작물 유전학: 세계 식량 안보를 위한 내병성 개발

식물병은 세계 식량 안보에 심각한 위협입니다. 곰팡이, 박테리아, 바이러스, 선충과 같은 병원균은 작물을 황폐화시켜 전 세계 농부들에게 상당한 수확량 손실과 경제적 어려움을 초래할 수 있습니다. 따라서 내병성 작물 품종을 개발하는 것은 안정적이고 지속 가능한 식량 공급을 보장하기 위한 핵심 전략입니다. 작물 유전학은 이러한 노력에서 중심적인 역할을 하며, 식물-병원균 상호작용을 이해하고 조작하는 데 필요한 도구와 지식을 제공합니다.

작물의 내병성 중요성

식물병이 세계 농업에 미치는 영향은 지대합니다. 다음을 고려해 보십시오:

• 수확량 손실: 식물병은 일부 지역, 특히 개발도상국에서 작물 수확량을 최대 40%까지 감소시킬 수 있습니다.
• 경제적 영향: 작물 손실은 연간 수십억 달러의 경제적 손실로 이어져 농부, 소비자 및 세계 경제에 영향을 미칩니다.
• 식량 안보: 질병 발생은 특히 취약 계층에서 식량 부족, 영양실조, 심지어 기근으로 이어질 수 있습니다. 19세기 중반 난균류인 *Phytophthora infestans*에 의해 발생한 아일랜드 대기근은 식물병의 파괴적인 결과를 보여주는 생생한 예로 남아 있습니다.
• 환경적 영향: 식물병을 방제하기 위한 화학 농약 사용은 토양 및 수질 오염, 유익한 곤충에 대한 피해, 농약 내성 병원균의 출현 등 환경에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다.

내병성 작물 품종을 개발하는 것은 전적으로 화학적 방제에 의존하는 것에 대한 지속 가능하고 환경친화적인 대안을 제공합니다. 작물에 유전적 저항성을 통합함으로써 우리는 농약의 필요성을 줄이고, 수확량 손실을 최소화하며, 식량 안보를 강화할 수 있습니다.

식물 내병성의 유전적 기반

식물은 병원균을 인식하고 방어할 수 있는 정교한 면역 체계를 가지고 있습니다. 이 면역력은 유전적으로 결정되며 유전자와 신호 전달 경로의 복잡한 상호작용을 포함합니다. 저항성에는 두 가지 주요 유형이 있습니다:

1. 질적 저항성(R-유전자 저항성)

R-유전자 저항성으로도 알려진 질적 저항성은 특정 병원균 효과인자(비병원성 인자)를 인식하는 단일 우성 유전자(R 유전자)에 의해 부여됩니다. 이 상호작용은 감염 부위에서 프로그램된 세포 사멸(과민 반응, HR)을 포함하는 빠르고 강력한 방어 반응을 유발합니다. R-유전자 저항성은 일반적으로 매우 효과적이지만, 새로운 효과인자 변이를 진화시키는 병원균에 의해 극복될 수 있습니다. 예를 들어, 많은 밀 품종이 밀 녹병균 *Puccinia graminis f. sp. tritici*의 특정 균주에 대한 저항성을 부여하는 R 유전자로 개발되었습니다. 그러나 Ug99와 같은 새로운 병원성 균주의 출현은 단일 R 유전자에만 의존하는 것의 한계를 부각시켰습니다.

2. 양적 저항성(부분 저항성)

부분 저항성 또는 포장 저항성으로도 알려진 양적 저항성은 더 낮은 수준의 저항성에 부가적으로 기여하는 여러 유전자(QTLs – 양적 형질 유전자좌)에 의해 통제됩니다. R-유전자 저항성과 달리 양적 저항성은 일반적으로 더 넓은 범위의 병원균에 효과적이며 더 영속적이어서 병원균 진화에 의해 극복될 가능성이 적습니다. 그러나 양적 저항성은 복잡한 유전적 구조 때문에 작물에 식별하고 통합하기가 더 어려운 경우가 많습니다. 여러 QTL에 의해 통제되는 벼 도열병에 대한 영속 저항성이 그 예이며, 이는 광범위하고 오래 지속되는 보호를 제공합니다.

