Characterization of virome of Plasmodiophora brassicae in southwest China

우리 발밑의 숨겨진 세계, 토양 입자가 식물 뿌리와 만나는 곳에서는 종종 소리 없는 전쟁이 벌어집니다. 양배추, 무, 유채와 같은 십자화과 작물의 가장 끈질긴 적 중 하나는 Plasmodium brassicae라고 불리는 미생물입니다. 이 유기체는 균류나 박테리아가 아니라, 식물 뿌리에 침입하여 뿌리를 '뿌리혹병(clubroot)'이라 알려진 크고 왜곡된 혹 형태로 부풀게 만드는 단세포 생물인 원생생물입니다. 이 혹들은 식물이 물과 영양분을 들이마시는 능력을 억제하며, 종종 작물의 완전한 실패로 이어집니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 유기체가 어떻게 식물을 감염시키는지, 그리고 다음 시즌을 노리며 10년 넘게 토양 속에서 어떻게 살아남는지 연구해 왔습니다. 그러나 아주 최근까지도, 이 미생물 침입자가 자신만의 보이지 않는 승객을 태우고 있는지에 대해서는 아무도 알지 못했습니다. 인간이 항상 인지하지 못하는 사이에 세포 내부에 살고 있는 바이러스를 숙주할 수 있듯이, Plasmodoria brassicae 역시 질병이 어떻게 퍼지는지 또는 얼마나 심각해지는지에 영향을 줄 수 있는 작은 유전적 기생체인 바이러스 공동체를 품고 있을 가능성이 있었습니다.

중국의 사천성과 귀주성 출신 연구진은 이 미생물 세계의 내부를 최초로 들여다보기로 했습니다. 그들은 사천 분지의 저지대 들판부터 고산 지대의 고원까지, 해당 지역의 16개 서로 다른 지점에서 병든 식물 뿌리 샘플을 수집했습니다. 그들의 목표는 단순하면서도 심오했습니다. 바로 이 뿌리혹병 병원균의 휴면 포자 안에 어떤 바이러스가, 혹은 어떤 바이러스가 살고 있는지 확인하는 것이었습니다. 샘пло의 모든 것을 한꺼번에 읽어내는 강력한 기술을 사용하여, 그들은 생물학적 물질을 걸러내어 바이러스 생명의 흔적을 찾아냈습니다. 그들이 발견한 것은 놀라울 정도로 풍부하고 다양한 공동체였습니다. 그들은 13개의 서로 다른 가문에 속하는 29종의 서로 다른 바이러스를 식별했습니다. 여기에는 다양한 형태의 RNA로 구성된 유전 물질을 가진 바이러스들과 하나의 DNA 바이러스가 포함되었습니다.

이 발견은 이 병원균이 단독 개체가 아니라 복잡한 생태계임을 드러냈다는 점에서 중요했습니다. 발견된 29종의 바이러스 중 14종은 과학계에 완전히 새로운 것으로 나타났으며, 기존 연구자들에게 알려진 그 어떤 바이러스와도 유전적 유사성이 90% 미만이었습니다. 나머지 15종은 알려진 바이러스였으며, 그중 다수는 양배추나 겨자 같은 식물을 감염시키는 것들이었습니다. 가장 흔한 것 중에는 모든 샘플에서 발견된 오이모자이크바이러스(Cucumber mosaic virus)와 샘플의 90% 이상에서 나타난 순무황색바이러스(Turnip yellows virus)가 있었습니다. 연구진은 또한 이러한 바이러스의 분포가 무작위가 아님을 발견했습니다. 일부는 특정 지역에서만 발견되었는데, 이는 지역적 환경이나 토양의 특정한 역사가 어떤 바이러스가 존재하는지에 역할을 한다는 것을 시사합니다.

아마도 가장 흥미로운 발견은 이 바이러스들과 질병의 심각성 사이의 관계에 관한 것이었습니다. 연구진은 각 들판에서 식물이 얼마나 아픈지를 측정하고 이 데이터를 각 바이러스의 풍부도와 비교했습니다. 그들은 명확한 연결 고리를 발견했습니다. 두 가지 특정 바이러스, 즉 Plasmodiophora brassicae 파티티바이러스 1(partitivirus 1)과 Brassica virus 1_Nap의 풍부도가 높을수록 뿌리혹병의 발생률이 더 높았습니다. 이는 이 바이러스들이 병원균이 더 많은 피해를 입히도록 돕거나, 질병이 퍼지는 조건이 이 바이러스들이 번성하게 하는 조건이 될 수도 있음을 시사합니다. 그러나 연구진은 또한 샘플 내 전체 바이러스의 다양성이 고도, 위도 또는 식물의 질병 정도에 따라 변하지 않는다는 것도 발견했습니다. 이는 특정 바이러스가 질병을 주도할 수는 있지만, 일반적인 바이러스 생명의 혼합은 연구진이 측정하지 못한 요인들, 예를 들어 병원균 집단 자체의 유전적 구성이나 특정 미세 환경에 의해 결정될 가능성이 높음을 의미합니다.

이 연구는 Plasmodia brassicae의 바이러스 공동체가 지도화된 최초의 사례입니다. 이 연구 전에는 이 병원균이 바이로옴(virome)을 보유하고 있다는 생각 자체가 알려진 바 없었습니다. 이번 연구 결과는 뿌리혹병 이해의 새로운 장을 열었습니다. 이제 이 병원균은 단순히 단세포 침입자가 아니라 복잡한 바이러스 공동체의 운반체임이 분명해졌습니다. 비록 이 연구가 이 바이러스들이 병원균이나 식물과 정확히 어떻게 상호작용하는지 아직 증명하지는 못했지만, 질병의 심각성과의 상관관계는 새로운 단서를 제공합니다. 이는 언젠가 뿌리혹병을 관리하는 일이 병원균 자체뿐만 아니라 이 바이러스 승객들을 살펴보는 일을 포함하게 될 수도 있음을 시사합니다. 현재로서는, 이 연구는 이 숨겨진 세계의 기초적인 지도를 제공하며, 토양의 가장 작은 구석에서도 생명이 우리가 이제 막 알아가기 시작한 방식으로 서로 연결되어 있음을 보여줍니다.