벼의 노화 속도를 조절하여 수확량을 늘리는 방법이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 식물 노화·수명 연구단은 농촌진흥청(청장 김경규) 국립식량과학원과 공동 연구로, 벼의 노화를 조절하는 유전자를 밝히고 이를 이용하여 생육 및 광합성 기간을 연장함으로써 벼 수량성(단위 면적 당 수확량)을 7% 향상하는 데 성공했다. 작물 종의 노화 차이를 이용해 생산성이 높은 품종 개발이 가능해질 것으로 기대된다.

식량문제가 세계적 과제로 대두되면서 작물의 수확량을 증진시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 작물의 노화 속도를 늦추어 수량성을 높일 수 있다는 ‘노화지연(Stay Green)’이론이 식량문제의 유력한 해결책으로 꼽힌다. 노화가 천천히 진행되면 광합성 기간과 양이 늘어나 수확량이 많아지기 때문이다. 이전에도 벼의 노화 속도를 늦추는 데 성공한 연구는 있었지만, 벼가 제때 익지 않아 수량성을 증가시키지는 못했다. 이번 연구는 노화를 늦춘 인디카 종의 수량성을 7% 증가시켜 노화지연 이론을 세계최초로 증명하였다.

연구진은 벼의 노화 속도를 결정하는 유전적 요소를 규명하기 위해 벼의 대표적 아종(亞種)인 자포니카와 인디카를 비교분석하였다. 한국에서 주로 소비되는 벼 품종인 자포니카는 모양새가 둥글고 굵은 반면, 인디카는 길고 얇으며 자포니카보다 10일 가량 노화가 빠르다.

▲ 세계 쌀 생산량의 90%를 차지하는 인디카 쌀(우)은 한국과 일본에서 주로 소비되는 자포니카 쌀(좌)보다 모양새가 길쭉하고 찰기가 없다.

우선 연구진은 지도기반 유전자 동정방법(map-based cloning)으로 유전자 분리를 시도하였다. 그 결과 벼의 엽록소를 분해하는 효소인 ‘Stay-Green(OsSGR) 유전자’가 두 아종 간 노화 속도 차이를 만든다는 것을 발견했다. OsSGR 유전자가 많이 발현되면 엽록소 분해가 촉진되어 식물의 노화가 빨리 진행되는데, 유전자의 발현은 ‘프로모터’라는 염기서열에 의해 조절된다. 연구진은 OsSGR 유전자의 프로모터에는 8가지 형태가 있고 이에 따라 유전자 발현량이 결정됨을 밝혔다. 인디카 아종에서 보이는 프로모터 형태는 OsSGR 유전자를 더 빠르고 많이 발현시켜 노화를 촉진한다. 요컨대 노화가 빨리 진행되면 광합성 기간이 짧아지고 벼가 햇빛을 받는 총 양이 줄어들기 때문에 수량성이 낮아지게 되는 것이다.

▲ 노화가 빠른 인디카벼는 엽록소 분해 효소인 Stay-Green(OsSGR) 유전자의 발현이 출수기 이후 3주부터 증가하다가 6주부터 급격히 증가하지만 자포니카벼에서는 OsSGR 유전자의 발현이 낮다. OsSGR 유전자가 인디카 벼와 자포니카 벼의 노화 속도 차이를 만든다는 의미다.

이에 착안하여 연구진은 노화가 느린 자포니카벼의 OsSGR 유전자를 인디카벼에 도입한 근동질 계통(Near Isogenic Line)을 육성하였다. 새로 개발한 벼 품종은 광합성 양과 기간이 증가하여 등숙률(곡식이 알차게 여무는 비율)이 9%, 벼 생산성이 7% 향상되었다. 노화 지연 이론을 실험으로 증명한 것이다.

이시철 연구위원은 “벼 노화 연구로 벼의 수명을 조절하여 단위면적 당 생산량을 증진하는 데 성공했다”며, “노화조절 유전자를 이용하여 벼 뿐 아니라 다양한 작물 육종 개발이 가능해지고, 이는 식량문제 해결의 돌파구가 될 것으로 기대한다.”고 전했다.

이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878) 6월 4일 18시(한국시간)온라인 판에 게재되었다.

IBS 커뮤니케이션팀
박유진