High temperature during anthesis affects the salinity tolerance of quinoa under field conditions

중동과 중앙아시아의 건조한 지형에서는 토양이 염분이 많고 공기가 건조하여, 농부들은 식량을 재배할 것인지 아니면 땅을 휴경 상태로 둘 것인지에 대한 어려운 선택에 직면합니다. 수십 년 동안 세계는 인구를 먹여 살리기 위해 밀이나 쌀 같은 몇 가지 주요 작물에 의존해 왔지만, 이러한 식물들은 땅이 짭짤하거나 공기가 너무 뜨거울 때 취약합니다. 기후가 변화하고 기온이 상승함에 따라, 회복력 있는 대안을 찾는 움직임은 안데스 산맥에서 온 겸손한 씨앗인 퀴노아로 향했습니다. 이 식물은 단순히 단백질과 영양소의 원천일 뿐만 아니라, 생존자입니다. 퀴노아는 다른 작물이 실패하는 가혹한 조건에서도 잘 자라며, 밀 밭을 죽일 수 있는 염분이 많은 토양도 견뎌냅니다. 과학자들은 오랫동안 퀴노아가 염분을 견딜 수 있다는 사실을 알고 있었지만, 특히 날씨가 식물에 불리하게 돌아갈 때 실제 세상에서 정확히 어느 정도까지 견딜 수 있는지를 예측하는 데 어려움을 겪어 왔습니다. 문제는 이제 퀴노아가 염분이 있는 토양에서 자랄 수 있느냐가 아니라, 이 작물이 가장 필요한 지역에서 점점 더 흔해지고 있는 조합인 염분과 극심한 열기의 이중 타격을 견뎌낼 수 있느냐 하는 것입니다.

이를 알아내기 위해 이란의 연구진은 2년 연속으로 서로 다른 다섯 가지 퀴노아 품종을 실제 노지 환경에서 테스트하기로 했습니다. 그들은 도전적인 기후로 알려진 중앙 고원의 사질 양토에 씨앗을 심었습니다. 연구팀은 관개에 사용되는 물의 염도를 조절할 수 있는 통제된 환경을 조성하여, 담수부터 바닷물만큼 짠 물까지 다양한 수준을 테스트했습니다. 그들은 작물이 어떻게 성과를 내는지 보기 위해 2017년과 2018년, 두 번의 전체 시즌 동안 식물을 재배했습니다. 첫해는 비교적 온화했지만, 둘째 해에는 예상치 못한 일이 발생했습니다. 식물에게 가장 중요한 시기인 개화기와 종자가 여물어가는 시기에 강렬한 폭염이 찾아온 것입니다. 이러한 자연적인 변동을 통해 과학자들은 동일한 식물이 일반적인 해와 심한 폭염이 있는 해에 각각 염분에 어떻게 반응하는지 비교할 수 있었습니다.

결과는 식물의 한계를 명확하게 보여주었습니다. 상대적으로 서늘했던 2017년에는 퀴노아가 양호한 성과를 보였으며, 적당히 짭짤한 토양에서도 건강한 수확을 거두었습니다. 식물은 높게 자랐고, 씨앗은 묵직했으며, 상당한 양의 곡물을 생산했습니다. 그러나 이야기는 2018년에 극적으로 바뀌었습니다. 개화 단계에서 고온이 닥치자 식물의 종자 생산 능력이 무너졌습니다. 평균 종자 수확량은 첫해 제곱미터당 거의 400그램에서 둘째 해에는 제곱미터당 76그램 미만으로 급감했습니다. 열기는 단순히 곡물의 양을 줄인 것이 아니라 식물의 우선순위를 바꾸어 놓았습니다. 식물은 에너지를 종자를 만드는 데 쓰는 대신 잎과 줄자를 키우는 데 집중했고, 그 결과 수확량은 매우 적은 채로 많은 양의 짚(straw)만을 남겼습니다. 형성된 씨앗들은 더 작고 가벼워졌으며, 식물은 토양의 염분에 훨씬 더 민감해졌습니다.

