벼 노화 속도 조절하여 수확량 늘린다- IBS 식물 노화·수명 연구단-농촌진흥청 공동연구

벼 노화 속도 조절하여 수확량 늘린다- IBS 식물 노화·수명 연구단-농촌진흥청 공동연구

 

보도일2020-06-04 18:00 연구단명식물 노화·수명 연구단

 

 

벼 노화 속도 조절하여 수확량 늘린다
-IBS 식물 노화·수명 연구단-농촌진흥청 공동연구-
-벼 노화속도 결정짓는 유전자 이용해 단위면적 당 벼 수확량 7% 향상-

 

벼의 노화 속도를 조절하여 수확량을 늘리는 방법이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 식물 노화·수명 연구단 연구팀(이시철 연구위원, 남홍길 DGIST 뉴바이올로지전공 교수)은 농촌진흥청(청장 김경규) 국립식량과학원과 공동 연구로, 벼의 노화를 조절하는 유전자를 밝히고 이를 이용하여 생육 및 광합성 기간을 연장함으로써 벼 수량성 수량성 : 단위면적 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) 아종(亞種, subspecies) : 종의 하위계급으로서 개체간의 차가 독립된 종과 비교하여 크지 않고 변종으로 하기에는 상이점이 많은 생물에 이용되는 소계급. 예를 들어 호랑이 아종에는 시베리아 호랑이, 인도 호랑이, 수마트라 호랑이가 있다.
인 자포니카와 인디카를 비교분석하였다. 한국에서 주로 소비되는 벼 품종인 자포니카는 모양새가 둥글고 굵은 반면, 인디카는 길고 얇으며 자포니카보다 10일 가량 노화가 빠르다.
우선 연구진은 지도기반 유전자 동정방법 지도기반 유전자 동정 방법(map-based cloning) : DNA에 존재하는 염기 서열 변이를 분석하여, 특정 형질과 연관된 유전자 지도를 작성하여 원하는 유전자를 분리하는 방법
으로 유전자 분리를 시도하였다. 그 결과 벼의 엽록소를 분해하는 효소인 ‘Stay-Green(OsSGR) 유전자’ Stay-Green (OsSGR) 유전자 : 엽록소에서 마그네슘 이온을 제거함으로써, 엽록소 분해가 시작 되도록 하는 역할을 하는 유전자로, 변이가 일어나면 엽록소 분해가 저해 되면서 엽색이 녹색으로 유지되는 노화 지연 표현형을 보인다.
가 두 아종 간 노화 속도 차이를 만든다는 것을 밝혔다. OsSGR 유전자가 많이 발현되면 엽록소 분해가 촉진되어 식물의 노화가 빨리 진행되는데, 유전자의 발현은 프로모터 프로모터(promoter): 어떤 유전자가 언제 어디서 어느 정도 발현될 것인가를 결정하는 염기서열
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 광합성 효율이 낮아지기 때문에 수량성이 줄어들게 되는 것이다.
이에 착안하여 연구진은 자포니카벼의 OsSGR 유전자를 인디카벼에 도입한 근동질 계통(Near Isogenic Line) 근동질 계통(Near Isogenic Line) : 목표 유전자만 다르고 전체 유전적 조성은 동일하다고 여겨지는 한 쌍의 계통
을 육성하였다. 새로 개발한 벼 품종은 광합성 양과 기간이 증가하여 등숙률 등숙률 : 곡식이 수확이 가능해질 정도로 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.
[붙임] 1. 그림설명, 2. 연구진 이력사항

그 림 설 명

그림 1. 벼 노화조절 유전자(OsSGR) 동정 및 발현 양상 분석 모식도

자포니카(일반)벼

노화속도
차이

?

인디카벼
잎과 이삭 노화 느림
잎과 이삭 노화 빠름
벼알 등숙률 높음
벼알 등숙률 낮음
* 등숙률=벼알이 충실히 여문 정도

 

 

유전자
동정

 

벼 노화조절 유전자(OsSGR) 위치 동정
인디카와 자포니카 벼의 노화조절 유전자(OsSGR) 차이 구명

* 인디카벼와 자포니카벼는 모두 염색체 9번에 OsSGR 존재 확인
* 프로모터 염기서열 차이로 엽록소 분해효소 발현량 차이 발생

유전체
동정

 

벼 노화조절 유전자(OsSGR) 발현량을 조절하는 프로모터 염기서열 변이 구명

노화가 빠른 유전자원 염기서열
(인디카 벼 포함)

노화가 느린 유전자원 염기서열
(자포니카 벼 포함)

야생벼 염기서열

 

