Lower anther culture response in indica than in japonica rice is associated with a callus- induction bottleneck and early browning of sporophytic anther tissues

식물 육종의 세계에서 속도는 종종 가장 가치 있는 자원입니다. 농부와 과학자 모두 더 생산적이고, 회복력이 강하며, 영양가가 높은 새로운 벼 품종을 개발하기를 원하지만, 새로운 품종을 만드는 전통적인 경로는 느립니다. 이는 일반적으로 식물을 여러 세대에 걸쳐 교배하고 그 자손이 안정적인 유전적 구성을 갖출 때까지 기다리는 과정을 필요로 합니다. 이 과정을 단축하기 위해 연구자들은 꽃가루 배양(anther culture)이라는 기술을 사용합니다. 이 방법은 벼 꽃의 수술 기관인 약(anther)을 채취하여 실험실 접시 안에서 새로운 식물으로 자라도록 유도하는 것입니다. 이 식물들은 단 한 세트의 유전적 지침으로부터 시작되기 때문에, 단 한 세대 만에 완벽하게 균일한 계통으로 배가할 수 있어 수년간의 기다림을 건너뛸 수 있습니다. 그러나 이 강력한 도구에는 고질적인 결함이 있습니다. 어떤 유형의 벼에는 아주 잘 작동하지만, 다른 유형에는 처참하게 실패한다는 점입니다. 구체적으로, 일본과 아시아 북부 지역에서 흔히 재배되는 자포니카(japonica) 품종에는 잘 작동하지만, 열대 지역 수십억 인구의 주식인 인디카(indica) 품종에는 크게 어려움을 겪습니다.

수년 동안 과학자들은 벼의 유전적 배경이 이 실험실 기법의 성공 여부를 결정한다는 사실을 알고 있었지만, 정확히 어느 지점에서 과정이 무너지는지는 알지 못했습니다. 문제의 원인이 약 내부의 작은 세포들이 성장을 시작하기를 거부하는 것일까요? 아니로면 세포들이 성장을 시작했으나 완전한 식물로 변하는 데 실패하는 것일까요? 혹은 식물이 잘못된 색깔이나 건강 상태를 가진 채로 자라는 것일까요? 홋카이도 대학교와 라쿠노 가쿠엔 대학교의 연구팀은 이 미스터리를 해결하기 위해 실시간으로 과정이 전개되는 모습을 관찰하기로 했습니다. 그들은 특수한 유전 도구를 사용하여 어떤 DNA 부분이 실패의 원인인지 정확히 분리해 냄으로써, 성과가 높은 자포니카 벼와 성과가 낮은 인디카 벼를 비교했습니다. 그들의 조사는 병목 현상이 단일 사건이 아니라 특정 초기 발달 단계에서 발생한다는 것을 밝혀냈으며, 식물이 소실되기 훨씬 전부터 실패를 예측할 수 있는 가시적인 경고 신호를 발견했습니다.

연구진은 먼저 세 종류의 자포니카 벼와 두 종류의 인디카 벼를 동일한 실험실 조건에서 테스트했습니다. 그들은 성장을 유도하도록 설계된 영양분이 풍부한 겔 위에 약을 배치하고 몇 주 동안 일어나는 현상을 관찰했습니다. 결과는 극명했습니다. 자포니카 품종은 새로운 식물의 토대가 되는 미분화 세포 덩어리인 캘러스(callus)를 건강하게 생성했습니다. 반면, 인디카 품종은 이러한 기초가 되는 물질을 거의 생성하지 못했습니다. 그러나 일단 캘러스가 형성되고 나면 이야기는 달라졌습니다. 캘러스가 완전한 식물로 변하는 능력과, 그 식물이 백색 또는 알비노가 아닌 녹색의 건강한 상태가 될 확률은 두 그룹 간에 상당히 비슷했습니다. 차이점은 전적으로 첫 번째 단계, 즉 캘러스를 형성하는 단계에 있었습니다. 인디카 벼의 경우, 과정이 시작되기도 전에 단순히 멈춰버렸습니다.

