경상국립대학교(GNU·총장 권순기) 응용생명과학부 박순주 교수와 식물생명공학연구소(소장 홍종찬) 김근화 박사 연구팀은 다배체(polyploid) 작물이 가지는 유전적 특성을 활용하여 식물 양적 형질의 다양성을 구현하며 생산성이 증가된 작물로 개량할 수 있음을 증명하고, 새로운 육종 전략으로 제안하는 논문을 발표했다(주저자: 이은송 박사과정, 허정 박사 외 2명).

다배체(polyploid)는 일반적인 이배체(diploid) 생물과 다르게 유전체가 두 배 혹은 그 이상으로 증가된 생명체를 의미하며, 밀이나 감자 같은 많은 농작물이 여기에 속한다. 이러한 다배체 작물들은 유전체 크기와 반복 서열 등의 문제로 인해 연구가 어려웠으나, 최근 차세대 시퀀싱 기술과 크리스퍼(CRISPR) 유전자 편집 기술의 발전으로, 비교적 쉽게 접근할 수 있다.

연구팀은 한국에서 자생하는 가지과 종 육배체(hexaploid) 작물인 까마중(학명: Solanum nigrum)을 이용하여 연구를 수행했다. 까마중 열매는 당도가 높고, 항산화, 항암 물질과 시력에 좋은 루테인을 많이 함유하여 훌륭한 건강 보조 식품으로 사용될 수 있다. 

연구팀은 육배체 까마중의 전체 유전체 서열 분석과 이배체 조상 식물인 미국까마중(학명: Solanum americanum)과의 직접 비교를 통해 많은 수의 유전자가 동조 유전자(homoeologous gene) 형태로 3배수 존재하며 기능적으로 잘 보존되어 있음을 증명했다.

또한 이러한 동조유전자 가운데 식물 꽃대 발달 또는 구조 결정에 중요한 역할을 하는 유전자를 크리스퍼 편집 시스템으로 편집하고, 야생형 부모와의 역교배로, 활성화된 동조 유전자의 숫자가 다양하게 나타나는 유전형의 식물체들을 획득할 수 있었다. 각 개체의 표현형질을 조사했을 때, 생산성에 영향을 주는 형질들이 동조 유전자의 투여량 효과(dosage effect)에 의해 정교하게 양적으로 구현됨을 발견하였고, 이 가운데 가장 생산성이 향상된 유전형 개체를 선발하는 방식으로 작물 개량을 이룩할 수 있음을 제안했다.

이배체 작물들의 경우, 형질 결정에 중요한 유전자를 편집하면 다양한 보상 조절 유도로 인해 식물 생장의 밸런스가 깨지는 경우가 많은데, 다배체 작물을 이용하면 중요 유전자들의 편집을 통한 생장 밸런스를 정교하게 조절하여 다양한 형태의 중간 형질을 가지는 개체를 제작할 수 있다(그림 2). 이는 생산성 향상뿐만 아니라, 작물의 병 저항성이나 대사 물질 함유 조절 등에도 적용되어 미래 작물 육종에 매우 강력하게 활용될 수 있는 전략임을 시사한다.

이번 연구는 한국연구재단 및 차세대 농작물 신육종 기술개발사업단의 지원을 받아 미국 콜드 스프링 하버 랩(Cold Spring Harbor Lab.)과 원광대학교, 삼육대학교 등 국내외 유수의 연구자들과의 공동 연구로 진행됐다. 

연구 결과는 식물 생명공학 분야의 세계 최고 수준의 저널(인용지수 13.263)인 ≪플랜트 바이오테크놀로지 저널(Plant Biotechnology Journal)≫ 2023년 8월호에 게재됐다.