획기적인 유전자, 식물 성장을 촉진하고 광합성을 증진한다.

 

식물 생명공학의 획기적인 발견

에너지부 바이오에너지 연구 센터 두 곳(오크리지 국립연구소의 바이오에너지 혁신 센터(CBI)와 일리노이 대학교 어바나-샴페인의 고급 바이오에너지 및 바이오제품 혁신 센터(CABBI))의 과학자 팀은 포플러 나무에서 광합성을 크게 증가시키는 유전자를 발견했다. 부스터(Booster)라는 이 유전자는 현장 조건에서 나무 높이를 약 30%, 온실 환경에서는 최대 200%까지 증가시킬 수 있다.

부스터는 포플러 나무의 성장을 촉진하는 것 외에도 아라비도프시스의 생물량도 늘려, 대규모로 적용하면 다른 작물의 수확량도 높일 수 있는 잠재력이 있음을 시사한다.

 

포플러 나무: 핵심 바이오에너지 자원

부스터는 멕시코 바하 캘리포니아에서 캐나다 북부까지 번성하는 종인 포풀루스 트리코카르파(Populus trichocarpa) 또는 검은 면화나무에서 발견되었다. 이 나무는 바이오연료와 바이오제품을 만드는 원료로서 주요 후보로 인정받고 있다.

부스터는 원래 분리된 세 유전자의 서열을 포함하는 키메라 유전자이며, 진화적 시간 동안 최소한의 변화로 포플러에 보존되었다. 이 유전자는 광합성에서 중요한 역할을 하는데, 광합성은 식물이 햇빛, 이산화탄소, 물을 포도당으로 전환하는 데 사용하는 과정으로, 셀룰로오스, 전분 및 기타 식량 및 연료 생산과 관련된 거대 분자의 구성 요소이다.

 

키메라 유전자는 고유한 기원을 가지고 있으며 식물이 새로운 환경에 적응하는 데 도움이 되는 진화적 변화를 가능하게 하는 것으로 생각된다. ORNL 팀은 부스터의 경우 세 가지 다른 DNA 기원을 포함하고 있다고 결정했다. 한 부분은 포플러 나무의 뿌리 시스템에서 발견되는 박테리아에서 유래한다. 한 부분은 포플러를 감염시키는 것으로 알려진 곰팡이를 재배하는 개미에서 유래한다. 한 부분은 식물 엽록체에서 발견되는 풍부한 단백질인 루비스코의 큰 하위 단위에서 유래한다.

 

엽록체는 광합성 장치를 수용하는 주요 세포 구조로, 빛 에너지를 식물 성장에 연료를 공급하는 화학 에너지로 전환한다. 루비스코 단백질은 식물의 "탄소 포획기" 역할을 하여 대기에서 이산화탄소를 포집한다. 과학자들은 수년간 작물 수확량을 늘리고 대기 CO2를 흡수하기 위해 식물의 루비스코 양을 늘리는 방법을 연구해 왔다.

 

다양한 종에 미치는 영향과 농업적 잠재력

연구자들이 부스터 유전자를 더 많이 발현하는 포플러 나무를 만들었을 때, 루비스코 함량과 그에 따른 광합성 활동이 급증하여 온실 조건에서 재배했을 때 키가 최대 200% 더 큰 식물이 탄생했다(Developmental Cell 저널에 설명되어 있음). 이 나무는 루비스코 함량이 최대 62% 더 많았고 순 잎 CO2 흡수량이 약 25% 증가했다. 현장 조건에서 과학자들은 부스터 발현이 더 높을수록 포플러 나무가 최대 37% 더 키가 크고 줄기 부피가 최대 88% 더 많아져 식물당 바이오매스가 증가한다는 것을 발견했다.

 

 

과학자들은 다른 식물인 아라비돕시스에 부스터를 삽입하여 바이오매스가 비슷하게 증가하고 종자 생산량이 50% 증가했다. 이 발견은 부스터가 다른 식물에서 수확량을 높이는 데 더 광범위하게 적용될 수 있음을 보여준다.

 

지속 가능한 바이오에너지를 향한 진전

포플러와 아라비돕시스는 C3 식물로 알려져 있으며, 콩, 쌀, 밀, 귀리와 같은 주요 식량 작물을 포함하는 범주이다. 부스터 유전자는 더 많은 토지, 물 또는 비료가 필요하지 않고도 바이오에너지 작물 수확량을 증가시켜 강력한 바이오경제를 지원할 수 있는 잠재력이 있다. 부스터가 식량 작물에서도 유사하게 작동한다면, 더 높은 수확량은 전 세계적으로 식량 부족을 줄일 수 있다.

