일본, 강력한 태풍에도 쓰러지지 않는 최강의 벼에 대한 비밀

작성자

윤민수

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등록일

2014-10-16

내용

일본 국립대학법인 동경농공대학 대학원 농학연구원 생물생산과학부문의 오가와 준교수는 나고야 대학, 후쿠야마현 농림수산총합기술센터, 농업생물자원연구소와의 공동연구에서 최강의 벼로 알려져 있는 수도품종 <리프스타> (그림1) 의 리그닌 생합성효소 Cinnamyl Alcohol Dehydrogenase (CAD)가 자연변이를 일으킨 유전적 특성과, 리그닌 함량이 적고 도복에 내성을 가지는 품종을 개량하기 위한 새로운 형질을 해명하였다. 이번 연구 결과는 도복하기 쉬운 코시히카리 등 식용 품종의 도복 저항성 개량 뿐만 아니라, 리그닌 함량이 적고, 소화성과 당화성이 좋으며, 도복에 강한 사료용 또는 바이오매스 에너지용 신품종 개발, 세계의 식량 및 사료의 증산, 에너지 문제 해결 등에 큰 공헌을 할 것으로 기대된다. 본 연구는 일본 문부과학성 특별교육연구경비 <지역에너지 자급률 향상을 위한 그린 바이오매스 연구 프로젝트> 및 농림수산성 <게놈 정보를 활용한 농산물 차세대 생산기반기술의 개발 프로젝트>의 지원을 받아 수행되었다.

 

연구 배경

벼는 가을철 등숙기에 접어들면 폭풍우 등에 의해 도복되기 쉽고, 이에 따른 수량 및 품질 저하가 크게 문제가 되기도 한다. 최근에는 지구온난화와 함께 게릴라 호우와 대형 태풍이 증가하고 있으므로, 도복 피해가 점점 확대되고 있는 추세이다. 더구나, 머지않아 수퍼 태풍 (최대풍속 70m 이상) 의 상륙이 동남아시아 뿐만 아니라 일본에서도 자주 발생될 것으로 예상되고 있다. 태풍에 견딜 수 있는 벼 도복 저항성 향상을 위해서는 간부 (벼 줄기부분) 의 강도를 높임으로써, 쉽게 꺾이고 부러지지 않는 품종개량이 필요하다. 현재 일본에서는 식용 이외에 사료용, 바이오매스 에너지용 등 다용도로 이용되는 벼품종이 개발되고 있다. 그러나, 이들 품종은 맛보다 양이 중시되고, 이삭이 무거우며, 지상부 바이오매스가 큰 쪽으로 개량되기 때문에 도복하기 쉽다. 또한, 사료로서의 소화성과 바이오매스 원료로서의 당화성을 향상시키기 위하여 리그린 함량이 낮은 벼 품종이 요구되지만, 리그닌은 식물에게 있어서 식물체의 구조적인 강도를 높이는데 중요한 물질이기 때문에 같은 벼과 작물인 사료용 옥수수와 수수에서는 낮은 리그닌 함량이 간부의 강도를 저하시키는 결과를 초래하고 있다. 한편, 벼에서는 낮은 리그닌 함량이 간부의 강도에 미치는 영향과 낮은 리그닌 함량과 강간성 (줄기가 튼튼한 성질) 을 양립시키는 형질은 밝혀지지 않았다.

 

대학과 농연기구가 2008년부터 공동 육성 보급을 추진하고 있는 바이오매스용 품종 <리프스타>는 줄기가 강할 뿐만 아니라 리그닌 함유량이 낮은 특징을 가지고 있지만, 그 원인은 알지 못했다. 리프스타는 전 세대인 중국117호와 마찬가지로 왕겨와 줄기가 황갈색을 띄는 골드할형질 (그림2) 을 나타내며, 이 형질의 원인이 리그닌 생합성효소 CAD의 변이에 의해 생기는 것으로 보고되었다. 리프스타와 그 전세대의 CAD 유전변이와 낮은 리그닌 함량과의 상관관계, 리그닌 함량이 낮아도 강간성을 유지하는 리프스타 특유의 새로운 형질을 밝히고, 신품종의 개량에 공헌하기 위하여 본 연구를 실시하게 되었다.

