Genome-wide and haplotype mapping reveals genetic drivers of biomass productivity per unit water and nitrogen in sorghum

농업 분야에서 두 가지 자원은 국가를 먹여 살리는 수확과 간신히 생존을 유지하는 수준의 수확 사이의 차이를 결정짓습니다. 바로 물과 질소입니다. 물은 식물의 생명줄이며, 종종 비료로 공급되는 질소는 성장을 위한 연료 역할을 합니다. 수십 년 동안 농부들은 더 많은 양을 투입함으로써 결핍 문제를 해결하려 노력해 왔지만, 지구는 더 이상 그러한 방식을 감당할 수 없습니다. 담수는 점점 희귀해지고 있으며, 비료에서 유래한 과도한 질소는 수로를 오염시키고 대기를 온난화시키고 있습니다. 따라서 해결책은 작물 자체에서 나와야 합니다. 과학자들은 이제 더 적은 양의 귀중한 투입물을 사용하여 더 많은 식량과 생물량을 생산할 수 있는 식물을 육종하는 방법을 찾고 있습니다. 이는 단순히 식물을 약간 더 강하게 만드는 것이 아니라, 식물이 마시는 물과 먹는 질소를 우리가 수확하는 줄기와 알곡으로 전환하는 방식을 근본적으로 바꾸는 것에 관한 일입니다.

아프리카와 아시아 전역에서 수억 명의 사람들이 재배하는 강인한 곡물인 수수(Sorghum)는 이 탐구의 완벽한 대상입니다. 수수는 본래 효율적이며, 다른 작물들이 실패하는 뜨겁고 건조한 환경에서도 잘 자랍니다. 그러나 이를 더욱 개선하기 위해 연구자들은 자원 효율성을 조절하는 숨겨진 유전적 지침을 이해할 필요가 있었습니다. 인도, 벨기에, 그리고 반건조 지역을 위한 국제 작물 연구소(ICRIST) 출신의 과학자 팀은 이 지침을 지도화하기 위해 나섰습니다. 그들은 일반적인 재배 품종과 재배 수수를 야생의 다년생 친척인 존슨그래스(Johnsongrass)와 교배하여 만든 특수 계통을 포함한 172개의 다양한 수수 계통을 모았습니다. 이 야생 친척은 깊은 뿌리와 재생 능력을 가진 것으로 유명하며, 이러한 형질은 더 나은 자원 활용의 열쇠를 쥐고 있을 수 있습니다. 연구진은 이 식물들을 이탈리아의 온대 지역과 인도의 두 반건조 지역 등 세 가지 환경에서 재배하여, 물과 질소의 수준을 다르게 적용해 성능을 관찰했습니다.

첫 번째 주요 발견은 식물의 유전자가 성장을 조절하는 방식에서의 명확한 분리였습니다. 연구팀은 식물의 건조 생물량(식물의 줄기와 잎의 총 무게)을 생산하는 능력이 식물의 유전에 의해 강력하게 제어된다는 것을 발견했습니다. 과학적 용어로, 이 형질은 유전력이 매우 높았는데, 이는 부모 식물이 물과 질소를 생물량으로 전환하는 데 효율적이었다면 그 자손도 그럴 가능성이 높다는 것을 의미합니다. 이는 테스트된 모든 환경에서 동일하게 나타났습니다. 반면, 단위 물 또는 질소당 곡물 수확량을 생산하는 능력은 훨씬 더 무질서했습니다. 곡물에 대한 유전적 신호는 약했으며 그해의 특정 날씨와 토양 조건에 크게 영향을 받았습니다. 이는 육종가들이 더 적은 자원으로 더 많은 영양 생장 질량을 생산하는 식물을 선택할 수는 있지만, 곡물 효율성을 개선하는 것은 훨씬 더 어려운 퍼즐이며, 단순한 단일 유전자 선택보다는 복잡한 예측이 필요한 접근 방식이 필요함을 시사합니다。

가장 효율적인 식물의 DNA를 더 깊이 파고들면서, 연구진은 자원 생산성을 조절하는 스위치 역할을 하는 염색체상의 특정 영역들을 식별했습니다. 그들은 생물량 효율성과 관련된 22개의 뚜렷한 게놈 영역을 발견했습니다. 9번 염로미의 한 위치는 여러 통계 모델과 형질 측정 전반에 걸쳐 일관되게 나타나는 반복적인 신호로서 눈에 띄었습니다. 이 지점은 식물이 질소(질산염의 한 형태)에 반응하는 방식을 조절하는 마스터 조절 유전자 바로 옆에 위치합니다. 이 유전자가 활성화되면 식물이 가용한 질소량에 맞춰 성장을 조절하도록 돕습니다. 같은 염색체의 인근에는 식물의 탄소 상태를 신호로 전달하는 분자를 생성하는 또 다른 유전자가 있는데, 이는 본질적으로 식물에게 성장에 에너지를 얼마나 써야 하는지를 알려줍니다. 이 두 유전자의 근접성은 식물이 성장을 극대화하기 위해 질소 섭취와 에너지 예비량을 끊임없이 균형 잡는 강력한 메커니즘을 시사합니다.

