생명/의료

친환경 다수확 벼 신품종 육성 핵심 유전자 발견

발행일 : 2020 / 02 / 13

중국과학원 유전·발생생물학연구소 푸샹둥(傅向東) 연구팀은 8년간 연구를 거쳐 기존의 벼 품종에서 핵심 유전자 NGR5를 획득함으로써 “저투입 다수확” 친환경 벼 신품종 육성에 가능성을 가져다주었다. 또한 친환경 다수확 고효율 농작물 분자 설계 육종에 이론적 기반을 마련함과 아울러 육종 이용 가치를 보유한 유전자자원을 제공했다. 해당 성과는 “지베렐린 신호전달 새 메커니즘 조절에 의한 벼 질소비료 고효율 이용에 관한 최신 연구성과”라는 제목의 연구논문(Research Article) 형식으로 “Science”에 게재되었다. 해당 성과는 지베렐린 신호전달 및 식물의 질소에 대한 응답 사이의 복잡한 상호작용 메커니즘 인식을 심화시키고 식량 수확량 지속적 향상을 보장함과 동시에 벼의 질소비료 이용 효율을 향상시켜 화학비료 투입을 절감시킴으로써 환경오염을 감소시키는 육종 새 전략을 개척했다. 이는 “저투입 다수확” 작물 신품종을 육성하여 지속적인 식량안전을 보장하는데 도움이 된다.

벼는 중국의 중요한 식량작물로서 국가 식량안전 및 사회안정을 보장하는데 매우 중요한 역할을 한다. 질소비료는 농업생산에서 요구량이 가장 많은 화학비료 품종으로서 작물 수확량을 증가시키고 농산물 품질을 개선시키는데 중요한 역할을 한다. 하지만 육종 시작에서부터 작물의 질소비료 이용 효율을 향상시켜 왜성(Dwarf) 육종을 특징으로 하는 “녹색혁명” 품종의 다수확 특성을 보유하면서도 질소비료 시비량을 감소시켜 “저투입 다수확” 목표에 도달할지가 현재 중국 농업의 지속가능발전 과정에서 시급히 해결해야할 주요 과제이다.

연구팀은 화학적 돌연변이 및 유전학적 스크리닝을 이용하여 “녹색혁명” 유전자를 지닌 벼 품종 9311개에서 1개의 수확량 형질이 질소 응답에 민감하지 않은 돌연변이체를 선별함과 아울러 지도 기반 복제(Map-based cloning) 방법을 통해 질소비료 고효율 이용 핵심 유전자 NGR5를 획득했다. 연구 결과, NGR5는 벼 성장 발육(식물체 높이, 분얼 및 이삭당 완전 낟알 수 등 주요 농업형질) 과정에서 질소에 응답하는 상향조절 인자이며 동시에 NGR5의 유전자 발현 수준 및 단백질 축적량은 시비량의 증가에 따라 증가된다. 현재 주요재배 다수확 벼품종에서 NGR5 발현량을 향상시킬 경우 벼의 질소비료 이용 효율을 향시킬 수 있을 뿐만 아니라 우수한 반왜성(Semi-dwarf) 다수확 특성을 보존시켜 최종적으로 벼에 대한 질소비료 시비량을 적당하게 감소시키는 조건에서 더욱 높은 수확량을 확보할 수 있다. 연구팀은 또한 1개의 새로운 우수한 대립유전자 NGR5(hap.2)를 발견했는데 그 발현량은 질소 변화에 대한 응답이 더욱 민감하여 해당 우수한 대립변이 위치를 기존의 다수확 벼 품종에 도입하면 “저투입 다수확” 친환경 벼 신품종을 육성할 수 있다.

심층적인 연구 결과, NGR5는 지베렐린 신호전달 경로의 새 핵심 “소자”로서 지베렐린 수용체 GID1 단백질과 상호작용한다. NGR5는 또한 폴리콤 유전자 억제 복합체 2(Polycomb repressive complex 2, PRC2)라고 부르는 단백질 복합체와 상호작용할 수 있으며 H3K27me3 메틸화 수식 수준 유도를 통해 표적유전자의 발현을 조절하고 더 나아가 벼 분얼 등 농업형질 및 질소에 대한 응답을 조절한다. 지베렐린은 NGR5 단백질 분해 촉진을 통해 후성유전학적 수식 감소를 유발하며 더 나아가 표적유전자의 전사 활성화를 증가시켜 지베렐린의 식물 분지(Branch) 생장 발육 촉진을 달성한다. 해당 지베렐린의 신호전달 새 메커니즘 발견은 지베렐린의 작용 메커니즘에 대한 인식을 풍부히 함과 아울러 분자 수준에서 “녹색혁명” 왜성 품종이 높은 시비량 조건에서 수확량이 증가되는 원인을 규명했다.

동 연구에서 또한 NGR5와 DELLA 단백질의 상호작용 메커니즘을 발견했으며 DELLA 단백질은 경쟁적으로 지베렐린 수용체 GID1 단백질과 결합하고 지베렐린이 유도하는 NGR5 단백질 분해를 억제하며 더 나아가 NGR5 단백질의 안정성을 증가시킴을 발견했다. DELLA 단백질 축적은 제1차 “녹색혁명”을 이끌었으며 식물체의 반왜성, 높은 시비량 내성 및 내도복성 다수확 목표를 달성했다. NGR5 단백질의 고수준 축적은 “녹색혁명”의 반왜성 우량 형질을 개변시키지 않고 벼 분얼수를 증가시킬 수 있기에 질소비료 시비량을 감소시키는 조건에서 주요 재배 품종의 수확량 및 질소비료 이용 효율을 한층 더 향상시킬 수 있다. 동 연구는 “저투입 다수확 환경보호” 기반 친환경 다수확 고효율 농작물 분자 설계 육종에 이론적 기반을 마련함과 아울러 육종 이용 가치를 구비한 유전자자원을 제공했다.

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