1840년대 아일랜드 감자 기근은 식물 질병이 식량 안보에 미칠 수 있는 파괴적인 영향을 극명하게 상기시켜줍니다. 아일랜드 감자 작물을 황폐화시킨 역병은 병원균에 의해 발생했습니다. 역병 병균, 광범위한 기근과 인구 감소로 이어졌습니다. 그러나 감자와 이 병원균 사이의 싸움은 19세기에 끝나지 않았습니다. 사실, 식물 육종가와 과학자들이 진화하는 병원균을 앞지르기 위해 경쟁하면서 오늘날에도 싸움은 계속되고 있습니다.
노스캐롤라이나 주립 대학의 최근 연구는 이 진화적 군비 경쟁에 대한 새로운 빛을 비췄습니다. 자연 통신, 이 연구는 감자 식물의 저항성 유전자와 병원균의 효과 유전자(병원균이 숙주를 감염시키는 데 도움이 되는 유전자)를 동시에 분석한 최초의 연구입니다. 연구자들은 역사적인 감자 잎의 DNA를 조사하여 지난 세기 동안 식물과 병원균의 공진화를 추적할 수 있었습니다.
획기적인 접근 방식
전 대학원생인 앨리슨 쿰버와 장 리스타이노 교수가 이끄는 연구팀은 표적 농축 시퀀싱이라는 최첨단 기술을 사용했습니다. 이 방법을 통해 그들은 동일한 잎 샘플에 존재하는 식물과 병원균 모두에서 특정 DNA 조각을 추출하여 분석할 수 있었습니다. 전통적인 연구에서 연구자들은 식물이나 병원균 중 하나에 초점을 맞추었지만, 이 이중 접근 방식은 그들의 상호 작용에 대한 보다 포괄적인 관점을 제공했습니다.
노스캐롤라이나 주립 대학 식물병리학 윌리엄 닐 레이놀즈 명예교수인 진 리스타이노 박사는 이 방법의 참신함을 강조했다.
"15년 전에는 유전체가 시퀀싱되지 않았기 때문에 이 작업을 할 수 없었습니다. 이중 농축 전략 덕분에 우리는 숙주와 병원체 유전체의 표적 영역을 서로 다른 양으로 포착할 수 있었습니다."
연구는 다음에 중점을 두었습니다. FAM-1 의 변형 역병 병균아일랜드 감자 기근의 원인이 되었고 그 이후로 전 세계적으로 감자 작물에 계속 피해를 주고 있습니다. 이 연구는 이 균주가 감자 식물의 R1 식물 육종가들이 이를 배치하기 훨씬 전에 저항성 유전자를 개발했습니다. 이는 병원균이 이미 야생 감자 개체군에서 유사한 저항성 유전자에 노출되어 인간의 개입을 극복하는 데 유리한 입장에 있었음을 시사합니다.
병원체의 적응
이 연구에서 가장 눈에 띄는 발견 중 하나는 병원균이 저항 노력에 대응하여 진화할 수 있는 놀라운 능력이었습니다. 식물 육종가들이 새로운 저항 유전자를 도입했을 때에도 병원균은 한 발 앞서 나가며 감염력을 유지하기 위해 효과 유전자를 변경했습니다. 이 연구에서는 또한 병원균이 1845년과 1954년 사이에 염색체 세트를 추가했으며, 이는 진화적 성공에 기여했을 가능성이 있음을 발견했습니다.
그러나 병원균의 모든 효과 유전자가 변화한 것은 아닙니다. 일부는 지난 세기 동안 놀라울 정도로 안정적으로 유지되어 생존에 중요한 역할을 한다는 것을 시사합니다. 이러한 안정적인 유전자를 표적으로 삼는 것은 미래 식물 육종 노력을 위한 잠재적인 전략이 될 수 있습니다.
Coomber는 이러한 안정적인 유전자의 중요성을 다음과 같이 설명했습니다.
"인간이 개입한 지 100년이 지났지만 병원체에서 크게 변하지 않은 유전자가 있습니다. 그들은 매우 안정적입니다. 아마도 병원체에 매우 중요하기 때문입니다. 이러한 유전자를 표적으로 삼으면 병원체가 반대 반응을 진화시키는 것이 매우 어려울 것입니다."
미래 육종에 대한 의미
연구 결과는 미래의 감자 육종 프로그램에 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다. 육종가는 병원균이 시간이 지남에 따라 어떻게 진화했는지 이해함으로써 더 효과적인 저항 전략을 개발할 수 있습니다. 예를 들어, 더 안정적이라고 입증된 저항 유전자를 사용하거나 다양한 야생 감자 종의 여러 저항 유전자를 결합할 수 있습니다. 이 전략은 피라미딩이라고 합니다.
리스타이노 박사는 다음과 같이 언급했습니다.
"병원균에 대해 충분히 알지 못하면 효과적인 식물 육종을 하기 어렵습니다. 이제 우리는 시간이 지남에 따라 어떤 효과기가 변했는지 알고 있으므로, 육종가는 더 안정적인 저항 유전자를 사용하거나 다른 야생 숙주의 여러 저항 유전자를 피라미드 형태로 사용할 수 있습니다."
이 연구는 현재 진행 중인 전투에서 중요한 진전을 나타냅니다. 역병 병균 식물과 병원체 유전학을 모두 이해하는 것의 중요성을 강조합니다. 이 연구는 Triangle Center for Evolutionary Medicine과 National Science Foundation의 지원을 포함한 여러 보조금으로 자금이 지원되었습니다.
노스캐롤라이나 주립 대학의 연구는 식물-병원균 상호작용의 복잡성과 육종가가 내구성 있는 저항성을 개발하는 데 직면한 과제를 강조합니다. 감자 식물과 역병 병균 이 연구는 미래에 더 탄력적인 작물로 이어질 수 있는 중요한 통찰력을 제공합니다. 안정적인 효과 유전자를 표적으로 삼고 유전자 피라미딩과 같은 전략을 사용하면 농업의 가장 지속적인 위협 중 하나에 대처할 수 있는 새로운 방법을 제공할 수 있습니다.