내병성 작물 개발 전략

내병성 작물 품종을 개발하기 위해 여러 전략이 사용되며, 각각 장점과 한계가 있습니다:

1. 전통적 식물 육종

전통적 식물 육종은 내병성을 포함하여 바람직한 특성을 가진 식물을 선발하고 교배하는 것을 포함합니다. 이 과정은 시간과 노력이 많이 소요될 수 있지만, 많은 내병성 작물 품종을 개발하는 데 매우 성공적이었습니다. 이 과정은 일반적으로 다음을 포함합니다:

• 저항성 자원 식별: 기존 유전자원(식물 유전 자원 모음)을 선별하여 특정 질병에 대한 저항성이 있는 식물을 식별합니다. 작물의 야생 근연종은 종종 귀중한 저항성 유전자의 원천입니다.
• 저항성 식물과 우수 품종 교배: 저항성 식물을 수확량이 높거나 다른 바람직한 특성을 가진 품종과 교배하여 저항성과 다른 중요한 특성을 결합합니다.
• 저항성 선발: 목표 질병에 대한 저항성을 평가하고 추가 육종을 위해 가장 저항성이 강한 식물을 선발합니다.
• 여교배: 저항성이 있는 자손을 우수 품종과 반복적으로 교배하여 저항성을 유지하면서 우수 품종의 바람직한 특성을 회복합니다.

예를 들어, *Phytophthora infestans*에 대한 자연적인 저항성을 보이는 야생 감자 종의 유전자를 활용하여 전통적인 육종을 통해 역병 저항성 감자 품종을 개발한 것이 있습니다.

2. 분자표지 이용 선발(MAS)

분자표지 이용 선발(MAS)은 내병성을 조절하는 유전자에 연관된 DNA 마커를 사용하여 육종 중 저항성 식물을 선발합니다. 이는 특히 직접 평가하기 어렵거나 비용이 많이 드는 형질에 대해 육종 과정을 가속화하고 선발 효율을 향상시킬 수 있습니다. 절차는 다음과 같습니다:

• 저항성 유전자에 연관된 DNA 마커 식별: 목표 저항성 유전자 또는 QTL과 밀접하게 연관된 DNA 마커(예: SNP, SSR)를 식별합니다.
• 식물 유전형 분석: 개별 식물의 DNA를 분석하여 어떤 마커의 대립유전자(변이)를 가지고 있는지 결정합니다.
• 유리한 마커 대립유전자를 가진 식물 선발: 추가 육종을 위해 저항성과 관련된 마커 대립유전자를 가진 식물을 선발합니다.

MAS는 벼 육종에서 흰잎마름병과 도열병에 대한 저항성 유전자를 도입하는 데 성공적으로 사용되어 저항성 품종 개발을 크게 가속화했습니다. 예를 들어, 벼의 흰잎마름병 저항성 유전자인 Xa21은 연관된 DNA 마커를 사용하여 효율적으로 선발할 수 있습니다.

3. 유전 공학(형질전환 접근법)

유전 공학은 내병성을 부여하는 유전자를 포함하여 한 유기체에서 다른 유기체로 유전자를 직접 전달하는 것을 포함합니다. 이 접근법은 관련 없는 종에서 저항성 유전자를 도입하거나 기존 식물 유전자를 변형하여 저항성을 강화하는 데 사용될 수 있습니다. 단계는 다음과 같습니다:

• 저항성 유전자 식별 및 분리: 다른 식물, 박테리아 또는 심지어 동물에서 저항성을 부여하는 유전자를 식별하고 분리합니다.
• 작물 식물에 유전자 도입: 벡터(예: *아그로박테리움*) 또는 유전자총을 사용하여 작물 식물에 유전자를 도입합니다.
• 형질전환 식물 선발 및 검증: 유전자를 성공적으로 게놈에 통합한 식물을 선발하고 유전자가 기능적이며 저항성을 부여하는지 확인합니다.

특정 해충에 대한 저항성을 부여하는 박테리아 *Bacillus thuringiensis*의 유전자를 발현하는 Bt 목화는 유전 공학 작물의 대표적인 예입니다. 마찬가지로 파파야 링스팟 바이러스(PRSV)에 저항성이 있는 유전자 변형 파파야는 하와이 파파야 산업을 구했습니다.