그림 2. 벼 노화조절 유전자 도입으로 수량증진 효과 구명 모식도

자포니카(일반)벼
인디카벼
잎과 이삭 노화 느림
잎과 이삭 노화 빠름
벼알 등숙률 높음
벼알 등숙률 낮음
인공교배

염색체
인디카벼 근동질 계통
(자포니카 유래 OsSGR 유전자 도입)

잎과 이삭 노화 속도 늦춘 근동질 계통(NIL) 선발

등숙률이 높아져서 수확량 증진 확인

그림 3. 인디카 벼와 자포니카벼(일반벼)의 특성 비교

□ 엽록소 함량과 OsSGR유전자 발현량 비교
○ 출수기 이후 4주부터 인디카벼는 잎에서 엽록소 함량이 급감하나 자포니카벼는 엽록소 함량은 천천히 감소함
○ 노화가 빠른 인디카벼는 엽록소 분해 효소인 OsSGR 유전자의 발현이 출수기 이후 3주부터 증가하다가 6주부터 급격히 증가하지만 자포니카벼에서는 OsSGR 유전자의 발현이 낮음

 

인디카벼와 자포니카벼의 엽록소 함량 차이
인디카벼와 자포니카벼의 OsSGR 발현 차이
<인디카벼와 자포니카벼의 엽록소 함량과 OsSGR 유전자 발현 변이>

□ 벼 OsSGR 유전자의 8가지 프로모터 염기서열 특성
○ 벼 OsSGR 유전자 프로모터 염기서열 변이에 따른 8가지로 분류되며, 인디카벼는 Hap1~4 그룹으로 등숙기의 엽록소 함량이 낮으며, 자포니카벼는 Hap5~8 그룹으로 엽록소 함량이 높음
○ 벼 유전자원(105점)의 OsSGR 유전자 염기서열 정보와 계통 진화학적 유연관계 분석을 통하여 인디카벼는 야생벼 O. nivara에서 분류되었으며, 야생벼 O. rufipogon에서 유래하였음을 구명함

 

OsSGR 프로모터 그룹별 엽록소 함량
OsSGR 유전자의 진화학적 계통도

그림 4. 벼 노화조절 유전자 도입에 따른 수량증진 효과 증명

□ 자포니카벼 유래 OsSGR 유전자가 도입된 인디카벼의 특성
○ 자포니카벼 유래 OsSGR 유전자가 도입되어 노화 속도가 느려진 인디카벼 근동질계통(NIL)은 엽록소 분해효소인 OsSGR 유전자의 발현량이 낮음
○ 노화가 느린 인디카벼는 OsSGR의 발현이 감소하여 엽록소 함량이 높으며, 벼알이 완전히 익는 시기까지 광합성량이 높게 유지됨

 

 

OsSGR 유전자 발현 특성
엽록소 함량 변화
총 광합성량 차이
<자포니카 유래 OsSGR 유전자 도입된 인디카벼-NIL계통의 생리적 특성>

○ 자포니카 유래 OsSGR 유전자를 도입하여 노화 속도가 느려진 인디카벼-NIL 3계통은 원 품종보다 벼알이 충실히 여무는 비율인 등숙률이 평균 8.9% 높았으며, 최종적인 벼 수량성은 평균 6.6% 높았음

<인디카벼 원 품종과 OsSGR유전자가 도입된 근동질 계통(NIL) 수량성>

품종(계통)명
노화 표현형
OsSGR 유전형
등숙률
단위면적당 생산성※
등숙률
(%)
증가율
(%)
정조 수량
(kg/10a)
증가율
(%)
IR72
빠름
OsSGR indica
68.8
5.2
808
5.1
IR72-NIL
느림
OsSGR japonica
72.4
850
밀양21호
빠름
OsSGR indica
69.6
9.6
723
9.9
밀양21-NIL
느림
OsSGR japonica
76.3
794
밀양23호
빠름
OsSGR indica
68.8
11.9
855
4.8
밀양23호-NIL
느림
OsSGR japonica
77.0
896
(평균)
-
-
-
8.9
-
6.6

※단위면적당 생산성 : 시험포장 식물체 100개체의 수량

연구진 이력사항

<이시철 IBS 식물 노화·수명 연구단 연구위원, 공동 제1 저자 및 공동 교신저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : IBS 식물·노화 수명 연구단

 

2. 경력사항
○ 2004 ~ 2010 POSTECH 생명과학과 박사후 연구원
○ 2010 ~ 2013 Dartmouth College 박사후 연구원
○ 2013 ~ 현재 IBS 식물·노화 수명연구단 연구위원