Integrating Phenotypic Selection, Population Structure, and SNP-Based Genetic Diversity to Improve Heat Tolerance in Spring Wheat
본 연구는 고수량 및 내열성 계통을 식별하기 위해 103개의 다양한 봄봄밀 유전자형을 열 스트레스 조건에서 평가하였으며, 유전적으로 거리가 먼 유전자형인 WAS_160과 WAS_140을 교배하는 것이 개량된 밀 품종 육종을 위한 유망한 전략임을 밝혔다.
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밀은 매일 수십억 명의 사람들을 먹여 살리는 전 세계 식량 안보의 중추입니다. 그러나 이 중요한 작물은 변화하는 기후로 인한 기온 상승이라는 커지는 위협에 직면해 있습니다. 밀 식물이 강렬한 열기에 노로출될 때, 특히 가장 섬세한 단계인 개화기와 알곡 발육기에 노출되면 식량 생산 능력이 무너집니다. 열기는 식물의 내부 기계 장치를 방해하여 꽃가루를 실패하게 하고 알곡을 쪼그라들게 하며, 이는 결과적으로 수확량을 현저히 감소시킵니다. 농부와 과학자들에게 주어진 과제는 단순히 밀을 재배하는 것이 아니라, 수확량을 잃지 않으면서도 이러한 뜨거운 조건에서 살아남을 수 있는 특정 품종을 찾는 것입니다. 이를 위해서는 식물을 단순히 작물로 보는 것이 아니라, 다른 식물들이 실패하는 곳에서도 번성할 수 있는 숨겨진 강점을 지닌 고유한 유전적 구성을 가진 개별적인 존재로 바라볼 필요가 있습니다.
최근 이집트에서 수행된 한 연구에서, 연구진은 전 세계의 방대한 밀 컬렉션 중에서 이러한 회복력 있는 품종들을 찾아내고자 했습니다. 그들은 이집트 현지 품종과 모로코, 사우디아라비아, 오만 등지의 외래 계통을 포함하여 14개국에서 가져온 103가지 서로 다른 유형의 봄 밀을 수집했습니다. 한계를 테스트하기 위해 연구팀은 이 씨앗들을 두 가지 서로 다른 일정에 따라 사질 양토 밭에 심었습니다. 한 그룹은 최적의 시기에 심어져 식물이 서늘한 날씨 속에 성숙할 수 있도록 했습니다. 다른 그룹은 한 달 늦게 심어져, 결정적인 개화 및 곡립 충전 단계 동안 늦봄과 초여름의 정점인 열기에 직면하도록 강제되었습니다. 이러한 의도적인 지연은 자연적인 열 스트레스 테스트를 만들어냈으며, 식물들을 섭씨 30도를 넘어 첫 번째 시즌에는 최고 44도에 달하는 기온에 노출시켰습니다.
이 열 스트레스 시험의 결과는 극명했습니다. 식물의 높이부터 이삭당 알곡 수에 이르기까지 측정된 모든 형질이 열기에 고통받았지만, 그 피해가 균일하지는 않았습니다. 가장 극적인 손실은 이삭당 곡립 수에서 나타났는데, 첫 번째 시즌에는 거의 58%, 두 번째 시즌에는 47% 감소했습니다. 이는 생식 단계가 식물에게 가장 취약한 지점임을 확인시켜 주었습니다. 반면, 밀 이삭 자체의 길이는 매우 견고하여 약 11%만 줄어들었습니다. 또한 이 연구는 식물들이 모두 똑같이 반응하는 것은 아니라는 점을 밝혀냈습니다. 어떤 품종은 압박 아래 시들어갔지만, 어떤 품종은 자리를 지켰습니다. 각 형질이 얼마나 감소했는지를 측정함으로써, 연구진은 열에 강한 생존자와 열에 취약한 희생자를 구분할 수 있었습니다.