4. 유전자 편집(CRISPR-Cas9)

CRISPR-Cas9와 같은 유전자 편집 기술은 식물 유전자의 정확하고 표적화된 변형을 가능하게 합니다. 이는 식물을 질병에 취약하게 만드는 유전자를 제거하거나, 저항성 유전자를 도입하거나, 기존 저항성 메커니즘을 강화하는 데 사용될 수 있습니다. 방법은 다음과 같습니다:

• 가이드 RNA 설계: Cas9 효소를 식물 게놈의 특정 위치로 표적하는 가이드 RNA를 설계합니다.
• 식물에 CRISPR-Cas9 시스템 도입: 벡터 또는 다른 전달 방법을 사용하여 식물에 CRISPR-Cas9 시스템을 도입합니다.
• 편집된 식물 선발 및 검증: 원하는 유전자 편집이 일어난 식물을 선발하고 편집이 저항성을 부여하는지 확인합니다.

CRISPR-Cas9는 병원균이 영양분을 얻기 위해 사용하는 *OsSWEET14* 유전자를 편집하여 흰잎마름병에 저항성이 있는 벼 품종을 개발하는 데 사용되었습니다. 마찬가지로 밀의 흰가루병에 대한 저항성을 강화하는 데 사용되었습니다.

영속적인 내병성 개발의 과제

내병성 작물 개발에 상당한 진전이 있었지만 몇 가지 과제가 남아 있습니다:

• 병원균의 진화: 병원균은 특히 단일 주동 유전자인 저항성 유전자를 극복하기 위해 빠르게 진화할 수 있습니다. 이것은 육종가와 병원균 사이의 끊임없는 군비 경쟁입니다.
• 저항성의 복잡성: 양적 저항성은 종종 여러 유전자에 의해 조절되므로 작물에 식별하고 통합하기가 어렵습니다.
• 다른 형질과의 상충 관계: 내병성을 통합하는 것은 때때로 수확량이나 품질과 같은 다른 바람직한 형질을 희생시킬 수 있습니다.
• 규제 장벽 및 대중 인식: 유전 공학 작물은 일부 지역에서 규제 장벽과 대중의 우려에 직면하여 채택이 제한됩니다.
• 기후 변화: 기후 변화는 식물 병원균의 분포와 병독성을 변화시켜 질병 관리에 새로운 도전을 제기하고 있습니다.

과제 극복 및 영속 저항성 달성을 위한 전략

이러한 과제를 극복하고 영속적인 내병성을 개발하기 위해 연구자와 육종가들은 다양한 전략을 사용하고 있습니다:

1. 유전자 집적

유전자 집적은 여러 저항성 유전자를 단일 품종에 결합하는 것을 포함합니다. 이것은 병원균이 여러 유전자를 동시에 극복해야 하므로 저항성을 극복하기 더 어렵게 만듭니다. 유전자 집적은 전통적인 육종, 분자표지 이용 선발 또는 유전 공학을 통해 달성할 수 있습니다.

2. 저항성 유전자 다양화

다양한 품종과 지역에 걸쳐 다양한 저항성 유전자를 배치하면 병원균에 대한 선택 압력을 줄이고 병독성 진화를 늦출 수 있습니다. 이는 작물 윤작, 품종 혼합 및 지역적 배치 전략을 통해 달성할 수 있습니다.

3. 병원균 생물학 이해

감염 메커니즘, 독성 인자 및 진화 전략을 포함한 병원균 생물학에 대한 더 깊은 이해는 효과적이고 영속적인 저항성 전략을 개발하는 데 중요합니다. 이 지식은 새로운 저항성 유전자를 식별하고 새로운 방제 전략을 설계하는 데 사용될 수 있습니다.

4. 저항성과 다른 방제 조치의 통합

유전적 저항성을 경종적 방법, 생물학적 방제, 농약의 현명한 사용과 같은 다른 방제 조치와 통합하면 질병 관리에 더 강력하고 지속 가능한 접근법을 제공할 수 있습니다. 이 종합적 병해충 관리(IPM) 접근법은 단일 방제 조치에 대한 의존도를 줄이고 저항성 발달의 위험을 최소화할 수 있습니다.

