국제 RIPE(광합성 효율의 실현 Rerealizing Photosynthetic Efficiency) 프로젝트는 광합성을 최적화하여 식량 작물의 수확량을 높이는 방법을 결정하고 있다. 광합성은 식물이 햇빛을 성장을 위한 에너지로 바꾸는 데 사용한다.

 

2016년 담배 공장에 대한 개념 증명 작업이 발표된 후 팀은 더 어려운 작업으로 시선을 돌렸다. 즉, 향상된 광합성이 식품 작물에서 작동하도록 하는 것이다.

 

일리노이 대학의 RIPE 책임자이자 작물 과학 및 식물 생물학의 책임자인 Stephen Long은 성명을 통해 "매우 다른 두 작물인 담배와 대두 모두에서 매우 상당한 수확량 증가를 보인 것은 이것이 보편적인 적용 가능성을 시사한다"고 말했다.

 

식량 공급 개선

 

UN은 비효율적인 식량 공급망과 점점 더 열악해지는 기후 변화를 식량 불안정의 주요 요인으로 꼽는다.

 

RIPE의 임무는 특히 사하라 사막 이남 아프리카의 소규모 농장에서 광합성 효율을 높여 빈곤 지역의 식량 안보와 작물 지속 가능성을 개선하는 것이다.

 

연구 주저자이자 RIPE 프로젝트 연구원인 Amanda De Souza는 "식량 부족으로 영향을 받는 사람들의 수가 계속해서 증가하고 있으며 예측은 경로를 변경하기 위해 식량 공급 수준의 변화가 필요함을 분명히 보여준다"라고 말했다.

 

“우리의 연구는 생산에 투입되는 더 많은 토지를 피하면서 식량 안보를 가장 필요로 하는 사람들을 위해 식량 안보에 기여할 수 있는 효과적인 방법을 보여준다. 광합성을 개선하는 것은 수율 잠재력에서 필요한 도약을 얻을 수 있는 주요 기회이다.”

 

광합성은 비효율성으로 인해 식물 성장을 촉진하기 위한 매력적인 목표이다. RIPE당 100단계가 넘는 과정이다.

 

Long은 BBC News에 "우리는 광합성과 그것이 30년 동안 비효율적인 이유를 조사해 왔다."라고 말했다.

 

광합성 개선

 

이러한 비효율성을 완화하기 위해 연구원들은 프로세스의 특정 부분에 집중했다.

 

식물이 직사광선에 노출되면 "잔토필 주기"라는 보호 모드로 전환되어 여분의 에너지를 열로 방출하여 세포 손상을 방지한다.

 

그러나 그늘이 돌아오면 그 과정을 꺼야 식물이 저장한 햇빛으로 광합성을 할 수 있다. (이코노미스트가 지적했듯이, 식물은 겉보기에도 불구하고 엄청나게 바쁜 일을 한다!) 하지만 이것은 시간이 걸린다.

 

"식물은 과도한 빛 에너지를 발산하여 너무 많은 태양으로부터 자신을 보호한다."라고 연구원들은 Science에 발표한 연구에서 썼다. "불행히도, 빛 에너지를 분산시키는 것에서 광합성을 위해 빛 에너지를 사용하는 것으로의 전환은 하늘을 가로질러 움직이는 구름만큼 민첩하지 않다."

 

식물은 보호 모드를 꺼야 할 때마다 몇 분의 광합성을 잃을 수 있다.

 

연구팀은 크산토필 주기 단백질의 청사진인 3가지 유전자를 유전적으로 조작했다. 2016년 연구에서 팀은 유전자 변형이 쉬운 담배 식물에 이러한 유전자의 추가 사본을 넣었다고 이코노미스트는 보고했다.

 

이를 통해 식물은 더 빠르게 적응하여 성장 시간과 수확량이 증가했다.

 

더 복잡한 콩 식물에서 유사한 트릭을 수행함으로써 팀은 식물의 보호 모드가 더 빠르게 켜고 끌 수 있도록 하여 여분의 광합성 시간을 제공할 수 있었다. 성장 시즌에 걸쳐 합산하면 추가 시간이 수확량 증가로 이어졌다.

 

이코노미스트는 팀이 대학 농장에 8개의 수정 식물을 심었다고 보고했다. 8개 중 5개는 수정되지 않은 대조 식물보다 더 많은 수확량을 보였다. 평균적으로 공장은 24.5% 증가했으며 가장 생산적인 공장은 33% 개선을 보였다.

 

Long은 BBC에 "우리가 그것을 개선할 수 있다는 큰 회의론이 있었다. 그래서 우리가 이것을 할 수 있다는 것을 보여주는 것은 기반을 완전히 바꾸고 세계 식량 공급을 증가시키는 우리의 능력에 크게 기여한다."고 말했다.

 

증가하는 의심

 

그러나 이 실험이 보여주는 것에는 한계가 있다고 노스캐롤라이나 주립대학교의 작물 생리학 및 생태학 겸임 교수인 Thomas Sinclair는 이코노미스트에 말했다.

 

작물 수확량을 늘리는 방법으로 광합성을 개선하는 것에 회의적이었던 Sinclair는 이번 연구가 규모가 작고 지리적으로 매우 구체적이라고 말했다. 한 곳에 8개의 식물만 있으면 된다.

 

팀은 2023년에 결과가 나올 것으로 예상하는 훨씬 더 큰 실험을 수행해야 할 필요가 있다.

 

De Souza는 성명에서 "이 작업의 주요 영향은 우리가 광합성을 생명공학적으로 만들고 수확량을 개선하여 주요 작물의 식량 생산을 늘릴 수 있음을 보여주는 길을 열어주는 것이다."라고 말했다.

 

“RIPE 프로젝트를 통해 뿌리내린 아이디어가 주요 식량작물의 수확량 향상을 위한 성공적인 수단이라는 확인의 시작”이라고 말했다.