Microbial community context shapes the evolutionary outcome of bacteria evolved on tomato plants
이 연구는 토마토 식물에 적응하는 슈도모나스(Pseudomonas) 박테리아의 진화적 궤적이, 고립된 상태에서의 진화와 비교했을 때 표현형적 결과, 유전적 다양성, 그리고 돌연변이 패턴을 변화시키는 상주 미생물 군집의 존재에 의해 근본적으로 형성된다는 것을 입증한다.
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식물에 서식하는 박테리아는 끊임없이 이중적인 도전에 직면한다. 그들은 식물 자체의 물리적 방어 기제와 화학적 환경을 헤쳐 나가며 식물에 적응해야 하는 동시에, 같은 잎을 공유하는 다른 미생물들과 공간 및 자원을 두고 경쟁해야 한다. 박테리아가 어떻게 진화하는지 연구해 온 수십 년 동안, 과학자들은 종종 이들을 이웃으로부터 격리하여 단독으로 배양함으로써 이 현실을 단순화해 왔다. 이러한 접근 방식은 변화의 주요 동력이 오직 숙주 식물뿐이라고 가정한다. 그러나 야생에서 박테사는 결코 진공 상태에서 존재하지 않는다. 박테리아는 이웃이 서로를 돕거나, 방해하거나, 혹은 무시할 수 있는 복잡한 공동체의 일부로 존재한다. 이 미생물 군집의 존재가 진화의 방향을 바꾸는지 이해하는 것은 매우 중요하다. 특히 농업 분야에서 농부들이 작물을 보호하거나 성장을 촉진하기 위해 유익한 박테리아에 의존하고 있기 때문이다. 만약 유익한 박테리아의 진화 경로가 단순히 주변에 다른 존재들이 있다는 이유만으로 변한다면, 이 미생물들을 실제 현장에서 사용하기 위해 배양하는 전략은 그들이 함께하는 동료들을 반드시 고려해야 한다.
최근 한 연구에서 연구진은 미생물 군집의 존재가 토마토 식물에 서식하는 박테리아의 진화를 어떻게 형성하는지 테스트하고자 했다. 그들은 식물 세계에서 각기 다른 역할을 수행하는 세 가지 뚜렷한 유형의 슈도모나스(Pseudomonas) 박테리아에 주목했다. 하나는 질병을 일으키는 잘 알려진 병원균이고, 다른 하나는 식물 성장을 돕는 유익한 박테리아의 후보이며, 세 번째는 상황에 따라 친구가 될 수도, 적이 될 수도 있는 기회주의자이다. 연구팀은 이 박테리아들을 어린 토마토 묘목에서 12세대 동안 배양했다. 절반의 시간 동안은 각 박테리아를 단독으로 배양했는데, 이를 단일 배양(monoculture) 조건이라 한다. 나머지 절반의 시간 동안은 동일한 박테리아를 고정된 14종의 다른 미생물 종들과 함께 배양하여, 붐비는 다종 배양(polyculture) 환경을 만들었다. 이 두 가지 설정을 비교함으로써 연구진은 사회적 환경이 박테리아의 적응 방식을 변화시키는지 확인할 수 있었다.
결과는 박테리아의 유형과 그들이 함께하는 동료에 따라 크게 달라졌다. 병원성 박테리아를 단독으로 배양했을 때, 이들은 시험관 내에서 훨씬 더 빠르게 성장하도록 진화했지만, 이러한 속도는 대가를 수반했다. 즉, 실제 식물에서 질병을 일으키는 데 있어 효율성이 떨어졌으며, 조상들만큼 식물에 잘 정착하지도 못했다. 이는 병원균이 경쟁에서 자유로워질 때, 실험실 환경에서 빠르게 증식하는 데 도움이 되는 형질을 진화시킬 수는 있지만, 숙체에서 살아남는 능력은 오히려 저하시킬 수 있음을 시사한다. 반면, 유익한 박테리아는 다른 양상을 보였다. 이들은 다른 미생물들과 함께 진화했을 때, 경쟁해야 하는 혼잡한 조건에서도 번성하며 식물에 훨씬 더 잘 정착하게 되었다. 흥미롭게도, 기회주의적 박테리아는 단독으로 있을 때나 군집 속에 있을 때나 행동이나 성장 면에서 거의 변화를 보이지 않았는데, 이는 해당 박테리아의 진화 경로가 더 경직되어 있거나 이러한 특정 압력에 대해 완충되어 있음을 시사한다.
연구진은 또한 이러한 차이를 주도하는 유전적 변화를 확인하기 위해 박테리아 내부를 조사했다. 그들은 환경이 DNA에 뚜렷한 흔적을 남긴다는 것을 발견했다. 고립된 상태에서 진화한 박테리아는 하나의 지배적인 유전적 해결책에 안착하는 경향을 보였는데, 이는 하나의 돌연변이가 전체 집단을 장악하는 과정이다. 그러나 붐비는 공동체에서 진화한 박테리아는 훨씬 더 많은 유전적 다양성을 유지했으며, 많은 서로 다른 돌연변이가 동일한 집단 내에서 공존했다. 또한 붐비는 환경은 일반적인 속도보다 훨씬 더 빠르게 유전적 변화를 축적하는 변이체인 '하이퍼뮤테이터(hypermutator, 과돌연변이주)'의 출현을 촉진했다. 이는 이웃과의 지속적인 경쟁 압력이 박테리아로 하여금 단 하나의 경로에 전념하기보다는 더 넓은 범위의 유전적 선택지를 열어두도록 강요한다는 것을 시사한다.
아마도 가장 놀라운 점은, 실험실에서 박테리아를 키우기에 최적의 조건이 반드시 현장에서 최상의 박테리아를 만들어내는 것은 아니라는 사실을 이 연구가 밝혀냈다는 것이다. 붐비는 공동체에서 가장 잘 진화한 유익한 박테리아는 식물에 가장 강력하게 정착하는 개체가 되었지만, 고립된 상태에서 가장 빠르게 성장했던 버전은 그 속도를 식물 정착 능력으로 연결시키지 못했다. 이러한 괴리는 미생물을 이용해 농업을 개선하려는 모든 이들에게 중요한 교훈을 준다. 즉, 미생물의 역사가 중요하다는 것이다. 멸균된 시험관 안에서는 완벽해 보이는 균주라도, 식물 표면의 복잡한 사회적 풍경을 헤쳐 나가는 법을 배우지 못했다면 실제 세상에서는 실패할 수 있다. 이 연구는 박테리아의 생태적 역할과 그들이 진화하는 공동체 맥락이 미래에 지속적인 각인을 남긴다는 결론을 내리며, 이 작은 유기체들의 행동을 예측하기 위해서는 그들의 유전뿐만 아니라 그들이 거주하는 붐비고 경쟁적인 세계를 이해해야 함을 의미한다.
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