배경

사탕수수는 전 세계 설탕 생산량의 대부분을 담당할 뿐만 아니라 바이오에탄올을 비롯한 차세대 재생에너지 원료로도 가치가 매우 높은 대표적 경제작물이다. 그러나 복잡한 다배체 유전 구조와 방대한 유전체 크기 때문에 유전학 분석과 우수 형질 개량이 극히 까다롭기로 유명하다. 생명공학자들은 당도 축적 능력이 탁월한 재배종 사카룸 오피시나룸(Saccharum officinarum)과 환경 스트레스나 질병 저항성이 뛰어난 야생종 사카룸 스폰타네움(Saccharum spontaneum)의 유익한 유전자를 결합하고자 다각적인 교배 연구를 이어 왔다. 이종 교배 시 나타나는 난해한 유전 현상은 모계 유전체가 감수분열 과정에서 반으로 줄어들지 않고 자손에게 고스란히 유전되는 여성 복구(female restitution) 현상이다. 이 현상이 일어나면 하이브리드 자손은 모계 유전자를 두 배로 물려받아 생명력을 유지한다. 하지만 감수분열 시 모계 염색체가 온전하게 보존되어 후대에 전달되는 구체적인 분자 생물학적 기전은 오랫동안 명확히 규명되지 못한 상태였다. 고다배체 생물의 염색체를 개별적으로 식별할 만큼 해상도가 높은 유전체 분석 도구가 존재하지 않았던 탓이다.

핵심 발견

미국과 중국 공동 연구팀은 단배체 수준으로 분리된 F1 유전체 분석(haplotype-resolved F1 genomes)을 동원해 식물 유전학 분야의 오래된 비밀을 해결했다. 연구팀은 두 사탕수수 종의 교배종 F1 개체에서 구축한 고정밀 유전체 지도에 기반해 여성 복구 시 일어나는 염색체 분리 패턴 추적에 나섰다. 분석 결과, 하이브리드 개체의 모계 염색체들은 복제 단계를 거친 뒤 제2감수분열 과정에서 서로 분리되지 않고 동일한 난세포에 머무르는 제2감수분열 복구(second division restitution, SDR)를 경유했음이 확인됐다. 이 메커니즘으로 유전되는 모계 염색체는 단순 복제에 그치지 않았다. 복제 전 비자매 염색분체 간 부분적 유전 재조합이 일어난 뒤, 이 재조합된 염색분체가 자손에게 고스란히 전해지는 독특한 서명이 유전체 전반에 걸쳐 관찰된다. 연구팀은 단배체 해독 기술로 재조합된 염색분체의 미세 구조와 서열 변화를 분자 수준에서 정교하게 규명했다. 기존의 가설을 넘어 실제 유전체 염색체 데이터를 기반으로 감수분열 메커니즘을 명백히 실증한 성과다.

의미와 전망

이번에 밝혀진 사탕수수의 SDR 기전은 식물 진화 연구와 농업생명공학 분야에 상당한 파급력을 불러올 것으로 전망된다. 여성 복구의 세부 원리를 규명함으로써 우수 품종을 만들어 내려는 육종가들은 보다 통제된 환경에서 체계적인 교배 전략을 수립할 수 있다. 모계인 재배종 사탕수수의 높은 당도 유전 패턴을 원형 그대로 유지하면서도, 야생종에서 가져온 우수한 스트레스 내성 유전자를 효율적으로 결합하는 정밀 유종 설계의 문이 열렸다. 다만 잡종 형성 과정에서 동반될 수 있는 유전적 불합치로 인한 불임율 상승이나 복잡한 다배체 유전의 불확실성은 여전히 해결해 나가야 할 과제다. 연구팀은 향후 감수분열의 재조합 빈도를 조절해 자연적인 여성 복구 비율을 임의로 제어하는 유전학 도구 개발에 돌입했다.