Genetic mapping in two independent durum wheat accessions PI 244061 and PI 209274 identified shared loci for leaf rust resistance on chromosome 6BS
두 개의 독립적인 듀럼밀 계통에 대한 유전자 지도 작성 결과, 두 계통 모두에서 잎녹병 저항성이 RGA5 및 WAK 유전자가 잠재적 후보로 식별된 염색체 6BS 상의 동일한 2.07 Mb 구간 내에 위치한 단일 우성 유전자에 의해 조절됨이 밝혀졌다.
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밀은 전 세계 식량 안보의 중추로서 매일 수십억 명의 사람들을 먹여 살립니다. 그 수많은 품종 중에서도 듀럼밀(durum wheat)은 파스타, 쿠스쿠스, 세몰리나를 만드는 데 사용되는 특정한 종류입니다. 모든 작물과 마찬가지로, 듀럼밀은 자연, 특히 수확량을 황폐화할 수 있는 곰팡이 질병으로부터 끊임없는 위협을 받습니다. 가장 끈질긴 적 중 하나는 잎녹병(leaf rust)으로, 이는 잎을 공격하여 갈색으로 변하게 하고 식물의 에너지를 앗아가는 곰팡이입니다. 그대로 방치할 경우, 이 질병은 작물의 잠재적 수확량 중 절반 이상을 파괴할 수 있습니다. 수십 년 동안 농부와 과학자들은 싸우기 위해 자연적인 저항성 유전자를 가진 밀 품종을 육종하는 데 의존해 왔습니다. 하지만 곰팡이는 영리합니다. 그것은 빠르게 진화하며 기존 밀 품종의 방어 체계를 우회하는 새로운 변종을 만들어냅니다. 이러한 끊임없는 군비 경쟁은 과학자들이 질병보다 앞서 나가기 위해 야생과 고대 재래종에서 새로운 저항성의 원천을 계속해서 찾아야 함을 의미합니다.
최근 한 연구에서 연구진은 PI 244061과 PI 209274로 알려진 두 가지 특정 밀 유전자원(accessions)에 주목했습니다. 이것들은 현대의 슈퍼마켓 판매용 품종이 아니라 유전적 보물입니다. 하나는 예멘의 재래종이고, 다른 하나는 호주의 육종 계통입니다. 두 품종 모두 이전 테스트에서 잎녹병에 저항하는 놀라운 능력을 보여주었습니다. 연구의 목표는 이들의 DNA 내에서 저항성을 담당하는 유전자의 정확한 위치를 찾고 그것이 어떻게 작동하는지 이해하는 것이었습니다. 연구팀은 이 저항성 식물들을 감수성(병에 취약한) 식물들과 교배하고 그 자손들을 연구함으로써, 곰팡이의 공격으로부터 살아남게 하는 유전적 지침을 특정하고자 했습니다.
연구진은 통제된 온실 환경에서 수천 그루의 밀 묘목을 기르는 것으로 시작했습니다. 그들은 저항성 부모와 감수성 부모를 교배하여 잡종 가계(hybrid families)를 만든 다음, 어린 식물들에 특정하고 공격적인 잎녹병 균주를 접종했습니다. 식물이 자라는 동안 과학자들은 어떤 식물이 감염을 물리치고 어떤 식물이 굴복하는지를 면밀히 관찰했습니다. 결과는 명확했습니다. 두 원래의 유전자원 모두에서 나타난 저항성은 단일 우성 유전자에 의해 조절되었습니다. 이는 식물이 부모로부터 이 유전자를 단 한 카피만 물려받더라도 보호받을 수 있음을 의미합니다. 연구팀은 그 후 벌크 분리 RNA 시퀀싱(bulked segregant RNA sequencing)이라는 강력한 기술을 사용했습니다. 그들은 가장 저항성이 강한 식물들의 잎과 가장 취약한 식물들의 잎을 각각 두 그룹으로 섞어 분석했습니다. '생존자'와 '희생자' 사이의 유전적 차이를 비교함으로써, 그들은 저항성 유전자를 찾는 범위를 좁힐 수 있었습니다.
분석 결과는 밀 게놈의 뚜렷한 구간인 염색체 6BS의 매우 구체적인 지점을 가리켰습니다. 예멘의 재래종과 호주의 육종 계통 모두에서 저항성 유전자는 이 염색체의 끝부분에 있는 동일한 일반 영역에서 발견되었습니다. 확실히 하기 위해 연구팀은 유전자를 세대를 통해 추적할 수 있는 분자 표지(molecular signposts) 역할을 하는 새로운 유전적 마커를 개발했습니다. 그들은 수백 개의 개별 식물을 테스트했고, 저항성이 단 2.07 메가베이스(megabases) 크기의 아주 작은 DNA 영역과 밀접하게 연관되어 있음을 발견했습니다. 이는 광대한 밀 게놈의 풍경 속에서 매우 작은 목표물입니다. 이 좁은 구역 내에서 연구진은 방어에 책임이 있을 만한 유전자들을 조사했습니다. 그들은 병원균을 인식하고 싸우는 것으로 알려진 단백질을 생성하는 유전자를 포함하여 몇 가지 후보 유전자를 찾아냈습니다.
예멘 재래종에서 가장 유망한 후보 중 하나는 곰팡이를 감지하는 센서 역할을 하는 RGA5라는 단백질을 생성하는 유전자였습니다. 호주 계통에서는 세포벽의 손상을 감지하는 데 도움을 주는 단백질인 벽 연관 키나아제(wall-associated kinase)를 생성하는 다른 유형의 유전자가 지목되었습니다. 흥ari롭게도, 두 계통 모두 염색체의 같은 지점에서 질병에 저항하지만, 그 구역의 유전 코드는 약간씩 다르며, 이는 그들이 독립적으로 방어 기제를 진화시켰음을 시사합니다. 또한 이 연구는 예멘 재래종의 저항성 유전자를 다른 염색체 부위에 배치했던 이전의 발견을 다루었습니다. 고해 resolution 데이터는 이전의 위치가 틀렸으며, 진정한 방어 기제는 염색체 6BS에 있다는 것을 확인해주었습니다.
이 발견은 밀 육종가들에게 현대의 고수량 듀럼밀 품종에 이러한 강력한 저항성 유전자를 전달하는 데 필요한 정밀한 지도와 도구를 제공합니다. 이 연구에서 확인된 유전적 마커를 사용함으로써, 육종가들은 식물이 자라 현장에서 질병을 직접 마주할 때까지 기다릴 필요 없이 저항성을 가진 묘목을 빠르게 선발할 수 있습니다. 지리적, 역사적으로 떨어진 서로 관련 없는 두 밀 소스가 모두 DNA의 동일한 작은 영역에서 방어 기제를 가지고 있다는 사실은 이 염색체 부위가 잎녹병과 싸우는 자연적인 핫스팟임을 시사합니다. 비록 정확한 유전자의 정체는 실험실에서의 추가 작업이 여전히 필요하지만, 나아갈 길은 명확합니다. 이 연구 결과는 진화하는 잎녹병의 위협을 견뎌낼 수 있는 새로운 밀 품종을 개발하기 위한 강력한 토대를 제공하며, 세계에서 가장 중요한 작물 중 하나인 밀의 미래를 지키는 데 기여합니다.
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