쌀은 세계에서 가장 널리 재배되는 주요 식량작물 중 하나이며, 세계 인구의 절반 이상이 하루 칼로리 섭취량의 약 20%를 제공합니다. 그러나 현재 널리 재배되고 있는 벼는 매년 다시 파종해야 하는 한해살이 작물인 반면, 야생종은 대부분 해마다 꽃이 피고 식물 밑부분에서 계속해서 새싹이 돋아날 수 있는 다년생 식물이다.
사이언스(Science)에 발표된 최근 연구에 따르면 과학자들은 야생 벼(Oryza rufipogon)에서 다년생 특성을 결정하는 주요 유전적 요인을 발견하고 관련 유전자를 재배 벼(Oryza sativa)에 성공적으로 도입하여 다년생 성장 능력을 갖춘 쌀 소재를 만드는 데 성공했습니다. 연구팀은 오늘날 재배되는 벼가 다년생 조상에서 유래했을 가능성이 높지만 장기간의 재배 과정에서 재생 능력이 점차 상실된 것으로 보고 있다.
이러한 다년생 특성을 추적하기 위해 중국과학원의 유전학자인 Han Bin과 동료들은 446개의 야생 벼 샘플과 재배 벼 재료를 비교 분석했습니다. 그들은 벼의 염색체 1에서 "Endless Branches and Tillers 1"(EBT1)이라는 게놈 영역을 확인했습니다. 이 영역에는 각각 B와 C로 표시된 조절 유전자 microRNA156의 두 복사본이 포함되어 있습니다.
연구에 따르면 묘목 단계에서 이 microRNA156 B 및 C 서열은 매우 활성적이며 식물을 영양 성장 단계로 유지할 수 있어 생식 발달 단계로 돌진하지 않고 잎과 줄기가 계속 자랄 수 있게 해줍니다. 식물이 성숙함에 따라 이 활동은 점차 약해집니다. 일반 재배 벼에서는 꽃이 피고 열매를 맺은 후에 식물의 수명이 끝나는 것을 의미합니다. 야생 벼에서 이 유전자 영역은 개화 후 "재설정"되어 식물이 완전히 죽는 대신 다시 영양 성장을 재개할 수 있도록 합니다.
연구팀은 추가적으로 야생벼와 재배벼를 교배시켜 살아있는 식물에서 관련 유전자의 기능적 성능을 관찰했다. 연구진은 많은 잡종 자손 표현형 중에서 생식 발달을 중단하고 개화 후 영양 성장을 다시 시작하는 능력을 보여주는 G43이라는 물질을 선택했습니다.
영양 성장을 회복하는 과정에서 G43은 식물의 기부에서 "경운기"라고 불리는 수많은 곁가지를 성장시킵니다. 일반적으로 일반 벼는 마디부터 맺기, 결실, 죽기까지의 생애주기 동안 약 10개의 경운기를 생산하는데 반해, G43은 평균 70개 이상의 경운기를 생산하여 여러 번 재생하고 팽창하는 능력을 현저히 입증합니다.
그러나 이 "끝없는 경작"은 현재 명백한 한계에 직면해 있습니다. 이러한 2차 성장에 의해 형성된 대부분의 곁가지들은 불임 경작기로서 비정상적인 꽃만 자랄 뿐 종자를 생산할 수는 없습니다. 연구팀은 진정으로 대규모로 육성할 수 있는 다년생 재배 쌀을 얻기 위해서는 관련 유전자를 게놈의 다른 곳에 추가로 도입하거나 조절하여 수년 동안 재생하고 충분한 결실을 유지할 수 있는 다양성을 달성해야 한다고 믿고 있다.
농업 게놈 연구소(Agricultural Genome Research Institute)의 식물 유전학자인 Salomé Prat는 Refractor와의 인터뷰에서 현재 EBT1 유전자좌가 다년생 특성을 가져오지만 벼의 정상적인 개화를 억제하여 수확량을 감소시킨다고 지적했습니다. 그녀는 이 대립유전자에서 개화 후 경작 싹에서 유전자가 다시 활성화되어 새로운 경운이 형성되지만 이는 또한 생식 단계가 억제된다는 것을 의미한다고 그녀는 설명합니다.
캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 식물생물학자인 Jorge Dubcovsky는 이러한 종류의 유전자 편집 쌀이 단기적으로 "대중에게 신속하게 제공될 가능성은 낮다"고 경고했습니다. 그는 광범위한 농업 생산의 관점에서 볼 때 다년생 작물은 일년생 작물보다 수확량이 낮은 경향이 있다고 지적했습니다. 지속적인 세계 인구 증가의 맥락에서 인간은 기존의 수확량이 많은 연간 주요 작물을 수확량이 낮은 다년생 작물로 대규모 교체할 여력이 없을 수 있습니다. 전자가 생태학 및 지속 가능성 측면에서 이점이 있더라도 말입니다.
이러한 전망과 과제에도 불구하고, 본 연구는 여전히 쌀 유전자 개량 분야에서 중요한 진전으로 평가되고 있으며, 분자 육종법을 통해 수년 동안 수확할 수 있는 재배 쌀을 만드는 데 핵심적인 단서를 제공하고 있습니다. 앞으로 과학자들이 수확량을 크게 희생하지 않고 주요 품종에 다년생 특성을 꾸준히 도입할 수 있다면 모내기 시스템은 파종 감소, 노동력과 자원 절약, 토양 및 생태 환경 개선 측면에서 획기적인 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.