[농촌진흥청]단일세포 C4 광합성 식물 유전체 해독 "기후 적응형 작물" 육종 신호탄

- 농촌진흥청, 세계 최초 '비에너티아' 유전체 해독

- 광합성 효율 높고 내염성 지닌 기후 적응형 작물 육종의 핵심 기반 기술 확보

- 국제 학술지에 논문 게재 

농촌진흥청(청장 이승돈)은 세계 최초로 단세포 내에서 C4 광합성*을 하는 식물 비에너티아의 유전체(게놈)을 해독했다.

* C4 광합성: 광합성 시 탄소 4개가 생성됨. 잎의 온도와 상관없이 광호흡이 거의 일어나지 않아 광합성 효율이 꾸준히 유지됨. 열대 원산의 벼과, 옥수수, 수수, 사탕수수, 기장, 조 등이 여기에 포함됨.

비에너티아(Bienetia sinuspersici)는 일반 식물과 달리 한 세포 안에서 두 종류의 엽록체가 협력해 광합성을 한다. 세포 가장자리 엽록체는 이산화탄소를 받아들이고, 중앙 엽록체는 이를 에너지로 전환한다. 이처럼 한 세포 속에서 C3*와 C4 광합성이 동시에 일어나는 독특한 구조로 염분이 많은 사막 지역에서도 생육하는 식물로 알려져 있다.

* C3 광합성: 광합성 시 탄소 3개가 생성됨. 온도와 빛, 습도 변화에 따라 광합성 속도가 달라지며 고온·건조 환경에서 효율이 저하됨. 전 세계 육상 식물의 85%가 이 방식으로 광합성을 함.

연구진은 2018년부터 단세포 C4 광합성의 분자적 작동 원리를 밝히고 이로부터 광합성 효율이 높고 내염성을 지닌 기후 적응형 작물 육종 기술을 확보하기 위해 비에너티아 유전체를 분석했다.

그 결과, 9개 염색체(총 3.61Gb, BUSCO분석 95.7%)로 구성된 고품질 염색체 수준의 유전체 지도를 완성하고 총 4만 465개의 단백질 암호화 유전자를 주석으로 달았다.** 이 결과는 단세포 C4 광합성 연구의 표준 유전체*로 학계의 인정을 받았다.

* 사람 유전체(23쌍, 3.05Gb)와 비교했을 때 비에너티아가 약 1.18배 크고 유전자 수는 2배 이상 많음.

** 표준 유전체(reference genome): 최초로 염색체 수준으로 분석한 유전체

이번 유전체 분석으로 식물이 세포 내 이산화탄소를 더 효율적으로 모으고 저장해 에너지로 바꾸는 분자적 원리가 밝혀졌다. 특히 연구진은 잎 발달 단계별 전사체*를 분석해 베타-탄산무수화효소(BsCAβ2)의 기능을 구명하고 이 효소를 이용한 광합성 효율 향상 기술도 개발해 특허**를 출원했다.

* 전사체: 세포내 발현하는 모든 RNA의 총합으로 유전자의 기능을 네트워크로 이해하는 기본자료

**국내 특허(광합성 효율이 증진된 형질전환 식물체 및 이의 제조 방법, 10-2023-0185049), PCT 특허(광합성 효율이 증진된 형질전환 식물체 및 이의 제조 방법, PCT/KR2024/015861)

이와 함께 염분 환경에서 생육을 유지하는 소듐(나트륨) 수송체 유전자(BsHKT1;2)의 기능도 밝혔다. HKT유전자는 칼륨 수송체로서 세포 내 과잉된 소금을 배출하는 기능을 하며, BsHKT1;2유전자는 200mM 고농도의 소금에서 3주간 키워도 건전하게 생육했다.

연구 결과는 네이처 포트폴리오(Nature Portfolio) 계열 국제 학술지(Scientific Data (IF 5.8)) 온라인판에 논문으로 게재됐다. 또한, 분석한 원시데이터와 유전체 조립 데이터*는 미국 국립생물정보센터(NCBI) 국제 데이터베이스에 등록해 전 세계 연구자들이 자유롭게 쓸 수 있도록 했다.

* 원시데이터(raw data ID: SRP587417), 유전체 조립 데이터(GCA_044505025.1, NAAS_Bs_1.0)

농촌진흥청 디지털육종지원과 권수진 과장은 "이번 연구로 기후에 적응하고 염분 환경에서도 생육할 수 있는 작물 개발의 핵심 기반 기술을 확보했다."라며, "확보한 유용 유전자들을 활용해 벼, 콩 등 기후 적응형 작물 육종 기술개발을 추진할 수 있을 것이다."라고 말했다.