 

ORNL의 CBI 이사이자 기업 펠로우로 논문을 공동 집필한 제리 투스칸은 "재래식 농업에 적합하지 않은 열악한 토지에서 고수확량 다년생 바이오에너지 작물을 재배하면 항공과 같은 전기화가 어려운 부문의 액체 바이오연료에 대한 수요 증가를 충족하는 데 도움이 될 수 있다."라고 말했다. "빠르게 성장하고 회복력이 강한 원료 공장은 바이오경제를 자극하고 농촌 일자리를 창출하며 예상되는 에너지 수요를 지원할 수 있다."

 

"이 발견은 광합성과 식물 생산성을 크게 자극하는 측면에서 게임 체인저가 될 수 있다." 식물 광합성 분야의 선도적 권위자이자 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 교수이자 일리노이 주도의 CABBI에서 공동 저자로 활동하는 스티븐 롱의 말이다. "우리는 결과를 대규모로 재현할 수 있는지 확인하기 위해 더 광범위하게 테스트해야 하지만, 전혀 관련 없는 식물에서 효과가 있었다는 사실은 더 광범위한 식물에서 효과가 있을 수 있음을 나타낸다."

 

연구의 다음 단계에는 포플러와 다른 바이오에너지 및 식량 식물에 대한 다중 위치 현장 시험이 포함될 수 있으며, 연구자들은 장기적인 성공을 분석하기 위해 다양한 재배 조건에서 식물 생산성을 기록할 수 있다고 롱은 말했다.

 

이 발견은 과학자들이 개선된 바이오에너지 원료 식물과 식물을 고급 연료 및 제품으로 가공하는 효율적인 방법을 개발하는 데 중점을 둔 두 DOE 센터 간의 협업의 결과였다.

 

전략적 협력 및 유전 연구

ORNL이 이끄는 CBI에서 과학자들은 수년간 사료 생산을 위한 빠르게 성장하는 비식용 다년생 작물인 포플러를 연구했다. 그들은 야생에서 1,500그루의 나무를 샘플링하고 물리적 특성과 유전적 구성을 분석하여 포풀루스 트리코카르파의 첫 번째 게놈 전체 연관 연구 또는 GWAS를 조립했다. 이 종류의 최초이자 가장 큰 GWAS 중 하나는 생물학적 마커 역할을 하는 2,800만 개 이상의 단일 뉴클레오티드 다형성을 식별하여 과학자들이 식물 성장, 탄소, 질소 및 리그닌 함량, 식물이 물을 얼마나 효율적으로 사용하는지와 같은 특정 특성과 관련된 유전자를 찾는 데 도움이 되었다.

 

CBI와 CABBI의 과학자들은 GWAS 집단을 사용하여 광합성 억제와 관련된 두 개의 후보 유전자를 찾았다. 광합성 억제는 식물이 햇빛과 그늘 사이에서 얼마나 빨리 적응하고 피해를 피하기 위해 너무 많은 햇빛에서 과도한 에너지를 소산시키는 과정을 조절하는 과정이다. CABBI 과학자들은 캘리포니아 데이비스의 시험 정원에서 포플러의 신속한 표현형 분석을 수행하기 위해 개발한 스크리닝 기술을 활용했다. 초기 스크리닝에서는 찾고 있던 유전자가 즉시 나타나지 않았다. 하지만 후보 유전자 중 하나에 대한 추가 분자 분석 결과 부스터로 밝혀졌는데, 이는 CABBI가 광합성 개선에 핵심적이라고 예측했던 두 유전자에 영향을 미친다.

 

식물 생명공학에서 키메라 유전자 검증

"부스터와 같은 보존된 키메라 유전자는 종종 식물 과정에 더 이상 영향을 미치지 않는 비기능적 진화적 인공물로 무시된다."라고 유전자의 분자 분석을 주도하고 논문의 첫 번째 저자인 ORNL의 비룩 페이사가 말했다. "하지만 여기서 우리는 그 반대를 증명했다. 분자 및 생리학적 검증을 통해 부스터가 광합성을 향상시켜 식물이 안정적이고 변동하는 빛 조건에서 더 나은 성능을 발휘한다는 것이 확인되었다.”

 

“이 발견은 과학적 사고의 새로운 길을 열어준다.”라고 투스칸은 말했습다. “우리는 광합성을 개선하기 어려운 과정으로 생각하는 경향이 있다. 하지만 사실, 광합성을 둘러싼 분자 기계는 식물이 환경에 적응함에 따라 계속 진화해 왔다. 이 경우, 연관된 유기체와 DNA를 교환함으로써 생물학적 과정이 근본적으로 바뀌었다.”