배경

재배종 땅콩(Arachis hypogaea)은 전 세계 식용 유지와 단백질 공급을 지탱하는 핵심 두과 작물이다. 건조와 척박한 토양 환경에서도 생육이 가능해 열대 및 아열대 농업에서 경제적 가치가 높다. 그러나 야생종 간의 자연 교잡과 배수화(polyploidization)를 거치며 형성된 탓에 유전적 다양성이 협소하다는 취약점을 안고 있었다. 단일 기준 유전체(reference genome) 정보만으로는 복잡한 이질사배체(allotetraploid) 구조 전체를 해석하는 데 뚜렷한 한계가 존재했다.

기존 작물 연구는 표준 품종 하나를 기준으로 삼아 유전체 서열을 조립해 왔다. 이러한 방식은 품종 간에 유실되거나 새로 생겨난 유전자, 대규모 구조적 변이(structural variation, SV)를 포착하지 못하는 결측(missing data) 문제를 낳는다. 특히 땅콩은 개화 주기, 착투(pod development), 초형(plant architecture) 같은 주요 농업 형질이 품종마다 극적인 차이를 보임에도 이를 분자 수준에서 설명할 다각적 유전 정보가 부족했다. 유용 유전자가 어디에 위치하며 어떤 변이가 표현형을 유도하는지 정밀하게 추적할 유전체 청사진이 요구되던 배경이다.

핵심 발견

국제 연구진은 재배종 땅콩 10개 대표 품종의 유전체를 새로 합성·조립(de novo assembly)하여 통합 판게놈(pan-genome)을 구축했다. 나아가 전 세계에서 수집한 2,320개 유전자원(germplasm accessions)을 대상으로 전장 유전체 재시퀀싱(whole-genome resequencing, WGRS)을 수행해 방대한 유전적 다형성을 전수 조사했다.

분석 결과, 단일 기준 유전체에서는 누락됐던 대규모 삽입·결손(insertion and deletion) 및 염색체 역위(inversion)를 포함한 다수의 SV가 밝혀졌다. 연구진은 판게놈 데이터를 바탕으로 전장 유전체 연관 분석(genome-wide association study, GWAS)을 전개해 농가 수익과 직결되는 핵심 형질 좌위를 특정했다. 대표적으로 조기 개화와 균일한 결실을 유도하는 개화 시기 조절 유전자 좌위, 줄기 신장을 억제해 도복(쓰러짐) 저항성을 높이는 왜성(dwarfism) 관련 핵심 유전자들이 규명됐다.

단순 염기서열 변이(single nucleotide polymorphism, SNP) 수준에 머물렀던 과거 분석과 견주어, 대규모 구조 변이가 유전자 발현량 변화를 직접 조절하는 기전까지 입증했다는 사실이 두드러진다. 왜성 표현형을 보이는 계통에서는 특정 조절 영역 내 구조 변이가 성장 호르몬 신호 전달 유전자의 전사 효율을 변형시키는 양상이 관찰됐다. 2,320개에 달하는 유전자원 스펙트럼은 품종 분화 과정에서 보존되거나 탈락한 유전자 군집의 흐름을 뚜렷하게 보여준다.

의미와 전망

이번 판게놈 지도는 기후변화에 대응할 맞춤형 작물 개량의 분자 가속페달 역할을 맡게 된다. 가뭄과 고온 스트레스가 상시화되는 현대 농업 환경에서 개화기를 자유롭게 조절하고 초형을 콤팩트하게 다듬는 기술은 수확량 확보의 필수 조건이다. 동정된 왜성 좌위를 분자표지(molecular marker)로 변환하면 왜화 품종 선발 기간을 수년 이상 단축할 수 있다.

농가 재배 효율성 개선도 기대되는 대목이다. 키가 작고 조밀한 초형을 갖춘 품종은 기계화 수확에 유리하며 병해충 관리 비용을 크게 낮춘다. 아울러 개화 집중도를 제어해 성숙기가 제각각이던 꼬투리 발달 불균일을 해결하면 상품성 높은 고품질 종실 수확이 가능해진다.

다만 방대한 유전체 데이터가 즉각적인 품종 상용화로 직결되기까지는 넘어야 할 산이 남아 있다. 사배체 작물 특유의 유전적 중복성으로 인해 특정 대립유전자(allele) 편집 시 원치 않는 대사 간섭이 일어날 가능성을 배제하기 어렵다. 발굴된 유전자 좌위의 표현형 발현을 다양한 재배 환경에서 실증 검증하는 후속 포장 시험이 뒷받침되어야 한다.