Comparative mutagenic effectiveness and efficiency of gamma rays and sodium azide in cowpea (Vigna unguiculata (l.) Walp.)
2021~2022년 인도에서 수행된 한 연구는 감마선과 아지드화나트륨의 복합 처리가, 특히 200 Gy + 0.02% SA 조건에서 단일 돌연변이 유발제와 비교하여 동부콩의 다양하고 바람직한 유전적 변이를 생성하는 데 있어 더 우수한 돌연변이 유발 효과와 효율성을 제공한다는 것을 입증하였다.
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농부들은 식물의 유전 암호에서 드물고 유익한 변화가 나타나기를 기다리며, 자연의 느리고 꾸준한 작용에 의지해 작물을 개선하는 데 오랫동안 매달려 왔습니다. 하지만 단백질이 풍듯한 씨앗을 생산하며 덥고 건조한 지역에서 재배되는 강인한 콩과 식물인 동부(cowpea)와 같은 작물의 경우, 자연적인 유전적 다양성의 풀은 상당히 좁습니다. 이 식물들은 대부분 자가 수분을 하기 때문에 다른 작물만큼 이웃 식물과 자유롭게 유전자를 섞지 않으며, 이로 인해 육종가들은 더 나은 새로운 품종을 만들기 위한 선택지가 제한됩니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 돌연변이 육종이라는 기술을 사용합니다. 이 과정은 씨앗을 특정 물질에 노출시켜 유전자에 의도적으로 작고 무작위적인 변화를 일으키는 것을 포함합니다. 목표는 식물에 손상을 입히는 것이 아니라, 많은 변화 중에서 조기 성숙, 더 강한 성장 또는 더 나은 씨앗과 같은 바람직한 형질을 결과로 가져올 수 있는 새로움의 불꽃을 일으키는 것입니다. 이 작업을 위한 두 가지 일반적인 도구는 씨앗 깊숙이 침투하는 고에너지 방사선의 일종인 감마선과, 유전 암호에 미세하고 정밀한 편집을 가하는 화학 물질인 아지드화 나트륨입니다.
최근 인도 자이푸르에서 수행된 한 연구에서, 연구진은 동부에 이 도구들을 사용하는 가장 효과적인 방법을 찾고자 했습니다. 그들은 이미 가뭄 생존 능력과 빠른 수확 시기로 가치를 인정받고 있는 RC-101이라는 인기 품종을 대상으로 작업했습니다. 연구팀은 수천 개의 씨앗을 다양한 강도의 감마선과 아지드화 나트륨으로 처리하였으며, 두 물질을 각각 따로 혹은 함께 사용했습니다. 그들은 방사선량을 150에서 400 단위까지, 화학 농도를 0.01%에서 0.06%까지 변화시키며 테스트했습니다. 연구진은 섬세한 균형을 맞추어야 한다는 점을 이해하고 있었습니다. 처리가 너무 약하면 충분한 변화를 만들어내지 못할 것이고, 너무 강하면 단순히 씨앗을 죽이거나 식물을 약하게 만들어 자라지 못하게 할 것이기 때문입니다. 그들은 처리된 씨앗을 심고 첫 세대가 자라는 과정을 면밀히 관찰하며, 얼마나 많은 씨앗이 발아하고 어린 묘목이 얼마나 건강한지를 측정했습니다. 그런 다음 생존한 개체들로부터 씨앗을 수확하여 두 번째 세대를 길렀는데, 바로 이 단계에서 유전적 변화가 눈에 보이게 됩니다. 이 두 번째 세대에서 과학자들은 두 가지 유형의 변화를 관찰했습니다. 하나는 유전적 변화를 쉽게 알아볼 수 있는 표지 역할을 하는 잎 색깔의 변화이고, 다른 하나는 키, 잎의 크기, 씨앗의 외형과 같은 식물의 물리적 형태의 변화입니다.
결과는 명확한 패턴을 보여주었습니다. 처리 강도가 높아질수록 발아하는 씨앗은 줄어들었고 살아남은 식물은 더 약해졌습니다. 이는 처리가 실제로 생물학적 스트레스를 유발하고 있음을 확인시켜 주었습니다. 그러나 연구진은 손상은 중간 정도이면서 유전적 변화는 유의미한 "최적의 지점(sweet spot)"을 찾아냈습니다. 그들은 200 단위의 감마선과 0.02% 농도의 아지드화 나트륨을 결합한 처리가 돌연변이 유도와 생물학적 손상 사이에서 최상의 균형을 제공하며, 가장 높은 돌연변이 유도 효과와 효율성을 나타낸다는 것을 발견했습니다. 이 특정 조합은 가장 효율적이었는데, 이는 생존한 식물의 수 대비 새로운 돌연변이를 만들어내는 비율이 가장 좋았음을 의미합니다. 변화의 다양성을 살펴보았을 때, 두 처리를 병행하는 것이 어느 하나를 단독으로 사용하는 것보다 우수하다는 것이 증명되었습니다. 두 가지 처리를 모두 받은 식물은 성장 습성, 잎 모양, 씨앗 특성을 포함하여 더 넓은 범위의 새로운 형질을 보여주었습니다.
200 단위의 방사선과 0.02% 화학 물질 혼합물이 가장 효율적이었지만, 연구진은 이보다 약간 더 강한 조합인 250 단위의 방사선과 0.03%의 화학 물질이 식물에 약간 더 많은 스트레스를 주기는 했으나 가장 높은 돌연변이 빈도와 가장 넓은 스펙트럼의 바람직한 돌연변이를 생성한다는 것을 발견했습니다. 이 더 높은 용량은 왜소한 식물, 덤불 형태의 성장 패턴, 뚜렷한 흰색 껍질을 가진 씨앗과 같은 바람직한 유형을 포함하여 광범위한 변화를 만들어냈습니다. 이 연구는 물리적 요인과 화학적 요인을 함께 사용하는 것이 시너지 효과를 일으켜, 어느 한 방법만 사용했을 때보다 더 많은 유전적 다양성을 생성한다는 것을 확인시켜 주었습니다. 연구팀은 동부 작물을 개선하기 위한 새로운 유전적 자원을 제공할 수 있는 돌연변이 식물 컬렉션을 성공적으로 확보했습니다. 이러한 발견은 방사선과 화학 물질의 혼합을 정밀하게 조절함으로써, 육종가들이 변화하는 기후에 더 잘 적응하고 농부들에게 더 생산적인 동부 품종을 개발하는 데 필요한 원료를 안정적으로 생성할 수 있음을 시사합니다.
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