5. 신기술 활용

게놈 시퀀싱, 전사체학, 단백질체학 및 대사체학과 같은 신흥 기술은 식물-병원균 상호작용에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 저항성 유전자 발견을 가속화하고 있습니다. 이러한 기술은 또한 병원균 개체군을 모니터링하고 새로운 독성 균주의 출현을 예측하는 데 사용될 수 있습니다.

성공적인 내병성 개발의 글로벌 사례

몇 가지 성공적인 사례는 내병성 작물을 개발하는 데 있어 작물 유전학의 힘을 보여줍니다:

• 아시아의 벼 도열병 저항성: 광범위한 연구와 육종 노력으로 아시아의 쌀 생산에 주요 위협인 도열병에 대한 영속 저항성을 가진 벼 품종이 개발되었습니다.
• 호주의 밀 녹병 저항성: 호주 밀 육종가들은 줄기녹병, 잎녹병, 줄무늬녹병에 대한 저항성을 가진 밀 품종을 개발하는 데 매우 성공하여 이 지역의 안정적인 밀 생산을 보장했습니다.
• 아프리카의 카사바 모자이크병 저항성: 육종 프로그램은 아프리카에서 수백만 명의 주식인 카사바 생산에 심각한 영향을 미치는 바이러스성 질병인 카사바 모자이크병(CMD)에 대한 저항성을 가진 카사바 품종을 개발했습니다.
• 유럽의 포도나무 필록세라 저항성: 유럽 포도나무를 뿌리를 먹는 진딧물 필록세라에 저항성이 있는 미국 포도 종의 대목에 접목하여 19세기 후반 유럽 와인 산업을 구했습니다.
• 바나나 파나마병(TR4) 저항성: 전 세계 바나나 생산을 위협하는 토양 매개 곰팡이 질병인 파나마병의 열대성 균주 4(TR4)에 저항성이 있는 바나나 품종을 개발하기 위한 연구가 진행 중입니다. 노력에는 전통적인 육종, 유전 공학 및 유전자 편집이 포함됩니다.

작물 내병성의 미래

작물 내병성의 미래는 전통적인 육종, 현대 생명 공학, 그리고 식물-병원균 상호작용에 대한 깊은 이해를 결합한 다각적인 접근 방식에 있습니다. 주요 초점 분야는 다음과 같습니다:

• 유전체학의 힘 활용: 유전체학을 사용하여 새로운 저항성 유전자를 식별 및 특성화하고 영속 저항성의 유전적 기반을 이해합니다.
• 혁신적인 육종 전략 개발: 유전체 선발 및 육종 기간 단축과 같은 고급 육종 기술을 사용하여 내병성 품종 개발을 가속화합니다.
• 유전자 편집 기술 활용: 유전자 편집 기술을 활용하여 식물 유전자를 정밀하게 수정하고 더 넓은 범위의 병원균에 대한 저항성을 강화합니다.
• 지속 가능한 농업 관행 촉진: 질병 발생 위험을 줄이고 장기적인 식량 안보를 증진하기 위해 내병성을 윤작, 간작, 보존 경운과 같은 지속 가능한 농업 관행과 통합합니다.
• 국제 협력 강화: 연구자, 육종가, 정책 입안자 간의 국제 협력을 촉진하여 지식, 자원 및 유전자원을 공유하고 식물병의 세계적인 과제에 대처합니다.

결론

내병성 작물 품종을 개발하는 것은 세계 식량 안보를 보장하고 식물 병원균의 영향을 완화하는 데 필수적입니다. 작물 유전학은 이 노력에서 중요한 역할을 하며, 식물-병원균 상호작용을 이해하고 조작하는 도구와 지식을 제공합니다. 전통적인 육종에서 유전자 편집에 이르기까지 다양한 전략을 사용하고 국제 협력을 촉진함으로써 우리는 영속적인 내병성을 개발하고 미래 세대를 위해 식량 공급을 보호할 수 있습니다.

작물 유전학 연구 및 개발에 대한 투자는 더 탄력적이고 지속 가능한 글로벌 식량 시스템을 구축하기 위한 중요한 단계입니다. 농부들에게 내병성 작물 품종을 제공함으로써 우리는 수확량 손실을 줄이고, 농약 사용을 최소화하며, 모두를 위한 안정적이고 영양가 있는 식량 공급을 보장할 수 있습니다.