 염색체 2, 3, 4, 12번에 위치한 다섯 개의 뚜렷한 영역이 처리의 효과와 연결되어 있음을 밝혀냈습니다. 이 유전적 구역 내에서 연구진은 식물의 반응을 제어할 가능성이 높은 여러 후보 유전자들을 식별했습니다. 이 유전자들에는 위협을 감지하는 센서 역할을 하는 단백질을 만드는 지침, 경보 신호를 보내는 데 도움을 주는 단백질, 그리고 병원균에 대항하는 물리적 장벽을 구축하는 효소가 포함되었습니다. 흥ani롭게도, 일부 유전자는 곰팡이 세포벽을 분해하는 효소를 생성하거나 산화 스트레스를 관리하는 것과 같이 처리가 활성화하는 것으로 알려진 유전자들과 동일했습니다.

또한 이 연구는 환경이 중요하다는 점을 강조했습니다. 특정 유전 영역은 모든 조건에서 중요했지만, 어떤 것들은 특정 터널이나 계절에 더 중요하게 작용했는데, 이는 농부에게 가장 적합한 유전적 조합이 지역 기후에 따라 달라질 수 있음을 시사합니다. 연구진은 단순히 위치를 찾는 데 그치지 않고, 해당 지점의 유전자 기능을 살펴보았습니다. 그들은 가장 효과적인 토마토들이 베타-1,3-글루카나아제(beta-1,3-glucanases)와 글루타치온 S-전달효소(glutathione S-transferases)와 같은 단백질을 코딩하는 특정 버전의 유전자를 보유하고 있다는 것을 발견했습니다. 이것들이 바로 경보가 울렸을 때 식물이 감염과 싸우기 위해 사용하는 도구들입니다. 가장 반응이 좋은 식물들이 이러한 특정 유전적 도구를 가지고 있다는 사실은 육종 프로그램이 이제 이러한 형질을 선택하는 데 집중할 수 있음을 의미합니다. 이제 육종가들은 어떤 토마토 품종이 천연 방어 스프레이와 잘 맞을지 추측하는 대신, 강력한 반응을 보장하는 특정 유전적 마커를 찾을 수 있습니다.

이 연구는 과학자들이 저항성 유도제에 대한 토마토 식물의 반응도를 결정하는 유전 영역을 지도화한 최초의 사례입니다. 이전에는 식물의 DNA가 천연 처리에 따른 이득을 결정할 수 있다는 생각이 주로 이론적인 수준에 머물러 있었습니다. 이제 이러한 구체적인 유전적 목표가 식별됨에 따라, 농업의 앞날은 더욱 명확해졌습니다. 농부와 육종가는 스스로 질병에 저항력이 있을 뿐만 아니라 천연 강화제가 주어졌을 때 더욱 강력하게 싸울 준비가 된 새로운 토마로 품종을 개발하기 위해 협력할 수 있습니다. 이 접근 방식은 화학 살균제에 대한 의존도를 줄이는 방법이며, 농업의 가장 오래되고 파괴적인 문제 중 하나에 대한 더 지속 가능하고 친환경적인 해결책을 제시합니다. 이 연구가 후기 병해 문제를 완전히 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 차세대 회복력 있는 작물을 육종하는 데 필요한 필수적인 지도를 제공했습니다.