과제: 식물은 뿌리를 통해 흡수하는 물의 극히 일부만을 사용한다. 나머지는 잎에 있는 "기공"이라고 불리는 작은 구멍을 통해 대기 중으로 증발한다.

 

물을 절약해야 할 때 식물은 이 구멍을 닫을 수 있지만 기공은 또한 식물이 광합성을 통해 당으로 전환하는 이산화탄소(CO2)를 유입한다. 설탕은 식물의 성장을 촉진하므로 CO2가 적다는 것은 식물이 평소만큼 크게 자랄 수 없다는 것을 의미한다.

 

유전자 편집 토마토: 텔아비브대학(TAU)의 연구자들은 CRISPR를 사용하여 ROP9 단백질을 코딩하는 유전자를 삭제하면 수분 증발 가능성이 가장 높은 정오에 토마토 식물의 기공이 부분적으로 닫히는 것을 발견했다.

 

 

하지만 기공은 아침과 오후에 열려 있다. 이는 식물이 더 많은 물을 절약하면서도 충분한 CO2를 흡수할 수 있음을 의미한다.

 

현장 테스트에서 연구자들은 일반적인 물 조건과 가뭄을 시뮬레이션하기 위한 조건에서 유전자 편집 토마토를 재배했으며 식물이 토마토의 수나 품질을 손상시키지 않고 물을 보존할 수 있다는 것을 발견했다.

 

미래 전망: TAU 팀의 유전자 편집 토마토가 글로벌 식품 사슬에 진출할지 여부를 말하기는 너무 이르지만, 연구원들은 그들의 발견이 다양한 물 효율적인 작물로 이어질 가능성이 있다고 믿는다.

 

연구원인 니르 사데(Nir Sade)는 “토마토의 ROP9와 고추, 가지, 밀과 같은 다른 작물에서 발견되는 ROP 단백질 사이에는 큰 유사성이 있다.”라고 말했다. "따라서 우리 기사에 자세히 설명된 발견은 물 사용 효율성이 향상된 추가 작물 개발의 기초를 형성할 수 있다."

 

큰 그림: 물 부족은 오늘날 전 세계적으로 주요 과제이다. 기온 상승, 가뭄 증가, 기후 변화의 기타 영향과 결합된 인구 증가로 인해 미래에는 물 보존이 더욱 중요해질 것이다.

이와 같은 혁신은 농업과 물 사용의 지속 가능한 미래를 보다 일반적으로 보장하는 데 필수적일 수 있다.

 

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 박사 과정 학생인 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 학술지 PNAS에 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 기공이라고 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 감소한다. 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 반영. 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.

 

Yalovsky 교수: “우리는 CRISPR 기술로 ROP9를 제거하면 기공이 부분적으로 폐쇄된다는 사실을 발견했다. 이 효과는 증산 과정에서 식물의 수분 손실률이 가장 높은 정오에 특히 두드러진다. 반대로, 증산율이 낮은 오전과 오후에는 대조 식물과 ROP9 변형 식물의 수분 손실 속도에 큰 차이가 없었다. 오전과 오후에 기공이 열려 있었기 때문에 식물은 충분한 이산화탄소를 흡수할 수 있었고, ROP9 변형 식물에서는 기공이 더 닫힌 오후 시간에도 광합성에 의한 당 생산량의 감소를 방지할 수 있었다.”

 

손상된 ROP9가 작물에 미치는 영향을 평가하기 위해 연구자들은 수백 개의 식물을 대상으로 광범위한 현장 실험을 수행했다. 그 결과, ROP9 변형식물은 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 박사: “토마토의 ROP9와 고추, 가지, 밀과 같은 다른 작물에서 발견되는 ROP 단백질 사이에는 큰 유사성이 있다. 따라서 우리 기사에 자세히 설명된 발견은 향상된 물 사용 효율성을 갖춘 추가적인 작물 개발을 위한 기초를 형성하고 기공 개폐 메커니즘에 대한 더 깊은 이해를 위한 기초를 형성할 수 있다."

 

참고 자료:  Puli MR, Muchoki P, Yaaran A, et al. 식물의 토마토 Rho의 Null 돌연변이는 수확량에 대한 불이익 없이 향상된 물 사용 효율성을 나타냅니다. PNAS . 2024;121(4):e2309006120. 도이: 10.1073/pnas.2309006120

 

 

유전자 편집으로 물을 덜 소비하는 토마토 개발 성공

 

최근 과학자들이 유전자 편집 기술을 활용하여 물을 적게 소비하는 토마토를 개발하는 데 성공했다는 소식이 전해지며, 지구 온난화와 가뭄이 심화되는 현 상황에서 농업 분야에 새로운 희망을 불어넣고 있다. 이 토마토는 기존 품종에 비해 상당히 적은 양의 물로도 재배가 가능하여, 물 부족 문제가 심각한 지역에서도 지속 가능한 농업을 실현할 수 있는 가능성을 열어주고 있다.

