최근 미국에서는 제초제에 내성이 있는 서로 다른 6종류의 잡초가 발견됐다. 이에 작물 생산을 유지하기 위한 새로운 잡초 방제 전략이 절실하다는 목소리가 나오지만, 지난 30년간 새로운 제초제는 개발되지 않아 문제가 심각했었다. 그러나 최근 비료 통제 전략을 사용해 잡초가 자라는 것을 방지하는 새로운 방법이 발견돼 주목을 끈다.

제초제 내성 증가

농업은 식물 기반 작물과 동물 기반 생산으로 나뉜다. 특히 식물 기반 작물을 뜻하는 경작의 경우 토지 생산성은 농작물의 성장 조건을 최적화시키는 것과 이런 최적의 성장 조건 하에서 잡초와 해충이 번성하는 것을 방지하는 대책을 세우는 것 사이의 조화로운 균형이 유지되야 성공적인 운영이 가능하다.

그리고 약 76억이나 차지하는 전 세계 인구에 식량을 공급하는데 필요한 고강도 양식의 측면에서 볼 때, 통제 가능한 작물 생산성 변수를 최적화 하는 것이 중요하다. 여기서 변수란 관개 시설을 비롯한 비료와 살충제, 제초제 및 기타 공학적인 솔루션을 의미한다. 작물 자체는 생산성 변수 최적화의 핵심이다. 가령 선택적 번식 혹은 합성 생물학의 조합을 통해 질병이나 가뭄에 대한 작물의 저항력을 향상시킬 수 있다.

잡초와 해충은 제초제와 살충제에 내성을 가지고 끊임없이 진화하고 있다. 제초제는 식물을 죽이는 메터니즘에 따라 분류될 수 있는데, 캐나다의 경우 최소 6가지의 다른 제초제 그룹에서 내성 문제가 발생한 것으로 확인됐다. 캐나다의 매니토바 지역에서 2016년 채취된 밭의 78% 에서 1그룹의 내성 야생 귀리가 발견된 것. 이 지역의 43%는 2그룹의 내성 야생 귀리가 발견됏다. 그리고 42%는 1그룹과 2그룹 모두에 저항성을 보인 것으로 나타났다. 알버타 역시 매니토바와 비슷한 상황이다.

문제는 미국까지 그 영향력이 확산되며 악화될 위기에 놓일 수 있다는 점이다. 미주리 대학의 잡초 과학자들은 올해 6종의 제초제 그룹에 저항하는 워터헴프 잡초들을 발견했는데, 이에 따라 제조제 내성은 뜨거운 감자로 떠오르고 있다. 미네소타와 아칸소 역시 제초제 내성을 가진 어린 비름이 발견됐다.

협력적 잡초 관리

일리노이 대학 과학자들과 미국 농업연구청(ARS)은 농장들이 이웃 농장과 협력해 제초제 내성 잡초를 관리하는 방법에 대한 결정을 내리는 협력적 잡초 관리를 지원하고 있다. 이 관리법은 제초제의 대량 구매로 인해 약 3~4가지 종류의 제초제가 서로 밭에서 혼합될 수 있도록 하는 것인데, 이를 활용하면 잡초는 여러 가지 서로 다른 성장 경로에서 동시에 타격을 받기 때문에 저항성 발생 확률이 감소할 수 있다. 개별 농장에서는 제초제를 다량을 구매하기 힘들지만 이러한 협력적 방식은 제초제 내성 잡초의 성장 가능성을 더디게 만들 수 있어 효과적이다.

그러나 이 접근법은 시장에서 판매되는 새로운 제초제가 부족하기 때문에 어느 정도 제한적일 수 있다. 앞서 언급한대로 지난 30년간 새로운 유형의 제초제가 상업적으로 출시되지 않았기 때문인데, 이런 가운데 새로운 연구가 농장들의 강력한 희망으로 떠오르고 있다. 바로 천연제품 제초제로, UCLA의 화학 및 생물공학과가 주도한 연구에서 실질적인 성과를 얻었다.

진균류 천연물에서 추출한 제초제

연구팀은 곰팡이 독에 대한 면역력을 제공할 수 있는 수천 가지의 곰팡이 유전자를 검색하는 방식으로 데이터 과학과 유전학을 결합하는 기술을 활용했다. 이는 독성 분자를 생산하는 유기체가 그 분자에 내성을 가져야 한다는 원리에 기초한 것으로, '저항성 유전자 게놈 채취(resistance gene-directed genome mining)'라고 알려진다. 이 기술은 최근 네이처에 게재됐다.

발견된 천연물은 식물의 분지쇄아미노산 생합성 경로의 효소를 표적으로 해 식물을 죽일 수 있다. 효소는 포유류와 인간에게서 발견되지 않기 때문에, 오프타겟(Off target) 효과가 없다고 가정할때 매우 안전한 제초제가 될 수 있다.

연구에 참여한 스티븐 제이콥스는 원래의 곰팡이 내성 유전자를 사용해 제초제에 저항성이 있는 작물을 생산하는 것이 가능할 것이라고 생각했다며, 실제로 애기장대(Arabidopsis thaliana)라고 불리는 비경작 식물에 적용해 이같은 결과를 얻었다고 말했다. 팀은 현재 향후 유망한 제품을 개발할 수 있는 산업적 파트너를 적극적으로 모색하는 중으로, 아직 상용 제품 개발을 위해서는 더 많은 연구와 안전성 시험이 필요한 상황이다.

유전공학 전략

한편, 텍사스 A&M 대학 연구팀은 유전공학을 활용해 제초제 성분이 들어가지 않은 새로운 전략을 개발했다. PNAS 저널에 게재된 이 연구는, 세균성아인산염탈수소효소(ptxD, bacterial phosphite dehydrogenase) 유전자를 목화에 적용시킨 것이다. 이 방법은 목화가 자신의 성장에 필수적인 유일한 공급원인 인으로 아인산염을 사용할 수 있도록 하는 것인데, 인이 상대적으로 적은 토양에서 인 대신에 아인산염을 보충해 성장할 수 있다. 반면 잡초는 인이 부족한 토양에서는 제대로 자랄 수 없어, 결국 자연적으로 잡초는 성장하지 못하게 되는 원리가 작용한다.

[researchpaper 리서치페이퍼=고진아 기자]