연구는 또한 물과 질소가 어떻게 동일한 분자 기계에 의해 관리될 수 있는지를 밝혀냈습니다. 연구진은 식물의 뿌리에 위치한 아쿠아포린(aquaporin)이라고 알려진 채널 단백질을 코딩하는 후보 유전자를 발견했습니다. 이 채널들은 물을 이동시키는 것으로 유명하지만, 일부 버전은 암모니아와 같은 질소 화합물도 운반할 수 있습니다. 만약 수수의 이 특정 채널이 두 가지 기능을 모두 수행한다면, 이는 식물이 동일한 관문을 통해 물과 비료를 동시에 흡수할 수 있게 하는 직접적인 생물학적 지름길이 될 것입니다. 또한, 연구팀은 호르몬 신호 전달, 특히 영양 가용성에 따라 뿌리 성장과 잎 발달을 조절하는 식물 호르몬인 사이토키닌(cytokinins)에 반응하는 유전자들을 식별했습니다. 이러한 발견은 식물이 토양에서 무엇을 찾아냈는지에 따라 얼마나 성장할지를 결정하기 위해 호르몬과 신호 분자를 사용하는 정교한 네트워크를 가리킵니다.

이야기의 놀라운 반전은 야생 친척들과 관련되어 있었습니다. 연구진은 재배 수수를 야생의 존슨그래스와 교배함으로써 수천 년간의 농경 과정에서 잃어버렸던 완전히 새롭고 강력한 형질을 도입할 수 있기를 기대했습니다. 야생 계통들이 독특한 유전적 변이를 가져오기는 했지만, 자원 효율성을 위한 가장 효과적인 유전적 조합은 야생 도입 계통에서 발견되지 않았습니다. 대신, 가장 유리한 유전적 패턴은 이미 재배 수량 집단 내에 숨겨져 있고 드물게 존재하고 있었습니다. 야생 계통들은 현재 연구에 유용하기에는 너무 흔치 않은 드문 유전적 조합을 주로 운반했습니다. 이는 수수의 효율성을 개선할 유전적 잠재력이 야생에서 수입되어야 하는 것이 아니라, 현재의 작물 품종 내에 이미 존재하며 단지 식별되어 결합되기를 기다리고 있다는 것을 시사합니다.

연구진은 단일 DNA 문자가 아닌 유전자 집단, 즉 하플로타입(haplotypes)을 살펴보는 것이 더 강력한 신호를 드러낼지 테스트했습니다. 한 가지 구체적인 사례에서, 유전자 블록을 함께 살펴보는 것이 성능의 거대한 차이를 드러냈습니다. 아주 적은 수의 식물에서만 발견되는 희귀한 유전적 조합은 일반적인 버전과 비교했을 때 단위 물당 생물량 생산을 2.7배 증가시켰습니다. 이는 단일 유전자 마커가 유용하긴 하지만, 때로는 특정 유전자들의 조합 자체가 진정한 힘을 발휘할 수 있음을 강조합니다. 그러나 9번 염색체의 가장 두드러진 신호에 대해서는 단일 DNA 마커가 주변의 유전자 블록보다 더 나은 예측 변수였으며, 이는 서로 다른 유전적 전략이 게놈의 각 부분에 따라 필요함을 나타냅니다.

궁극적으로, 이 연구는 변화하는 기후 속에서 번성할 수 있는 수수를 육종하기 위한 로드맵을 제공합니다. 이 연구는 식물이 물과 질소를 생물량으로 전환하는 능력을 개선하는 것이 명확한 목표를 가진 유전적으로 다룰 수 있는 과제임을 확인해주었으며, 육종가들이 집중할 수 있는 명확한 타겟을 식별했습니다. 가장 유망한 타겟은 식물이 질소를 감지하고 반응하는 방식을 조절하는 유전자, 물과 영양분의 운반을 관리하는 유전자, 그리고 식물의 에너지 예산을 조절하는 유전자들을 포함합니다. 곡물 효율성을 개선하는 경로가 여전히 복잡하고 환경에 민가하다 할지라도, 식물의 전반적인 성장 효율을 높이는 경로는 이제 밝혀졌습니다. 이러한 유리한 유전적 형질들을 쌓아 올림으로써, 육종가들은 더 적은 물과 비료로 더 많은 식량과 사료를 생산할 수 있는 수수 품종을 개발할 수 있으며, 이는 자원이 제한된 지구에서 늘어가는 인구를 먹여 살리는 문제에 대한 실질적인 해결책을 제시합니다.