최고의 성과를 낸 개체를 식별하기 위해 과학자들은 단 하나의 측정치에 의존하지 않았습니다. 대신 그들은 알곡 수, 종자의 무게, 이삭의 길이를 포함한 여러 형질을 함께 가중하여 고려하는 종합적인 점수 체계를 사용했습니다. 이러한 접근 방식은 약한 연결 고리들을 걸러내고 최상위 성과자를 정확히 짚어낼 수 있게 해주었습니다. 두 번의 재배 시즌 동안의 데이터를 분석한 결과, 연구진은 혹독한 온도 속에서도 반복적으로 높은 수확량을 기록한 13개의 유전자형 그룹을 식별해 냈습니다. 이 승리자들은 다양한 기원을 가지고 있었는데, 6개는 이집트, 2개는 모로코, 4개는 오만, 1개는 사우디아라비아 출신이었습니다. 반대로, 케냐, 독일, 캐나다 등의 품종을 포함하여 지속적으로 최악의 성적을 보인 11개의 유전자형도 식별하였으며, 이들은 향후 테스트를 위한 유용한 벤치마크 역할을 할 수 있습니다.
이 특정 식물들이 왜 생존했는지 이해하기 위해 연구진은 외형보다 더 깊은 곳을 들여다보았습니다. 연구진은 수천 개의 유전적 마커를 사용하여 식물의 DNA를 조사하고 그들의 관계를 지도화하는 유전적 분석을 실시했습니다. 그들은 103개의 유전자형이 세 개의 뚜렷한 유전적 그룹으로 나뉜다는 것을 발견했습니다. 흥별하게도, 가장 작은 그룹에 가장 높은 농도의 내열성 식물이 포함되어 있었으며, 이는 이 특정 유전적 혈통이 고온을 견디는 데 독특한 이점을 지니고 있음을 시사합니다. 상위 성과자들 사이의 유전적 거리를 계산함으로써, 팀은 넓은 범위의 다양성을 발견했습니다. 최고의 성과자 중 일부는 최근의 공통 조상을 공유하는 매우 밀접하게 연관된 관계였던 반면, 다른 이들은 유전적으로 전혀 남남이었습니다.
미래 육종을 위한 가장 유망한 발견은 유전적 거리와 물리적 성과를 비교하는 데서 나왔습니다. 연구진은 모로코 품종과 사우디아라비아 품종 사이에서 가장 큰 유전적 거리가 존재한다는 것을 발견했습니다. 이 두 식물은 유전적으로 매우 다르지만 둘 다 열기에 잘 견뎌냈기 때문에, 이들을 교잡하는 것은 강력한 전략이 됩니다. 그러한 교잡은 그들의 서로 다른 강점을 결합하여, 잠재적으로 부모 세대보다 훨씬 더 회복력이 있는 자손을 만들어낼 수 있습니다. 반대로, 유전적으로 매우 유사한 두 식물을 교잡하는 것은, 설령 둘 다 성과가 좋더라도 새로운 이득을 얻기 어려울 것입니다. 또한 이 연구는 유전적으로 매우 독특한 것으로 나타난 특정 이집트 품종을 강조하며, 이는 육종 프로그램에 새로운 형질을 도입하는 데 귀중한 후보가 될 수 있습니다.
궁극적으로 이 연구는 온난해지는 세상에서 밀을 개선하기 위한 명확한 로드맵을 제공합니다. 이는 내열성이 단일 형질이 아니라 세심한 관찰과 DNA 분석을 통해 식별할 수 있는 복합적인 유전적 요인의 조합임을 입증합니다. 적절한 부모(높은 수확량과 먼 유전적 거리를 모두 갖춘)를 선택함으로써, 육종가들은 점점 더 극심해지는 열기에 맞설 수 있는 새로운 밀 품종의 개발을 가속화할 수 있습니다. 이 연구는 열 스트레스가 밀 생산을 급격히 감소시키기는 하지만, 재배를 불가능하게 만드는 것은 아니라는 점을 확인시켜 줍니다. 올바른 유전적 도구와 식물 다양성에 대한 깊은 이해가 있다면, 상승하는 기온에 맞서 굳건히 버티는 밀을 재배하여 미래의 식량 공급을 확보하는 것이 가능합니다.
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