이 현상이 왜 발생하는지 이해하기 위해 연구팀은 54개의 독특한 벼 계통 컬렉션을 활용했습니다. 이 계통들은 성과가 높은 자포니카 벼에 성과가 낮은 인디카 벼의 작고 특정한 DNA 조각들을 교체하여 만들어졌습니다. 이를 통해 과학자들은 나머지 유전적 차이로 인한 노이즈 없이, 개별적인 인디카 게놈 조각들이 과정에 어떻게 영향을 미치는지 확인할 수 있었습니다. 그들은 캘러스를 형성하는 능력과 식물을 재생하는 능력이 서로 다른 유전적 요인에 의해 조절된다는 것을 발견했습니다. 어떤 계통은 캘러스 형성율은 매우 낮더라도, 캘러스가 나타나기만 하면 식물로 바꾸는 능력은 매우 뛰어날 수 있었습니다. 반대로, 많은 캘러스를 형성하면서도 식물로 바꾸는 데는 실패하는 계통도 있었습니다. 이러한 독립성은 인디카 벼의 주요 장애물이 후기 단계의 기술 부족이 아니라, 과정을 시작하는 데 있어서의 근본적인 불능 상태임을 의미했습니다. 연구진은 인디카 약 배양의 낮은 성공률이 주로 과정이 시작되는 바로 그 지점에서 막히는 "캘러스 유도 병목 현상"이라고 결론지었습니다.

유전적 분석이 '무엇'을 설명했다면, 팀은 또한 약 내부의 물리적 변화를 살펴봄으로써 '어떻게'를 파악하고자 했습니다. 그들은 조직이 검게 변하며 죽는 현상인 갈변(browning) 현상에 주목했는데, 이는 식물 조직 배양에서 흔히 발생하는 문제로 종종 실패를 예고합니다. 그들은 성과가 높은 자포니카 벼와 성과가 낮은 인디카 벼를 날마다 관찰했습니다. 차이는 극적이었습니다. 인디카의 약은 접시에 놓인 후 첫 일주일 이내에 매우 빠르게 갈색으로 변하기 시작했습니다. 이 갈변은 약이 식물에서 잘려 나간 지점인 꽃사(filament) 부착 부위 근처에서 시작되어 주변 조직으로 빠르게 퍼져 나갔습니다. 4주 차에 이르면 인디카의 약은 거의 완전히 검게 변해 죽어 있었습니다. 반면, 자포니카의 약은 훨씬 더 오랫동안 창백하고 건강한 상태를 유지했으며, 많은 약이 새로운 식물이 형성되고 있음을 나타내는 흰색 캘러스 덩어리를 성공적으로 만들어냈습니다.

연구진은 현미경을 사용하여 이 갈변된 조직 내부를 관찰했고 명확한 사건의 순서를 찾아냈습니다. 갈변은 새로운 식물이 자라야 할 작은 꽃가루 입자 내부에서 시작된 것이 아니었습니다. 대신, 그것은 꽃가루를 둘러싸고 있는 구조적 벽과 지지 세포인 포자체 조직(sporophytic tissues)에서 시작되었습니다. 이 외부 조직들이 죽고 갈색으로 변함에 따라, 어둠은 안쪽으로 퍼져 결국 꽃가루 입자 자체를 집어삼켰습니다. 인디카 벼의 경우, 이 부패가 너무 빠르게 진행되어 꽃가루가 깨어나 성장을 시작할 기회조차 갖지 못했습니다. 연구팀은 완전히 갈색으로 변한 약에서는 결코 새로운 식물이 나타나지 않는다는 점에 주목했습니다. 이는 인디카 품종에서 지지 조직의 급격한 사멸이 필요한 캘러스 형성을 방해하는 척박한 환경을 조성한다는 것을 시사합니다.

이 연구가 갈변 자체가 실패의 직접적인 원인임을 증명한 것은 아니지만, 둘 사이의 연관성을 강력하게 시사합니다. 연구진은 갈변이 물리적 상처가 발생한 지점인 절단 부위에서 시작되었다는 점에 주목했습니다. 식물 조직이 잘리면 종종 어두운 독성 화합물로 변할 수 있는 화학 물질을 생성하며 반응하는데, 이 과정은 실험실 환경의 스트레스에 의해 가속화될 수 있습니다. 인디카 벼는 단순히 이 상처 반응에 더 민나서, 새로운 식물을 지원하기에 너무 빨리 조직이 퇴화하는 것일 수도 있습니다. 이 연구 결과는 벼 육종을 개선하기 위한 명확한 길을 제시합니다. 복잡한 후기 성장 단계를 고치려 하기보다, 육종가들은 이 초기 갈변을 막는 데 집중할 수 있습니다. 만약 지지 조직을 단 몇 일이라도 더 건강하게 살려둘 수 있다면, 인디카 벼는 마침내 병목 현상을 극복하고 세계가 필요로 하는 새로운 회복력 있는 품종을 생산할 수 있을 것입니다.