twitter naver_post kakao_plus

‘박테리아와 공생관계를 유지하면 성장 극대화’ 식물로 알아본 이종 간 공생관계

   김성은 기자   2018-10-04 17:02
▲공생관계는 두 가지 다른 생물 사이에서 벌어지는 생물학적 상호작용이다(출처=플리커)

이종 간 협력은 상호 유익하다는 연구 결과가 발표됐다. 연구팀은 이번 연구를 위해 질소 고정 박테리아와 완두콩과(科) 식물, 미토콘드리아와 핵 게놈, 흰동가리와 말미잘의 공생을 조사했다.

공생은 상호 유익하다

고대 그리스어로 ‘함께 생활한다’는 의미의 공생(Symbiosis)은 두 개의 서로 다른 생물이 장기적으로 생물학적 관계를 맺는 것을 일컫는다. 공생에는 ▲상리공생(두 종 모두에게 유익하다) ▲편리공생(한 종에게는 유익하지만 남은 한 종은 아무런 이득이 없다) ▲기생(한 종의 희생으로 다른 종이 이익을 취한다)의 유형이 있다.

한 종의 생물이 또 다른 종 없이는 생존할 수 없을 때 공생은 의무적인 관계가 될 수 있다. 관계가 선택적일 때는 우발적으로 발생하기도 한다. 하나의 생물이 또 다른 생물 내에서 살게 된다면 이는 세포내공생이라고 부른다.

질소 고정 박테리아, 완두콩과 식물 성장 촉진​

특정한 식물과 박테리아는 상리공생 관계를 갖는다. 그 사례가 바로 완두콩과 식물과 질소 고정 박테리아다. 질소 고정 박테리아는 식물이 토양에는 부족한 질소를 공기 중에서 흡수하게 만든다. 그 결과, 박테리아는 근류(뿌리혹)라는 구조로 보상 받는다. 즉, 박테리아는 물리적인 보호를 받고 식물로부터 영양소를 공급받을 수 있다.

캘리포니아리버사이드대학 진화생물학과 조엘 새시 박사가 이끄는 연구팀은 완두콩과 식물이 박테리아와 공생관계를 유지할 때 성장률이 13배 증가한다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 영장류 위장 마이크로비옴을 확인할 때 유전학이 가장 중요한 요인이라는 것을 이번 연구의 근거로 삼았다. 그리고 완두콩과 식물 주변의 토양에 여러 가지 비료를 사용하는 것은 박테리아와의 상호작용에 아무런 영향을 미치지 않는다는 것을 확인했다. 대신, 식물이 질소 고정 박테리아와 성공적으로 상호작용을 하는 데 유전학 변인이 가장 중요한 예측변수라는 사실을 밝혀냈다.

질소 고정 박테리아와 가장 밀접한 관계를 맺는 완두콩과 식물은 최고의 성장 결과를 냈다. 이는 식물이 공생관계를 통해 성장 가능성을 극대화할 수 있다는 것을 의미한다.

▲질소 고정 박테리아와 밀접한 관계를 맺는 완두콩과 식물은 최상의 성장 결과를 낸다(출처=픽사베이)

미토콘드리아와 핵 게놈 간의 관계

사람과 모든 포유동물의 세포에는 세포가 기능할 수 있는 힘을 제공하는 구조 또는 세포 기관이 들어있다. 이러한 세포 기관을 미토콘드리아라고 부르며, 한때 자유생활 박테리아였지만 진화의 과정을 거쳐 의무적 내생공생생물이 됐다. 그리고 이는 미토콘드리아가 클론에 의해 모체에서 아이에게 전달되는 순환 게놈을 가졌다는 것을 의미한다.

미 알라바마대학 유전학과 케샤브 사인 박사가 이끄는 연구팀은 핵 게놈 변형을 통해 미토콘드리아 기능을 복구하면 쥐의 주름진 피부와 탈모 현상을 회복할 수 있다는 것을 증명했다.

연구팀은 미토콘드리아 DNA가 핵 게놈 내부에 위치한 결함이 있는 DNA 폴리머라제 유전자로 인해 쥐 세포에서 급격하게 감소된 쥐 모델을 만들었다.

이렇게 만든 쥐 모델은 주름과 탈모가 발생했다. 연구팀은 시스템을 설정해 DNA 폴리머라제를 본래대로 돌려놓을 수 있었다. 그리고 미토콘드리아 DNA를 정상 수준으로 복구했다. 그러자 주름과 탈모가 사라졌다. 연구 결과, 노화의 가시적인 징후는 미토콘드리아 기능 개선으로 제거할 수 있었다.

줄무늬로 니모 찾을 수 있다

공생에는 언제나 박테리아가 포함되는 것도 아니며 육상에서만 벌어지는 것도 아니다. 핀란드 투르쿠대학과 웨스턴오스트레일리아대학의 연구팀은 흰동가리(니모)의 밝은 오렌지색과 흰색의 배색 이유를 밝혀냈다.

흰동가리는 말미잘과 상리공생 관계를 맺고 있다. 말미잘은 다수의 촉수를 가진 정체성 동물로 먹이를 잡거나 포식자를 물리치기 위해 촉수를 사용한다.

흰동가리는 말미잘에게 해를 끼칠 수 있는 작은 무척추동물을 먹고 살며, 말미잘은 흰동가리의 배설물에서 영양소를 얻는다. 흰동가리는 말미잘의 촉수 공격 덕분에 포식자의 공격으로부터 안전할 수 있다. 흰동가리는 말미잘의 촉수에 내성이 있다. 한편, 흰동가리는 고음의 소리를 내 말미잘을 보호한다.

말미잘과 공생하는 흰동가리는 30여 종이 있으며, 각각 한두 가지 유형의 말미잘과 상호작용 한다. 말미잘은 먹이를 잡을 때 독을 사용하거나 공격한다. 연구팀은 흰동가리의 줄무늬와 말미잘의 공격성 사이에 상관관계가 있다는 사실을 밝혀냈다.

흰동가리의 흰색 줄무늬가 옅을수록 말미잘의 공격성이 치명적이라는 사실이 드러났다. 흰동가리의 줄무늬는 말미잘의 촉수 사이에서 위장 효과가 있다. 하지만 말미잘의 촉수 공격성이 강하지 못한 경우, 흰동가리의 위장술은 중요해진다.

공격성이 치명적인 말미잘과 공생 관계에 있는 흰동가리는 위장 행동을 중단하고 오히려 밝은 오렌지색을 과시해 포식자의 접근을 막는다.

[researchpaper 리서치페이퍼=김성은 기자]