유전자 편집 기술의 적용

이번에 개발된 토마토는 CRISPR-Cas9과 같은 최신 유전자 편집 기술을 이용하여, 식물이 물을 효율적으로 사용하도록 하는 유전자를 조정함으로써 실현되었다. 연구팀은 토마토의 유전체에서 물 사용 효율성을 결정하는 핵심 유전자를 선별하고, 이를 편집하여 식물이 가뭄과 같은 스트레스 환경에서도 생존하고 성장할 수 있도록 만들었다.

농업에 미치는 영향

이 기술은 물 부족 문제를 해결하고 지속 가능한 농업을 추구하는 데 있어 중대한 진전을 의미한다. 특히, 가뭄이 잦은 지역에서의 식량 생산성을 크게 향상시킬 수 있으며, 물 자원을 절약하면서도 고품질의 농산물을 생산할 수 있는 길을 열어주고 있다.

물을 덜 소비하는 다른 과일 및 작물

유전자 편집 기술을 이용한 물 절약형 작물 개발은 토마토에만 국한되지 않는다. 과학자들은 이 기술을 다양한 식물에 적용하여 물 사용 효율을 높이는 연구를 진행 중이다. 예를 들어, 쌀, 밀, 옥수수와 같은 주요 식량 작물뿐만 아니라, 면화와 같은 비식량 작물에도 유전자 편집 기술을 적용하여 물 사용량을 줄이고 있다.

이러한 연구는 전 세계적으로 물 부족 문제가 심화되고 있는 상황에서 매우 중요한 의미를 지닌다. 미래학자의 관점에서 볼 때, 유전자 편집 기술을 통한 물 절약형 작물 개발은 지속 가능한 농업과 식량 안보를 달성하기 위한 핵심 전략 중 하나로 자리 잡을 것으로 예상된다.

윤리적, 환경적 고려사항

물론, 유전자 편집 기술을 농업에 적용함에 있어 윤리적, 환경적 영향에 대한 심도 있는 고민과 연구가 필요하다. 기술의 안전성과 장기적인 환경 영향을 면밀히 검토하고, 사회적 합의를 이루어가는 과정이 중요하다.

 

유전자 편집 기술이 농업 분야에 가져올 변화는 매우 크며, 이를 통해 인류는 물 부족과 같은 글로벌 문제에 보다 효과적으로 대응할 수 있을 것으로 기대된다. 이 기술의 발전과 적용은 미래의 농업과 식량 생산 방식을 근본적으로 변화시킬 수 있는 잠재력을 지니고 있으며, 지속 가능한 미래를 향한 중요한 발걸음으로 평가된다.

 

• 미국 애리조나 대학교 연구팀은 토마토의 특정 유전자를 조작하여 물 사용량을 20% 줄이는 데 성공했다.
• 이 유전자 편집 토마토는 잎의 기공을 더 작게 만들어 수증기 손실을 줄이고, 뿌리의 흡수 능력을 향상시켜 물을 더 효율적으로 사용.
• 연구팀은 이 기술을 다른 작물에도 적용.

물 덜 먹는 토마토의 장점:

• 가뭄과 물 부족 환경에서도 높은 생산성을 유지.
• 농업用水 사용량을 줄여 환경 보호에 기여.
• 토마토의 가격을 안정시키는 데 도움.

물 덜 먹는 다른 과일이나 작물:

• 과일: 딸기, 포도, 사과, 배
• 작물: 옥수수, 콩, 밀, 쌀

연구의 중요성:

• 가뭄과 물 부족은 전 세계적으로 심각한 문제이며, 농업 생산에 큰 영향을 미친다.
• 물 덜 먹는 유전자 편집 기술은 이러한 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.
• 유전자 편집 기술의 윤리적 문제, 장기적인 안전성, 환경 영향 등에 대한 논의가 필요.

결론:

 

물 덜 먹는 유전자 편집 토마토 개발은 가뭄과 물 부족 문제 해결에 중요한 발걸음. 이 기술은 농업 생산성을 높이고 환경 보호에 기여할 수 있지만, 윤리적 문제와 안전성에 대한 논의도 함께 이어져야 한다.