배경

녹색진딧물(greenbug, Schizaphis graminum)은 전 세계 밀 재배지에서 심각한 수확량 감소를 유발하는 흡즙성 해충이다. 진딧물이 잎의 체관액을 빨아들이는 과정에서 주입하는 독성 타액은 엽록소를 파괴하고 식물체 조직을 괴사시키는 주원인으로 꼽힌다. 과거부터 농가에서는 살충제에 의존해 방제를 시도했으나, 약제 내성을 획득한 진딧물 변종이 잇따라 출현하며 방제 효율은 급격히 떨어졌다. 살충제 남용에 따른 환경 오염과 생태계 교란 문제 역시 지속 가능한 농업을 위협하는 심각한 걸림돌이었다.

이에 따라 학계는 약제 살포 대신 작물 자체의 유전적 면역력을 강화하는 전략에 주목해 왔다. 밀의 야생 근연종인 타우시염소풀(Aegilops tauschii)은 거친 야생 환경에서 강력한 병해충 저항성 유전 자원을 보존해 온 보고로 통한다. 육종학자들은 이 야생종에서 유래한 저항성 인자를 보통계 빵밀로 도입해 TAM112 같은 저항성 품종을 성공적으로 육성했다. 하지만 저항성을 부여하는 핵심 유전자의 실체와 구체적인 분자 방어 기전은 오랜 세월 미지의 영역으로 남아 있었다.

핵심 발견

미국 농무부 농업연구청(USDA-ARS)과 국제 공동 연구진은 오랜 기간 7D 염색체에 위치한다고만 알려졌던 저항성 유전자 Gb3의 분자 구조를 규명했다. 연구진이 지도 기반 유전자 클로닝 기법으로 분리해 낸 Gb3는 세포 내부에서 작동하는 독특한 키나아제-유사인산화효소(kinase-pseudokinase) 융합 단백질을 암호화한다. 식물 면역 신호 전달에 관여하는 유사 마이트젠 활성화 단백질 키나아제(MAP3K) 도메인이 변형된 채 결합한 특이 형태였다. 유전체 비교 분석 결과, 이 유전자는 보리속과 밀속을 아우르는 트리티케애(Triticeae) 족의 진화 과정에서 유전자 중복과 삽입·결실이 연쇄적으로 일어나며 형성된 것으로 확인됐다.

이번 연구는 지난 수십 년 동안 독립된 저항성 유전자로 분류되던 여러 유전자의 혼란스러운 계통을 정리했다는 평가를 받는다. 7D 염색체에 존재한다고 보고됐던 Gb4, Gb7, Gb8, Gb9, 그리고 Gb49921은 별개의 유전자가 아니라 모두 Gb3와 동일한 단일 좌위였음이 드러났다. 또 다른 저항성 인자로 취급받던 Gb5 역시 Gb3의 기능성 대립유전자로 밝혀지면서 밀 해충 저항성 명명 체계의 오랜 난제가 말끔히 해소됐다.

방어 기전의 작동 양상에서도 뚜렷한 대조가 나타난다. Gb3가 결핍된 감수성 밀은 진딧물 섭식 초기에 과도하고 통제 불능인 산화 스트레스 반응을 일으키며 스스로 조직 손상을 키웠다. 반면 Gb3를 발현하는 저항성 밀은 세포 내 지질 신호전달 경로를 즉각 가동했다. 옥실리핀(oxylipins)을 비롯한 식물 방어 2차 대사물질을 단시간에 대량 분비해 진딧물의 체관 흡즙 행동을 물리적으로 억제하는 방식이다. 연구진은 감수성 밀 품종인 필더(Fielder)에 Gb3 유전자를 형질전환 방식으로 도입한 뒤 여러 진딧물 생태형을 상대로 뛰어난 저항성이 온전히 재현됨을 입증했다.

의미와 전망

Gb3의 구조와 대립유전자 구성이 명확해짐에 따라, 밀 육종 현장에서는 분자표지를 활용한 정밀 선발이 한층 탄력을 받게 됐다. 과거에는 진딧물을 직접 접종하고 잎의 병징을 육안으로 관찰해야 했기에 선발 과정에 수 주일이 소요됐고 환경 요인에 따른 오차도 컸다. 이제는 유전자형 분석만으로 저항성 유무를 유묘 단계에서 정확히 판별할 수 있다. 분자 육종의 정확도와 선발 속도를 비약적으로 끌어올릴 수 있는 전환점이다.

야생 유전자원의 실질적 가치를 재확인했다는 점도 주목할 만하다. 현대 작물화 과정에서 소실된 야생 근연종의 면역 유전자가 기후변화 시대의 식량 안보를 지킬 든든한 방패가 될 수 있음을 보여준다. 다만 해충의 빠른 적응력은 경계해야 할 과제다. 단일 저항성 유전자를 대규모 포장에 장기간 재배할 경우, Gb3의 방어벽을 우회하는 새로운 진딧물 변이형이 출현할 위험이 늘 도사린다. 다른 방어 메커니즘을 지닌 유전자와의 피라미딩(집적) 육종 전략을 병행하며 유전적 저항성의 수명을 관리해야 하는 이유다.