프라임 편집으로 3개 유전자 동시 교정한 복합 제초제 저항성 알팔파 개발
배경
사료의 여왕으로 불리는 알팔파(Medicago sativa)는 가축 사육 현장에서 단백질 공급원으로 널리 재배되는 다년생 콩과 작물이다. 아미노산 조성이 균형 잡혀 있고 비타민과 무기질 함량이 풍부해 조사료 가치가 매우 높다. 반면 포장 재배 시 다양한 잡초 침입에 취약해 생산량 감소와 품질 저하라는 이중고를 겪어왔다. 생육 초기에 잡초와 햇빛, 수분, 양분 경쟁에서 밀리면 군락 형성에 실패하기 십상이다.
잡초 방제를 위한 가장 효율적인 수단은 제초제 살포다. 알팔파는 상용 제초제 저항성을 부여받은 육종 품종이 절대적으로 부족한 실정이었다. 단일 작물 밭에 침입하는 화본과 및 광엽 잡초를 모두 제어하려면 서로 다른 작용 기전을 지닌 복수의 제초제를 혼용해야 한다. 기존 알팔파 품종은 약제 감수성이 높아 방제 약제를 조금만 잘못 써도 심각한 약해를 입었다. 표적 형질을 도입하려 해도 4배체 작물 특유의 복잡한 유전 구조 탓에 재래식 교배 육종으로는 복합 저항성을 단기간에 부여하기 어려웠다. 유전자 편집을 활용한 정밀 분자 육종 기술이 절실했던 배경이다.
핵심 발견
연구진은 알팔파 세포 내 발현 효율을 끌어올린 프라임 편집(Prime Editing, PE) 플랫폼을 설계하고, 작물 유전체에 존재하는 3개 표적 유전자를 한 번에 교정하는 데 성공했다.
교정 표적으로 삼은 유전자는 아세토락테이트 합성효소 유전자 MsALS1, MsALS2와 아세틸-CoA 카르복실레이스 유전자 MsACC1이다. 벼(rice) 상동 유전자의 기존 연구 결과를 바탕으로, 설포닐우레아계 등 ALS 저항성을 부여하는 돌연변이를 MsALS1 및 MsALS2에 설계했다. 옥수수나 콩 재배지에서 주로 쓰는 니코술푸론(nicosulfuron) 방제에 견디도록 만든 셈이다. 아릴옥시페녹시프로피오네이트(APP) 계열 제초제에 내성을 갖도록 MsACC1 유전자에도 정밀 점돌연변이를 계획했다.
세 유전자를 단일 형질전환체에서 동시 편집하고자 박테리아 유래 RNA 가공 효소인 Csy4 뉴클레아제 시스템을 도입했다. Csy4 인식 서열로 연결된 다중 pegRNA 전사체를 세포 내에서 발현시키면 Csy4 단백질이 각 RNA를 정확한 단위로 절단해 복수의 복합체를 형성하는 원리다. 이 시스템을 거쳐 알팔파 3개 유전자에서 의도한 염기 치환이 정밀하게 일어났다. 돌연변이가 안정적으로 정착된 유전자 편집 알팔파 계통은 니코술푸론과 APP 계열인 할록시포프-P-메틸(haloxyfop-P-methyl) 두 제초제를 복합 살포한 온실 검정에서도 정상 생육을 유지했다.
의미와 전망
단일 세포에서 3개 유전자를 오프타깃 결손 없이 정밀 치환한 이번 결과는 4배체 다년생 작물의 분자 육종 장벽을 허문 사례로 평가받는다. 알팔파처럼 염색체 복제 수가 많고 유전 변이가 복잡한 작물은 이중가닥 절단(DSB)을 유도하는 기존 유전자가위로 교정할 경우 예기치 못한 결실이나 염색체 재배열이 발생하기 쉬웠다. 염기서열을 직접 덮어쓰는 PE 방식을 다중 표적 시스템과 결합해 유전체 손상을 최소화하면서 원하는 유전형을 유도할 수 있음을 입증했다.
농가 차원에서는 화본과 잡초 방제제(할록시포프-P-메틸)와 광엽·화본과 겸용 제초제(니코술푸론)를 선택적으로 조합해 사용하는 맞춤형 방제가 가능해진다. 제초제 저항성 잡초가 출현했을 때 작물 손상 없이 교차 방제 체계를 가동할 여지가 넓어진다.
다만 포장 실증 단계까지는 넘어야 할 과제가 적지 않다. 형질전환체 선발 과정에 쓰인 외래 발현 카세트가 잔존하는지 규명해야 하며, 화분 매개에 따른 유전자 이동 차단 대책도 마련해야 한다. 국가별 유전자 편집 작물 규제 기준이 상이한 만큼, 무외래유전자(null-segregant) 계통 확보와 생산량·영양가 검증이 상용화 일정을 좌우할 전망이다.
Alfalfa (Medicago sativa) is the most widely cultivated forage crop worldwide, owing to its high protein content, balanced amino acid profile, and abundance of vitamins and minerals. However, weed infestation severely threatens alfalfa yield and quality. The lack of herbicide‑resistant cultivars, combined with the diversity of weed species, has made herbicide tolerance a key breeding objective. To address this challenge, we developed a highly optimized prime editing system and, for the first time, achieved prime editing in alfalfa by enhancing the expression efficiency of its components. Specifically, we introduced mutations in three target genes MsALS1, MsALS2 and MsACC1 to confer herbicide resistance: mutations in MsALS1 and MsALS2 were designed to confer resistance to ALS‑inhibiting herbicides (based on evidence from their rice homologs), while those in MsACC1 were targeted to confer resistance to aryloxyphenoxypropionate (APP) herbicides. Using the Csy4 nuclease system, we performed simultaneous prime editing of all three genes, ultimately generating alfalfa lines resistant to nicosulfuron and haloxyfop‑P‑methyl. This study represents the first successful multi‑gene prime editing in alfalfa, providing a novel tool and a valuable approach for alfalfa molecular breeding.
이번 연구는 대규모 알팔파 채종 단지와 상업 사료 생산 농가의 생산성을 끌어올리는 실질적 계기가 된다. 기존 알팔파 재배 포장에서는 초기 잡초 방제를 위해 밭을 미리 갈아엎거나 제한된 선택성 약제에 의존해 노동 투입량과 약제 비용 부담이 컸다. 이번에 개발된 복합 저항성 계통을 도입하면 벼나 옥수수 재배지에서 쓰이던 제초제 조합을 알팔파 포장에도 탄력적으로 투입할 수 있다.
발아 직후 방제 시기를 놓쳐 수확 사료의 조단백질 함량이 떨어지던 현상을 방지하고 기계화 수확 효율을 극대화할 수 있다. 다중 프라임 편집 프로토콜은 가뭄 저항성이나 도복 방지, 리그닌 함량 저감 같은 복합 농업 형질을 한 번에 개량하는 타 작물 분자 육종에도 즉시 확장 적용 가능한 기술 기반을 제공한다.