 

 

연구 성과

1. 리프스타의 골드할 유전자좌는 중국117호와 마찬가지로 제2염색체 단완에 위치하고 있으며, 리그닌 생합성효소의 하나인 CAD 유전자 OsCAD2를 포함한 영역이라는 사실 (그림3) 을 밝혀냈고, 줄기의 형성과정에서 OsCAD2 유전자 발현이 저하되고 gh2 돌연변이체와 비슷한 기질특이성을 나타냄에 따라 OsCAD2에 변이가 있을 가능성이 시사되었다.

 

2. 리프스타와 전세대의 OsCAD2 유전자 염기배열, 아미노산 배열을 비교한 결과, 중국117호는 제3엑손와 제4엑손에 변이가 발견되었고, 리프스타는 제1엑손에 레트로트랜스포존 삽입이 존재한다는 사실을 밝힘으로써, 리프스타의 OsCAD2 유전자 변이는 중국117호부터 유전된 것이 아니라, 선발과정에서 코시히카리의 대립유전자에서 우발적으로 변이가 발생한 것으로 추정되었다. 따라서, 리프스타는 중국117호와 비교하여 리그닌 함량이 낮고, 사료용 및 바이오연료용 벼 품종으로서 소화성, 당화성 개량에 유용하다는 사실이 시사되었다.

 

3. 리프스타가 리그닌 함량이 낮고, 강간성을 가지는 원인을 검토한 결과, 줄기의 세포벽을 구성하는 셀룰로스, 헤미셀룰로스의 밀도가 높고, 줄기의 외주부분에 위치하는 피층섬유조직이 잘 발달되어 있으며, 이차 세포벽이 비대하다는 사실, 그리고 내측의 유조직세포의 일차 세포벽이 두껍고. 셀룰로스, 헤미셀룰로스가 고밀도로 집적되어 있으며, 이러한 형질이 리그닌 함량이 적더라도 줄기의 강도를 높이는 원인이 될 수 있다는 사실을 밝혀내었다 (그림4, 5, 6). 또한, 이러한 형질은 중국117호가 아닌 줄기가 가늘고 강도가 약해도 피층섬유조직이 잘 발달하는 코시히카리로부터 유래한다는 사실도 밝혀졌다.

 

 

앞으로의 전망

본 연구는 벼의 실용 품종으로서는 처음으로 리그닌 생합성효소 CAD의 제2염색체 단완 유전자 OsCAD2 유전자에 리그닌 함량을 적게 만드는 유용한 자연변이를 가진다는 사실을 밝혀내었고, 식용 벼 품종의 도복 저항성 개량, 리그닌 저함량 사료, 바이오매스 에너지용 벼 품종의 강간성 개량에 활용이 기대된다. 이미 리프스타를 육종모체로서 새로운 품종, 계통이 개발되어 있으며, 앞으로 신품종 개발에 큰 공헌을 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 밀, 보리 등 벼와 줄기의 형태적 특징이 닮은 주요 벼과 작물의 도복 저항성 개량에도 응용이 가능할 것으로 보인다. 앞으로는 양적형질 유전자좌의 해석을 통하여 셀룰로스, 헤미셀룰로스 밀도를 높이는 원인 유전자 규명과, 피층섬유조직의 발달 메카니즘의 해명, 대형 태풍에도 도복되지 않고 다수확을 기대할 수 있는 사료용 및 바이오매스 에너지용 벼품종 개량을 실시할 예정이다.

 

 

***제공출처: 일본 동경농공대학 뉴스릴리스, http://goo.gl/NQbTem

***제공일자: 2014. 10. 10

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