강양제 경상국립대 교수팀·윤환수 성균관대 교수 팀, 분개구리밥 표준유전체 완성
강양제 경상국립대 교수팀·윤환수 성균관대 교수 팀, 분개구리밥 표준유전체 완성
분개구리밥·좀개구리밥·잘피 등 수생식물 진화 청사진 마련
“뿌리가 없는 단순구조 분개구리밥…식물기반 바이오메스 대량생산 플랫폼 가능성”
네이처 자매지 ‘커뮤니케이션스 바이올로지’ 발표
  • 최하늘 기자
  • 승인 2021.07.30 15:34
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강양제 경상국립대학교 교수.
강양제 경상국립대학교 교수.

경상국립대학교(총장 권순기. 이하 경상국립대) 자연과학대학 생명과학부 강양제 교수 연구팀은 성균관대학교(이하 성균관대) 윤환수 교수 연구팀과 함께 분개구리밥 표준 유전체를 완성하고, 이를 통해 분개구리밥의 유전정보 활용 기반을 구축했다.

분개구리밥은 태국에서는 식품으로 활용되고 있으며 20-40%에 달하는 단백질 함량으로 ‘물에서 나오는 달걀(Water Egg)’이라는 별칭이 있을 정도의 주요 단백질원이다. 분개구리밥은 뿌리가 없고 수직 생장을 하지 않는 형태적 특징을 가지며, 출아법을 통해 자신을 끝없이 복제하기 때문에 수직 농업 및 대형 수조 기반의 식물 바이오메스 대량 생산에 적합하다.

연구팀은 “세상에서 가장 작은 꽃이 피는 식물인 분개구리밥의 유전정보를 모두 알게 됐다”라며 “이 정보를 이용해 수생식물 특이적인 단백질 서열을 활용할 수 있고 나아가 유전체 정보를 기반으로 분개구리밥의 대사생리를 파악하고 활용할 수 있게 됐다”라고 밝혔다.

연구팀은 차세대 유전체 해독 장치를 활용해 분개구리밥의 모든 염기서열을 관찰하고 조립해 분개구리밥의 염색체에 해당하는 430Mb 크기의 염기서열 세트를 완성했다. 그리고 여기에 존재하는 모든 유전자와 단백질을 확인하고 데이터베이스화 했다.

또한 분개구리밥의 대표적인 생리 상태인 ‘뜬 상태’, ‘가라앉은 상태’에서 발현하는 유전자들을 관찰해 가라앉은 상태에서 생존을 유지할 수 있는 이유를 밝혀냈으며, 분개구리밥이 뿌리가 없는 이유를 ‘유전자의 소멸’이라는 측면에서 설명했다.

나아가 대표적인 수생식물인 ▲연꽃 ▲잘피 ▲좀개구리밥 ▲분개구리밥 간의 진화를 유전자 수준에서 확인했다. 특히 종 내에서 비슷한 유전자의 다량 복제 현상(Copy Number Variation)에 의한 환경 적응 기작에 대해서도 파악할 수 있었다.

이 연구결과는 네이처의 자매지인 ‘커뮤니케이션스 바이올로지Communications biology)≫ (IF: 6.268, JCR in BIOLOGY: 8.06%)’ 지난 22일자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Genome of the world’s smallest flowering plant, Wolffia australiana, helps explain its specialized physiology and unique morphology’이다.

이 연구는 BK21 FOUR 경남바이오 의료빅데이터신산업 혁신인재 육성사업, 농촌진흥청의 포스트게놈 다부처 유전체 사업, 시스템합성 농생명공학 사업, 한국연구재단의 지원을 받아 수행했다.

분개구리밥(W. australiana)의 표현형은 꽃 피는 식물 중에서 매우 독특하다. 꽃이 피는 것으로 알려져 있지만 잘 피지 않고, 주로 출아법(出芽法; 세포의 일부분이 떨어져 나가 하나의 세포가 되는 번식 방법)을 통해 영양번식을 한다. 유전자에 의한 분류에 따르면 분개구리밥은 천남성과에 속하지만 이 종이 어떻게 잎과 뿌리 시스템을 잃어버렸는지에 대해서는 아직 밝혀지지 않았다.

이번 연구에서 분개구리밥의 고품질 게놈 어셈블리를 완성해 게놈에 존재하는 모든 유전자를 밝혔고, 기계학습, 유전자의 위치·기능 예측 등을 통해 개구리밥이 광범위한 유전자 손실 및 특정 유전자 확장을 통해 급격한 게놈 진화를 했다는 것을 확인하였다.

특히 식물-병원체 상호작용 및 호르몬 신호 전달 경로는 진화적으로 가까운 식물과 비교할 때 그 진화적 거리에 비해 매우 큰 변화를 겪은 것으로 확인되었고, 이는 분개구리밥과 같은 수생식물이 미생물이 많은 물과 밀접하게 접촉해 일생을 보내기 때문에 병원체에 대한 민감도를 줄이기 위한 전략일 것으로 추정하였다.

이러한 추정을 뒷받침하듯 병원체 저항성 유전자라고 알려진 NBS-LRR 유전자 패밀리는 극도로 감소되어 있는 것을 확인했다. 그러나 이러한 관찰이 꼭 분개구리밥의 스트레스 저항성이 낮아진다는 것을 의미하기보다는 병원체에 대처하기 위한 분개구리밥만의 생존 전략을 나타낼 수 있다고 추정했다.

나아가 분개구리밥의 길이 성장, 뿌리 성장 억제의 근거를 유전체 정보를 통해서 확인했는데, 식물호르몬인 옥신과 지베렐린의 생합성 및 신호전달 경로의 주요 부분이 사라진 것을 확인할 수 있었다. 전사체 분석을 통해 분개구리밥이 겨울 동안 연못 바닥에서 어떻게 생존하는지도 설명할 수 있었는데, 저산소증 관련 유전자, ‘세포막 수송’ 관련 유전자, 산소 결핍 상태에서 단백질을 안정화하는 데 도움이 될 수 있는 분자 샤페론으로 추정되는 HYOU1 등이 역할을 하는 것으로 추정했다.

또한 물속에 가라앉았을 경우 당 축적 대사 경로가 활성화되어 D-글루코오스, 자당 및 전분을 축적할 수 있을 것으로 판단했으며 이는 이미 알려진 전분 입자의 축적이 동반되는 튜리온(turion; 겨울눈의 일종인 잠아) 형성 생리와 일치한다.

강양제 경상국립대 교수는 “이러한 식이적 가치, 과학적 가치를 탐구하기 위해 이번 연구에서 얻은 게놈 및 유전자 목록은 매우 유용할 것으로 생각한다”라고 말했다.