벼 꽃을 닫히게 하는 miR172b–SNB 조절축 규명…폐화수정 육종의 단서
배경: 꽃을 열지 않고 수정하는 벼의 유전적 원인
벼에서 마이크로RNA인 miR172b가 부족해지면 SNB 전사체의 축적을 억제하는 조절이 풀리고, 꽃을 여는 비늘조각이 작아져 폐화수정이 일어난다는 연구 결과가 나왔다. 연구진은 자연 돌연변이와 유전자 편집 계통을 비교해 이 조절축을 규명했다. 다만 실제 포장에서 교잡을 얼마나 줄이는지는 아직 확인되지 않았다.
폐화수정은 꽃이 닫힌 상태에서 자가수정하는 현상이다. 벼를 비롯한 벼과 식물에서는 인피라고도 부르는 비늘조각(lodicule)이 개화기에 팽창해 꽃을 연다. 이 기관의 발달이나 팽창이 제한되면 꽃이 닫힌 채로 남는다. 이런 형질은 품종 순도 유지와 의도하지 않은 유전자 이동 감소에 활용할 가능성이 있다.
기존 벼 폐화수정 돌연변이 중에는 저온에서 형질이 사라지거나 임실률이 낮아지는 사례가 있었다. 이번 연구는 주요 농업형질에 뚜렷한 불이익이 없는 것으로 보고된 자연 돌연변이체 ‘lodiculeless spikelet’(ld)에 주목했다. 무엇이 비늘조각의 발달을 바꾸는지 밝히는 것이 핵심 과제였다.
핵심 발견: MIR172b 기능상실과 SNB 억제 해제의 연결
연구진은 일품벼 배경의 ld와 밀양23호를 교배한 뒤 F2 세대 1,027개체와 F3 세대 1,673개체를 분석해 원인 영역을 좁혔다. 염기서열 비교에서는 MIR806a 전체와 MIR172b의 발현을 조절하는 프로모터 영역을 포함하는 4,572염기쌍 결실을 확인했다. 두 유전자좌 중 어느 쪽이 원인인지 구분하고자 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR/Cas9)로 각각을 편집했다. MIR172b 기능을 손상한 계통에서는 폐화수정이 재현됐지만, MIR806a 결손 계통은 정상적인 비늘조각을 형성했다.
어린 이삭의 소형 RNA 분석에서도 ld 계통의 miR172b는 검출 배경 수준까지 감소했다. 다른 miR172 종류에서는 같은 감소가 확인되지 않았다. miR172의 표적 부위를 지닌 APETALA2(AP2) 계열 유전자 5개를 비교하자, 어린 이삭에서 유의하게 늘어난 전사체는 SUPERNUMERARY BRACT(SNB)뿐이었다. 이는 miR172b 결핍에 따른 SNB 억제 해제가 비늘조각 발달 이상과 연결됨을 뒷받침한다.
연구진은 인과관계를 더 확인하고자 프라임 편집으로 SNB의 miR172 결합 부위를 바꿨다. 단백질의 아미노산 서열은 보존하면서 전사체가 miR172의 억제를 피하도록 만든 것이다. 이 PE-rSNB 계통에서도 SNB 전사체 증가와 비늘조각 축소가 재현됐다. 리포터 유전자를 이용한 조직 염색에서는 MIR172b와 SNB의 발현 영역이 비늘조각에서 겹쳐 두 유전자의 조절 관계를 뒷받침했다.
의미와 전망: 기전 검증 계통과 육종 후보의 차이
PE-rSNB에서는 이삭이 지엽의 잎집 밖으로 정상적으로 나오지 못하는 결함도 관찰됐다. 연구진은 SNB 억제 해제의 강도나 조직별 범위가 ld와 달랐을 가능성을 제시했다. SNB 표적 부위 편집은 기전 검증에는 유용했지만, 육종에 활용하려면 이런 결함을 함께 고려해야 한다.
반면 조사한 ld 계통에서는 키, 분얼 수, 이삭당 성숙 종자 수가 각 야생형과 유사했다. 낟알은 조금 짧고 넓어졌으나 천립중, 즉 낟알 1,000개의 무게에는 유의한 차이가 없었다. 이 결과는 MIR172b 기능상실 대립유전자가 폐화수정 벼 육종의 후보 자원이 될 수 있음을 뒷받침한다. 모든 환경에서 수량이 같다는 의미로 확대할 수는 없다.
SNB가 어떤 하류 유전자를 조절하고 세포 분열·팽창·정체성 중 무엇을 바꾸는지는 미해결이다. 폐화수정의 유전자 이동 억제 효과 역시 포장에서 직접 평가해야 한다. 이번 연구는 꽃의 열림을 조절할 유전적 표적과 육종 후보를 구체화했다. 연구 방법과 결과는 Plant Physiology 논문 전문에서 확인할 수 있다.
Cleistogamy, or self-fertilization of a closed flower, can limit unintended gene flow and may contribute to varietal purity in rice (Oryza sativa), with potential value for transgene containment. We previously identified the natural cleistogamous mutant lodiculeless spikelet (ld). Here, using map-based cloning, we show that ld carries a 4.6-kb deletion encompassing the entire MICRORNA806a (MIR806a) precursor and the upstream region of the MIR172b locus. CRISPR/Cas9-mediated editing of the MIR806a or MIR172b locus demonstrated that the loss of accumulation of miR172b, but not miR806a, is responsible for the cleistogamy phenotype of ld plants. Small RNA sequencing confirmed that miR172b is nearly absent in ld mutants. Among the five APETALA 2 (AP2)-like genes harboring miR172b target sites, only SUPERNUMERARY BRACT (SNB) transcripts accumulated to significantly higher levels in young ld panicles than the wild type. Prime editing of the miR172-binding site in SNB generated a miR172-resistant SNB transcript isoform that reproduced the vestigial lodicule phenotype, indicating that the derepression of SNB transcript accumulation is sufficient to alter lodicule development. Histological analysis of rice harboring the GUS reporter gene driven by the MIR172b or SNB promoter revealed a strong overlap between the MIR172b and SNB expression domains in developing lodicules, supporting their regulatory relationship. Together, these results identify the miR172b-mediated repression of SNB transcript abundance as an important regulatory module for lodicule development and cleistogamy in rice. The agronomically neutral ld alleles represent valuable genetic resources for developing cleistogamous rice cultivars.
폐화수정 벼를 육종할 때는 꽃이 닫히는 형질과 정상적인 이삭 발달·종자 생산을 함께 살펴야 한다. 이번 연구는 MIR172b 기능상실 대립유전자를 후보 품종에 도입하고, 주요 농업형질을 유지하는 계통을 선발할 근거를 제공한다. SNB 결합 부위를 직접 편집한 계통에서는 이삭이 잎집 밖으로 나오지 못하는 결함이 나타나, 같은 조절축이라도 표적과 조절 범위에 따라 결과가 달라질 수 있었다.
구체적인 적용 시나리오는 후보 계통을 선발한 뒤 실제 포장에서 교잡률과 농업형질을 함께 평가하는 것이다. 품종 순도 관리나 형질전환 유전자 이동 감소에 유용할 가능성은 있지만, 폐화수정만으로 유전자 이동을 완전히 막는다고 판단할 근거는 아직 없다.