연구진이 발견한 것은 열 스트레스가 퀴노아가 염분을 처리하는 방식을 근본적으로 변화시킨다는 것이었습니다. 서늘했던 해에는 식물이 높은 수준의 염분을 견딜 수 있었고, 일부 품종은 토양이 꽤 짭짤할 때도 좋은 수확량을 냈습니다. 하지만 열기가 찾아오자 식물의 내성 역학이 변했습니다. 수확량이 감소하기 시작하는 임계값은 열 스트레스 하에서 엇갈린 결과를 보였습니다. Sadoq와 같은 일부 유전자형의 경우 임계값이 높아진 반면, NSRCQE와 같은 다른 유전자형의 경우에는 임계값이 낮아졌습니다. 그러나 전반적으로 수확량 감소의 기울기는 훨씬 더 가팔라졌습니다. 즉, 임계값을 초과하여 추가되는 염분 단위당, 더운 해의 수확량 감소 폭이 서늘한 해보다 훨씬 더 컸습니다. 본질적으로, 스트레스가 시작되는 지점은 품종마다 달랐지만, 그 지점에 도달했을 때 입는 피해는 훨씬 더 심각해져서 식물을 전반적으로 더 취약하게 만들었습니다. 이 연구는 열 스트레스, 특히 개화기와 종자 충전 시기에 결합될 때 퀴노아의 염분 민감도가 현저히 증가한다는 것을 보여주었습니다.

또한 이번 실험은 모든 퀴노아 품종이 동일하지 않다는 점을 강조했습니다. Sadoq이라는 이름의 계통처럼 두 해 모두에서 높은 종자 생산 능력을 보인 품종도 있었지만, 이 회복력 있는 품종조차 더운 해에는 엄청난 수확량 감소를 겪었습니다. 다른 품종들은 덜 일관적이어서, 어떤 해에는 잘 수행하다가 다음 해에는 부진한 모습을 보이기도 했습니다. 연구진은 큰 씨앗을 생산하는 능력이 열에 특히 취약하다는 것을 관찰했으며, 큰 씨앗의 비율은 더운 해에 거의 4분의 1 가까이 감소했습니다. 이러한 불일치는 단순히 염분이 있는 지역에 퀴노를 심는 것만으로는 보장된 해결책이 아님을 시사합니다. 파종 시기와 씨앗의 구체적인 유전적 구성이 토양 조건만큼이나 중요합니다.

이러한 발견은 온난화되는 세상 속 농업에 엄중한 교훈을 줍니다. 퀴노아가 염분이 있는 토양에 유망한 작물인 것은 분명하지만, 그 성공이 절대적인 것은 아닙니다. 퀴노아는 날씨를 무시할 수 있는 마법의 탄환이 아닙니다. 이 연구는 개화 단계의 고온이 식물의 번식 과정을 방해하여 종자를 낙과시키거나 아주 작고 가벼운 종자를 만들게 한다는 것을 입증합니다. 이러한 방해는 특정 온도 범위에 의존하는 수분(pollination) 과정에 열이 간섭하기 때문에 발생합니다. 공기가 너무 뜨거워지면 햇빛과 영양분을 곡물로 전환하는 식물의 능력이 저하되며, 이때 토양의 염분은 훨씬 더 치명적인 요인이 됩니다. 연구진은 퀴노를 이러한 가혹한 환경에서 신뢰할 수 있는 식량 자원으로 만들기 위해서는, 개화기 열에 덜 민감한 품종을 선별하고 가장 더운 시기를 피하도록 파종 시기를 조정하는 데 집중해야 한다고 결론지었습니다. 이러한 조정 없이는, 기후 회복력이 있는 작물로서의 퀴노아의 약속은 그것이 가장 필요한 바로 그 지역에서 실현되지 못한 채 남겨질 수 있습니다.