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사탕수수 표준 유전체 확정되다

   차원석 기자   2018-09-05 16:54

▲사탕수수(출처=셔터스톡)

사탕수수는 지구상에서 가장 많이 생산되는 작물이지만, 어려운 경제 상황에서 중요성이 있는 육종 프로그램 및 작물 개선을 지원, 참조할 수 있는 표준 유전 게놈이 최근까지 없었다. 최근 사탕수수 표준 유전체 게놈이 발표되면서 상황이 개선될 것으로 보인다. 게놈에 대한 지식은 벌레에 면역성이 있는 새로운 사탕수수 품종을 개발하고 경제도 향상시킬 수 있다.

세계에서 가장 많이 생산되는 작물

사탕수수는 다년생의 벼과 식물로 아시아 열대 지방의 온난한 지역과 호주에 인접한 태평양의 섬들이 원산지다. 사탕수수는 줄기 설탕 자당이 풍부하며 두꺼운 섬유질 줄기가 있으며, 2m에서 6m까지 자란다.

모든 사탕수수 종은 교잡될 수 있는데, 그중 중요한 식용 사탕수수 종은 S.officinarum, S.sense, S.barberi, S.robustum과 S.sponena 정도다. 사탕수수는 벼과 식물에 속하는데, 옥수수, 밀, 쌀 등의 작물이 포함된다.

이름에서 알 수 있듯이 세계 설탕 생산량의 80%가 사탕수수에서 비롯된다. 바이오 연료도 마찬가지인데, 사탕수수는 태양 에너지의 최대 1%를 바이오매스로 전환할 수 있는 고효율 C4 탄소 고정 장치이기도 하다. 사탕수수는 식량 농업기구(FAO) 또는 유엔(UN)에서 선정한 세계에서 가장 많이 재배된 작물이다. 2016년에 19억 톤의 사탕수수가 생산되었으며, 그중 브라질이 41%, 인도 18%, 중국 6% 그리고 태국이 5%라고 한다.

일반적인 사탕수수 품종 게놈은 100~130개의 염색체를 가지고 있으며 그 대부분은 S.offi cinarum으로부터 유래되었으며, 10~20%는 S.spontaneum에서, 약 10%는 interspeci recombinants에서 유래되었다. 이 같은 복잡성 때문에 표준 유전체가 현재까지 만들어지지 않았다.

이것은 사탕수수의 표적 육종, 공학 및 개선에 대한 한계이며, 설탕 대체물 형태의 경쟁물의 출현과 바이오 연료 정제 효율 향상에 대한 관심으로 인해 그 중요성이 커지고 있다.

사탕수수 표준 유전체 확정

프랑스의 몽펠리에국제센터의 안젤리크 D. 혼트(Angélique D' Hont)가 주도하는 연구에서 사탕수수를 위한 표준 유전체가 만들어졌다. 지금까지 가장 잘 특징지어진 사탕수수 게놈 S.officinarum과 S.spontumum의 잡종인 R570 품종을 기반으로 한다.

R570은 S.spontaneum에서 유래된 전체 염색체의 10%와 S.officinarum/S.spontaneum 재조합 염색체에서 10%를 포함하여 약 115개의 염색체를 가지고 있으며, 나머지는 S.of fi cinarum의 전체 염색체다. 연구진은 네이처 커뮤니케이션 저널에 해당 연구를 발표했다.

3,965개의 고품질 콘티그에서 382Mb의 서열로 구성된 사탕수수 게놈의 첫 번째 방식이다. 완전하지는 않지만 재조합의 대부분을 설명하는 것으로 알려진 유전체의 활성 유전자가 풍부한 부분에 대한 참고 문헌으로 제안되어 번식에 가장 유용한 부분을 대표한다.

사탕수수 해충 정밀조사

▲하얀 거품을 생성하는 벌레 사탕수수 즙을 공격한다(출처=셔터스톡)

사탕수수 게놈에 대한 지식은 해충을 제거하고 살충제 사용을 줄이며 작물 수확량을 개선하기 위한 육종 프로그램을 용이하게 할 수 있다. 경제적 손실을 야기하는 사탕수수의 해충은 사탕수수의 뿌리에 감염되어 수액에 먹이를 먹는 좀매미(Mahanarva fimbriolata)의 애벌레다.

유충은 토양 표면에서 볼 수 있는 독특한 거품으로 감지할 수 있다. 곤충은 변온성으로 즉 체온은 외부 환경에 의해 조절된다. 온도 변화로부터 보호하기 위해 거품을 발생시키는 것으로 의심되었지만, 이는 확인되지 않았다.

브라질 상파울루대학의 곤충학 및 해부학학과의 조세 마우리코 S. 벤토(José Maurício S.Bento)가 이끄는 새로운 연구에서 좀매미의 수명주기에 거품의 역할을 연구했다. 학술지 사이언티픽 리포트에 연구 결과를 게재했다.

상파울루에서는 2016년 수확 전 사탕수수 태우기를 금지한 이후 벌레 수가 증가했다고 한다. 벌레의 거품은 일반적으로 11월에서 3월 사이 여름철에 영향을 받은 사탕수수의 뿌리 주변에 땅이 젖으면서 시작된다.

연구팀은 거품 가설을 확인했다. 연구진은 브라질의 피라시카바 지역의 더운 여름날 토양 안팎의 거품 온도를 직접 테스트하여 온도 변동이 분명하게 나타낼 수 있도록 했다. 연구팀은 외부 온도가 24~29℃ 범위에 있는 반면 거품 내부는 25℃로 일정하다는 것을 발견했다. 이는 평균 토양 온도와 벌레에 대한 이상과 유사하다. 연구는 거품이 벌레의 온도를 조절하는 역할을 한다는 것을 직접적으로 보여준 것이다.

[researchpaper 리서치페이퍼=차원석 기자]