Construction and preliminary characterization of an early generation multi-parent sorghum bicolor population for climate-adaptive breeding

아프리카와 아시아의 건조 및 반건조 지역에서, 단 하나의 작물이 수백만 명의 사람들에게 생존의 기둥 역할을 하고 있습니다. 수수(Sorghorun)는 단순한 곡물 그 이상입니다. 그것은 주식이며, 가축 사료의 원천이자, 산업용 원료이기도 합니다. 이 식물이 이토록 필수적인 이유는 다른 작물들이 실패하는 곳에서도 살아남을 수 있는 능력, 즉 극심한 열기와 비가 오지 않는 긴 기간을 견뎌내는 능력 때문입니다. 이 지역의 농부들에게 있어, 수확과 기근 사이의 차이는 종종 그들이 심는 씨앗의 유전적 구성에 달려 있습니다. 그러나 이러한 작물을 개량하는 것은 느리고 어려운 과정입니다. 전통적인 육종 방식은 종종 단 두 개의 부모 식물을 교배하는 것에 의존하며, 이는 육종가들이 사용할 수 있는 형질의 다양성을 제한합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 여러 다른 부모 식물의 유전자를 한꺼번에 섞는 더 복잡한 전략에 주목하고 있습니다. 이 접근 방식은 풍부한 유전적 조합의 태피스트리를 만들어내어, 가뭄 중에도 초록색을 유지하는 능력이나 비가 끝나기 전에 빠르게 성숙하는 능력과 같은 훨씬 더 넓은 선택 가능한 형질의 풀을 제공합니다.

나이로비 대학교 연구진과 그 파트너들은 이러한 자원을 구축하기 위해 힘을 모았습니다. 그들은 각각 가뭄 내성, 고수율, 또는 조기 성숙과 같은 특정 강점을 가진 11개의 뚜렷한 부모 계통을 교배하여 새로운 식물 집단을 만들었습니다. 그들은 단순히 한 번의 교배에 그치지 않고, 이 자손들이 서로 교배하고 2세대 동안 자가 수분하도록 했습니다. 그 결과, 11개의 창시자로부터 유래된 유전자가 뒤섞인 채로 존재하는 176개의 독특한 식물 계통을 가진 부분적으로 개발된 '다중 부모(multi-parent)' 집단이라는 살아있는 도서관이 탄생했습니다. 연구진은 이 복잡한 혼합이 실제로 효과가 있었는지 알고 싶었습니다. 그들은 새로운 식물들이 유용할 만큼 충분한 유전적 다양성을 유지하고 있는지, 그리고 특히 개화 속도에서 넓은 물리적 차이를 보이는지 확인해야 했습니다. 개화 시기는 식물이 곡물을 생산할 준비가 되는 시기를 결정하므로 매우 중요한 형질이며, 이 타이밍을 정확히 맞추는 것은 변화하는 기후 패턴에서 살아남기 위해 필수적입니다.

이 질문들에 답하기 위해, 연구팀은 두 번의 생육 시즌 동안 세 곳의 서로 다른 장소에서 이 새로운 식물 계통들을 재배했습니다. 그들은 각 식물이 꽃을 피우는 데 며칠이 걸리는지를 측정하고, 이 결과를 원래의 11개 부모 식물과 비교했습니다. 결과는 고무적이었습니다. 부모 식물들은 약 51일에서 61일 사이의 비교적 좁은 범위 내에서 꽃을 피웠던 반면, 새로운 세대의 식물들은 45일에서 75일 사이의 훨씬 넓은 범위를 보이며 꽃을 피웠습니다. 이러한 넓은 분포는 자손이 부모보다 더 극단적인 형질을 나타내는 현상인 '초월 분리(transgressive segregation)'의 징후입니다. 이 경우, 새로운 식물들 중에는 원래의 부모들보다 훨씬 일찍 꽃을 피우는 것과 훨씬 늦게 꽃을 피우는 것들이 모두 포함되어 있었습니다. 이는 육종 과정이 시작 재료에는 존재하지 않았던 새로운 유전자 조합을 성공적으로 만들어냈음을 시사하며, 이는 육종가들에게 미래의 작물을 위한 더 넓은 선택지를 제공합니다.

연구진은 또한 이 식물들의 DNA 내부를 들여다보고 그들의 유전적 구조를 이해하고자 했습니다. 현대적인 시퀀싱 기술을 사용하여, 그들은 식물의 염색체를 따라 이정표 역할을 하는 5,500개 이상의 특정 유전적 마커를 식별했습니다. 이 마커들은 해당 집단이 균일한 블록이 아니라, 11개의 창시자로부터의 기여를 서로 다르게 담고 있는 9개의 뚜렷한 유전적 그룹으로 구성되어 있음을 드러냈습니다. 일부 부모 계통은 특정 그룹에 더 많이 기여했고 다른 계통은 그렇지 않았으며, 이는 복잡한 관계망을 형성했습니다. 연구는 유전적 다양성이 높게 유지되었으며, 식물들이 다양한 유전자 버전의 건강한 혼합을 보유하고 있음을 발견했습니다. 이는 매우 중요한데, 왜냐하면 이 집단이 향후 개선을 위한 잠재력을 잃지 않았음을 의미하기 때문입니다. 그룹 간의 유전적 차이는 감지될 만큼 유의미하면서도, 식물들은 특정 형질의 정밀한 매핑이 가능할 정도로 충분히 혼합되어 있었습니다.

이러한 집단을 만드는 핵심 목표 중 하나는 중요한 형질을 담당하는 특정 유전자를 찾는 것을 더 쉽게 만드는 것입니다. 연구진은 유전적 마커와 식물이 꽃을 피우는 데 걸리는 날 사이의 연결 고리를 찾아냄으로써 이를 테스트했습니다. 그들의 분석은 게놈 상의 9개 특정 위치가 개화 시기와 강력하게 연관되어 있음을 가리켰습니다. 이 위치들은 6개의 서로 다른 염색체에 흩어져 있었습니다. 과학자들이 이 마커 근처에서 발견된 유전자들을 조사했을 때, 그들은 식물이 빛을 감지하고 성장을 조절하는 방식과 관련된 역할을 하는 것으로 알려진 몇몇 유전자를 발견했습니다. 예를 들어, 그들은 식물이 빛 신호를 감지하도록 돕는 유전자와 유사한 유전자들과 식물이 호르몬에 반응하는 방식을 조절하는 다른 유전자들을 발견했습니다. 이러한 발견은 이 집단이 복잡한 형질의 유전적 기초를 식별하기 위한 강력한 도구임을 확인시켜 줍니다.

본 연구는 이 새로운 집단이 수수 육종을 위한 성공적이고 가치 있는 자원이라고 결론짓습니다. 이 집단은 다양한 부모의 최상의 형질을 하나의 유전적으로 풍부한 그룹으로 성공적으로 결합했습니다. 식물들은 다양한 물리적 특성을 보여주며, 추가 연구에 필요한 유전적 다양성을 유지하고 있습니다. 비록 이 집단이 아직 초기 단계에 있으며 추가적인 세대 육종과 더 상세한 유전적 테스트의 혜택을 입어야 하겠지만, 이미 그 가치를 입증했습니다. 이 연구는 복잡한 형질을 해부하기 위한 견고한 토대를 제공합니다. 유전자가 바람직한 특성을 만들어내기 위해 어떻게 상호작용하는지에 대한 더 명확한 시각을 제공함으로써, 이 작업은 변화하는 기후 속에서 인류를 먹여 살리기 위해 더 잘 대비된 수수 품종을 개발하는 길을 열어줍니다.