대부분 작물과 마찬가지로 토마토는 성장과 품질에 영향을 주는 병원체에 감염되기 쉽지만 최근 연구진이 토마토와 피망에 발생하는 식물 질병을 퇴치할 백신을 개발함으로써 앞으로 질병이 없는 토마토와 피망을 만날 수 있을 것으로 보인다.
스탠퍼드대학 연구진은 얼마 전 토마토와 피망에 주입할 수 있는 백신을 개발했다. 이 백신은 식물이 병원체에 감염되는 것을 막아준다. 연구 결과는 세포 신호 전달 분야의 학술지인 사이언스시그널링 저널에 실렸다.
새로운 화학물질이 감염으로부터 식물 보호
미국의 공공 연구 대학인 네브래스카-링컨대학에 따르면, 식물 질병은 식물의 잠재력을 제한해 작물 생산이 불가능하게, 혹은 매우 저조하게 만든다. 농작물이 병원체에 감염될 경우 농부들의 수확량 기대치를 충족할 수 없다. 이에 따라 농지에 쏟은 투자를 잃을 우려가 있다.
스탠퍼드대학 과학자들은 식물이 병에 걸리지 않도록 하는 새로운 솔루션을 개발했다. 이 솔루션은 화학 약물을 이용해 토마토와 피망의 잎에 병원체가 서식하지 못하도록 만드는 것이다. 화학물질은 공격적인 방식과 방어적인 방식으로 작용한다. 우선 이 물질은 미생물을 파괴할 수 있는데, 동시에 미생물이 식물의 다른 부분에서 감염을 유발하는 것을 방해하기도 한다.
이들이 발견한 화학 물질은 NHP다. N-hydroxy-pipecolic acid의 약자다. 연구를 진행한 메리 베스 머겟은 "NHP가 식물에서 이 방어 시스템을 어떻게 움직이는지 발견했다. 그리고 NHP를 식물에 주입해 이 화학 물질이 방어 메커니즘을 전환할 접종원이 될 수 있음을 발견했다"고 설명했다.
NHP는 자연적으로 발생하는 물질이지만 최근에서야 발견됐다. 실험실 분석에 따르면 NHP는 식물에 대한 보호 효과가 있었다. 만약 식물 잎이 NHP로 코팅돼 있으면 박테리아, 곰팡이, 바이러스 등이 침입할 수 없었다.
연구에서 과학자들은 NHP가 토마토와 피망에 제공하는 이점에 주목해 화학 물질에 어떤 효과가 있는지 실험을 진행했다. 연구진은 두 식물의 잎 밑면에 NHP를 투여한 다음 식물의 잎이 시들게 만드는 박테리아에 식물을 노출시키고 박테리아가 식물에 침입하는지 관찰했다.
실험 결과 백신을 맞은 토마토와 피망의 잎은 박테리아에 감염되지 않았다. 이 식물과 비교하기 위해 물만 준 토마토와 피망의 잎은 박테리아에 감염돼 얼룩이 나타났다. 연구진은 NHP가 잎에서 반응을 일으켜 식물이 박테리아에 저항할 수 있도록 만든다고 설명했다.
NHP가 식물을 보호하는 방법
NHP의 수수께끼를 풀기 위해 과학자들은 특정 토마토를 조작해 토마토 자체에서 NHP가 만들어지도록 만들었다. 연구진은 토마토에 NHP를 형성하는 데 필요한 유전자를 주입했고, 관찰 결과 토마토는 올바른 유전자를 갖고 있다면 NHP를 생성할 수 있는 것으로 나타났다.
연구진은 이렇게 유전자 조작된 토마토가 NHP로 코팅된 일반 토마토와 유사한 효과를 보이는지 실험했다. 이전 실험과 동일한 박테리아를 두 토마토에 침투시킨 결과, NHP는 유전자 조작된 토마토가 전신획득저항성(SAR)을 보이도록 만들었다. 이는 외부적으로 NHP에 코팅된 토마토와 같은 현상이었다. 연구진이 마침내 SAR의 메커니즘을 해체한 것이 이번 연구의 가장 큰 성과였다.
연구진은 현재 특정 작물의 종자에 2개의 NHP 생산 유전자를 삽입해 종자에서부터 식물이 NHP를 유지하며 자랄 수 있는지, 그리고 이렇게 자란 식물을 NHP가 여러 감염으로부터 보호할 수 있는지 여부를 알아볼 생각이다. 이 미래의 연구를 통해 NHP의 효과가 제한적인지 아니면 전 식물에 적용될 수 있는지를 알아본다. 그리고 연구진은 NHP 유전자 조작의 생리적인 효과에 대해서도 알아볼 생각이다.
NHP를 상용화하기는 아직 이른 단계이지만, 과학자들은 NHP가 식물을 위한 백신을 개발할 한 가지 방법이라고 말했다. 이 분야의 과학자들은 지난 수십 년 동안 식물 백신을 개발 중이다.
식물 질병에 대해
유엔식량농업기구는 아프리카 주민 7,000만 명이 식재료의 주요 공급원으로 카사바에 의존하고 있다고 말했다. 카사바는 다년성 뿌리식물로 아프리카 지역의 탄수화물 공급원이다. 그런데 문제는 카사바가 브라운 스테이크 바이러스와 카바사 모자이크 병에 취약하다는 것이다. 또한 사막 메뚜기가 아프리카와 동남아시아 등지에서 하루 10만 톤 이상의 농산물을 그야말로 휩쓸고 있다. 재앙이나 마찬가지다.
식물 해충 및 질병을 막는 해결책 중 하나가 농약인데, 이런 화학 물질은 바이러스나 곤충 등의 방해 요소를 차단할 수는 있지만, 근처 토양을 오염시키거나 익충도 죽일 우려가 있다. 또 농약이 남아 인체에 해가 되기도 한다. 이에 따라 생명 공학자와 화학자, 식물 전문가들은 식물의 질병을 예방하면서도 다른 동물을 죽이거나 토양의 생물 다양성을 변화시키지 않는 화학 물질을 만들기 위한 연구를 진행 중이다.
