크레딧: 텔아비브 대학교

Tel Aviv University의 새로운 발견은 수확량을 저하시키지 않으면서 물 사용 효율성이 더 높은 토마토 품종을 재배하고 특성화하는 데 성공했다. 연구진은 CRISPR 유전자 편집 기술을 사용해 수확량, 품질, 맛을 보존하면서 물을 덜 소비하는 토마토를 재배할 수 있었다.

이 연구는 Shaul Yalovsky 교수와 Nir Sade 박사의 실험실에서 수행되었으며 Tel Aviv University의 Wise Faculty of Life Sciences의 식물 과학 및 식량 안보 학부 연구팀이 주도했다.

팀에는 Yalovsky 교수가 지도하는 전 박사후 연구원인 Mallikarjuna Rao Puli 박사와 Yalovsky 교수와 Sade 박사가 공동 지도하는 박사과정학생인 Purity Muchoki가 포함. TAU의 식물 과학 및 식량 안보 대학의 추가 학생 및 박사후 연구원, 벤 구리온 대학교 및 오레곤 대학교의 연구원들도 연구에 기여했다.

이번 연구 결과는 PNAS저널에 게재됐다.

연구진은 지구 온난화와 담수 자원의 감소로 인해 수확량에 영향을 주지 않고 물을 덜 소비하는 농작물에 대한 수요가 늘어나고 있다고 설명한다. 동시에 농작물은 물에 의존하여 성장하고 발전하기 때문에 적합한 식물 품종을 식별하는 것이 특히 어렵다.

증산이라는 과정에서 식물은 잎에서 물을 증발시킨다. 동시에 이산화탄소는 잎에 들어가고 잎에서도 일어나는 광합성에 의해 당으로 동화된다. 증산과 이산화탄소 흡수라는 이 두 가지 과정은 기공 이라고 불리는 잎 표면의 특별한 구멍을 통해 동시에 발생한다 . 기공은 열리고 닫힐 수 있으며 식물이 수분 상태를 조절하는 메커니즘 역할을 한다.

연구자들은 가뭄 조건에서 식물이 기공을 닫음으로써 반응하여 증산에 의한 수분 손실을 줄인다는 점을 강조한다.

문제는 물의 증산과 이산화탄소 흡수 사이의 불가분의 결합으로 인해 기공이 닫히면 식물의 이산화탄소 흡수가 감소한다는 것이다. 이러한 이산화탄소 흡수 감소는 광합성에 의한 당 생산 감소로 이어진다.

식물은 광합성에서 생성된 당을 필수 에너지원으로 사용하기 때문에 이 과정이 감소하면 식물 성장에 부정적인 영향을 미친다.

작물에서 광합성 설탕 생산량의 감소는 수확량과 질 모두의 감소로 나타난다. 예를 들어, 토마토의 경우 작물에 대한 피해는 과일 수, 무게, 각 과일의 설탕 함량 감소로 반영됩니다. 설탕 함량이 낮은 과일은 맛이 덜하고 영양가도 떨어진다.

이번 연구에서 연구진은 CRISPR 방법을 이용한 유전자 편집을 통해 토마토에 ROP9라는 유전자를 표적으로 하는 변형을 유도했다. ROP 단백질은 활성 상태와 비활성 상태 사이를 전환하는 스위치 역할을 한다.

얄롭스키 교수는 “CRISPR 기술로 ROP9를 제거하면 기공이 부분적으로 폐쇄된다는 사실을 발견했다”며 “이 효과는 증산 과정에서 식물의 수분 손실률이 가장 높은 정오에 특히 두드러진다”고 말했다.

"반대로, 증산율이 낮은 오전과 오후에는 대조 식물과 ROP9 변형 식물 사이의 수분 손실 속도에 큰 차이가 없었다. 아침과 오후에 기공이 열려 있었기 때문에 식물은 충분한 이산화탄소를 흡수할 수 있어 ROP9 변형 식물의 기공이 더 닫힌 오후 시간에도 광합성에 의한 당 생산 감소를 방지할 수 있었다."

손상된 ROP9가 작물에 미치는 영향을 평가하기 위해 연구자들은 수백 개의 식물을 대상으로 광범위한 현장 실험을 수행했다.

그 결과, ROP9 변형 식물은 증산 과정에서 수분 손실이 적음에도 불구하고 광합성, 작물 수량 또는 품질(과일의 당분 함량)에 부정적인 영향이 없는 것으로 나타났다. 또한, 이번 연구에서는 기공 내 활성산소종으로 알려진 산화물질의 수준과 관련하여 기공의 개폐를 조절하는 새롭고 예상치 못한 메커니즘을 확인했다. 이번 발견은 기초 과학 지식에도 중요한 의미를 갖는다.

Sade 박사는 "토마토의 ROP9와 고추, 가지, 밀과 같은 다른 작물에서 발견되는 ROP 단백질 사이에는 큰 유사성이 있다. 따라서 우리 기사에 자세히 설명된 발견은 추가 작물 개발의 기초가 될 수 있다. 향상된 물 사용 효율성과 기공 개폐 메커니즘에 대한 더 깊은 이해를 제공한다."