한 연구팀이 식물을 연구해 비료에 든 과잉 인을 줄일 수 있는 유전자를 발견했다.

비료 오염은 강과 호수 같은 수로에 부정적인 영향을 미치는 주요 문제다. 이에 보이스 톰슨 연구소는 비료에 든 화학물질인 인의 수치를 조절할 수 있는 한 쌍의 식물 유전자를 밝혀냈다. 이를 사용해 해역의 오염 수준을 낮출 수 있다고 주장했다.

비료 오염에 대처할 수 있는 새로운 식물 유전자

농가에서는 보통 작물의 성장을 촉진하고 수요를 충족할 수 있도록 비료를 사용하고 있다. 그러나 비료는 토양 및 수질 오염 같은 여러 환경 문제를 유발할 수 있다.

이는 비료에 연못과 저수지, 강, 호수 같은 수로로 흘러 들어갈 수 있는 다량의 질소와 인, 칼륨 화합물이 들어있기 때문이며, 이 화학물질들은 동물과 인간이 섭취했을 때 유해한 영향을 유발할 수 있다.

이에 보이스 톰슨 연구소는 비료에 든 인산 파생물질인 인의 수치를 낮출 수 있는 방법을 밝혀낸 것이다. 연구 결과, 한 쌍의 식물 유전자가 이 화학물질을 조절할 수 있는 것으로 확인됐다. 

따라서 이 유전자를 바이오 기술에 적용하면 비료 사용으로 인해 유발될 수 있는 부작용을 낮출 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

코넬대학의 마리아 해리슨 교수는 이 식물 유전자 발견에 영감을 받아 식물과 수지상균근(AM)이라는 균류의 공생 관계를 연구했다.

AM은 식물 뿌리에 군집을 이뤄 서식하고 있는 균류로써 식물과 질소 및 인의 지방산을 거래하는 인터페이스를 만들 수 있다. 즉, 식물과 AM, 두 유기체는 서로 필수 영양소를 공급하는 것이다. 이 공생 관계가 양측에서 작용하는 동안 식물은 자체적으로 AM을 내보내지 않는다.

그리고 AM을 기생하고 있는 식물은 지나친 균류 서식을 막을 수 있는 자연 메커니즘을 사용한다. 이에 연구팀은 AM이 군집화하는 과정을 자세히 연구했다. 그리고 실험실에서 유전자 테스트를 진행하고 식물 내의 CLE 펩타이드라는 단백질을 감지했다.

그리고 이 펩타이드가 세포 발달 및 스트레스 반응과 관련이 있다는 것을 확인했다. 연구팀은 여러 가지 식물을 사용해 이 펩타이드를 조사했으며 녹조류와 꽃식물을 포함한 식물계 전체에 이 펩타이드가 존재하고 있다는 것을 확인했다.

또한, 추가 테스트를 통해 CLE 유전자에 대해 연구한 결과 유전자 두 개가 공생관계에서 AM 균류 군집화의 조절자로써 기능하는 것으로 확인됐다. CLE 53이라는 유전자 중 하나는 균류가 다른 뿌리로 확장되는 속도를 낮추는 기능을 했으며 CLE 33이라는 유전자는 식물이 충분한 인을 공급받으면 군집화 속도를 낮췄다.

식물 유전자가 비료 오염에 대처할 수 있는 방법

해리슨 교수는 "식물 뿌리에서 균류 군집화 수준을 조절하고 공생관계를 유지한다는 그 자체가 농가에서 유용하게 작용할 수 있다"며 "가뭄이 발생했을 때 질소와 인을 추가로 흡수하는 등 AM 균류의 효과를 원할 수 있다"고 말했다. 

이어 "이 때 식물 속의 CLE 펩타이트의 수치를 조절해 혜택을 얻을 수 있다"고 설명했다.

즉, 식물의 CLE 펩타이드로 농지의 인 수치를 조절할 수 있는 것이다.

연구팀은 현재 CLE 유전자를 조절하는 분자를 조사 중에 있으며 이 유전자가 인과 반응하는 방법 또한 연구 중에 있다.

비료 오염

미국 환경보호청(EPA)에 따르면, 비료 오염은 영양소 오염의 주요 원인 중 하나다. 질소와 인이 대기와 수질을 오염시키고 생태계를 파괴하며 수중 생명체를 죽이는 대표적 물질로 알려져 있다.

2012년 3월 기준, 미국의 1만5,000개 수역이 과잉 영양소로 오염됐다. 이는 미국의 강과 하천 10만1,000마일이 영양소 불균형이라는 의미다. 게다가, 호수와 저수지 350만 에이커에서 질소와 인수치로 인해 영양소 불균형 상태라는 것이 확인됐다.

영양소 오염이 진행된 수로는 해로운 해조류가 걷잡을 수 없는 속도로 증가하는 녹조 현상에 취약해진다. 녹조 현상은 햇빛을 차단하고 수상 동식물이 사용해야 할 영양소를 빼앗아간다. 따라서 녹조 현상이 심한 지역에는 수생 동식물이 죽은 채로 발견되는 경우가 많다. 영양소 오염과 녹조 현상은 산업과 상업, 주거 지역을 위협한다.