배경

벼는 전 세계 인구 절반 이상의 주식으로 식량 안보의 핵심을 차지하는 작물이다. 특히 서로 다른 품종을 교배했을 때 자손의 생육과 수확량이 부모 세대보다 월등히 우수해지는 잡종 강세 현상은 작물 생산성을 비약적으로 끌어올릴 핵심 열쇠로 꼽혀왔다. 아시아 재배벼는 크게 온대 및 아열대 기후에 적응한 자포니카(japonica)와 열대 기후 중심의 인디카(indica) 두 아종으로 나뉜다. 이 둘을 교배하면 이론상 같은 아종 내부의 교배보다 15%에서 30% 이상 높은 수확량 잠재력을 얻을 수 있다.

수십 년 동안 전 세계 육종학자들은 이 거대한 잠재력에 주목했으나 상용화의 문턱에서 번번이 좌절했다. 두 아종이 오랜 세월 지리적·진화적으로 격리되면서 축적한 생식 격리 기전 탓이다. 자포니카와 인디카를 인공 교배해 얻은 1세대 잡종 식물체는 겉보기에 매우 건강하게 자라지만, 화분(꽃가루)이나 배주(밑씨)가 제대로 성숙하지 못해 이삭에 낟알이 차지 않는 극심한 잡종 불임 현상을 나타냈다.

종 분화 과정에서 형성된 유전적 장벽은 특정 유전자좌의 복합적인 상호작용으로 유지된다. 벼 게놈 전반에 걸쳐 암수 배우자 치사를 유도하는 불임 유전자 쌍이 다수 자리 잡고 있어, 종래의 여교배나 전통 육종 방식으로는 이들 인자를 동시에 무력화하기 어려웠다. 불임 유전자를 하나 제거하면 인접한 다른 불임 유전자가 발현하거나 유용한 농업 형질이 함께 탈락하는 연관 끌림(linkage drag) 현상이 발생해 육종 효율을 크게 떨어뜨렸다. 결과적으로 아종 간 교배의 강력한 바이오매스 증대 효과는 농업 현장의 실질적인 수확량 확대로 이어지지 못한 채 오랜 난제로 남아 있었다.

핵심 발견

연구진은 자포니카와 인디카 사이의 생식 격리를 지배하는 핵심 유전자 복합체를 정밀 유전체 지도 작성과 분자유전학적 추적으로 규명하고, 현대 유전자가위 기술을 접목해 불임 장벽을 정밀하게 해체했다. 분석 결과 아종 간 잡종 불임은 화분 발달 과정에서 독소로 작용하는 단백질과 이를 중화하는 해독 단백질 사이의 불일치에서 비롯됐다.

조사 대상 잡종 개체군에서는 킬러-프로텍터(Killer-Protector) 시스템으로 불리는 유전자 쌍이 자포니카와 인디카 대립유전자 간 비대칭을 이루고 있었다. 부모 한쪽에서 유래한 킬러 유전자가 감수분열 후기 소포자 발달을 억제하는 독성 신호를 유도할 때, 다른 아종의 상동 염색체에 상응하는 보호 인자가 결핍되면 화분 붕괴와 심각한 불임이 촉발되는 구조다.

연구팀은 불임을 야기하는 핵심 유전자좌인 Sa, Sb, Sc를 포함한 복수의 주요 유전자 복합체를 표적화했다. CRISPR 기반 유전체 교정 기법을 적용해 잡종 식물체에서 소포자 치사를 유발하는 킬러 유전자의 핵심 기능 도메인을 정밀 제거하거나 비활성화했다. 독성 작용 경로를 선택적으로 차단하자 보호 인자의 유무와 무관하게 정상적인 배우자 발육 경로가 온전히 복원됐다.

유전자 편집 처리를 거친 아종 간 잡종 계통은 획기적인 생식능력 회복을 입증했다. 기존 교배체가 10% 미만의 극히 낮은 임실률을 보이며 대부분 빈 쭉정이로 남았던 반면, 표적 교정 계통은 화분 활력도가 90% 이상으로 회복됐고 최종 종자 결실률 역시 82%에서 88% 수준까지 정상화됐다. 아종 간 교배 특유의 왕성한 분얼수 증가, 크고 굵은 이삭, 넓은 엽면적 등 영양생장기의 우수한 바이오매스 특성은 그대로 유지된 채 결실 손실만 말끔히 제거된 결과다.

의미와 전망

생식 격리의 분자 메커니즘을 밝혀내고 인위적으로 제어한 이번 성과는 식물 진화학의 근본적인 질문에 답하는 동시에 차세대 고수확 작물 개발의 전기를 마련했다. 아종 간 교배 장벽이 허물어짐에 따라, 자포니카의 우수한 밥맛과 내냉성, 인디카의 다수확성 및 내병충해 형질을 한 개체에 집약하는 맞춤형 초다수확 품종 설계가 본궤도에 오를 전망이다.

기후변화로 인한 식량 생산 불안정이 심화하는 상황에서 단위 면적당 수확량을 획기적으로 늘리는 잡종 벼 육종 체계의 확립은 식량 안보 강화에 직접 기여할 잠재력을 지닌다. 아시아와 아프리카를 비롯한 주요 쌀 생산국에서는 제한된 농경지에서 증산 효과를 이끌어낼 현실적인 육종 수단이 절실한 실정이다.

상용화 단계에 안착하기까지 해결해야 할 현실적 과제도 존재한다. 유전체 교정 작물에 대한 국가별 규제 장벽과 GMO(유전자변형생물체) 규제 저촉 여부는 해외 시장 보급 속도를 좌우할 주요 변수다. 실험실과 온실 환경에서 확인된 임실률 회복 효과가 고온, 건조, 염류 집적 등 복합 스트레스가 작용하는 실제 노지 재배 환경에서도 일관되게 발현하는지 검증하는 대규모 포장 시험이 뒤따라야 한다. F1 잡종 종자의 대량 증식과 종자 생산 단가를 낮추는 채종 체계 최적화 연구가 병행되어야 농가 보급의 실효성을 담보할 수 있다.