배경

현대 농업 육종은 개별 작물의 단일 수확량을 극대화하는 방향으로 발전해 왔다. 단일 품종 중심 선발 육종은 당해 연도 생산성을 끌어올리는 데 기여했으나, 연작 장해와 토양 생태계 악화라는 구조적 한계를 낳았다. 농경지에서는 토양 지력을 보충하고 병해충 번식을 억제하기 위해 서로 다른 작물을 번갈아 심는 윤작 체계를 널리 활용한다. 실제 재배 현장에서는 앞선 작물이 수확된 뒤에도 잔류 유기물과 뿌리 분비물이 흙에 남아 다음 계절에 자라는 후속 작물의 생육에 직접적 영향을 미친다. 이를 식물-토양 피드백(Plant-Soil Feedback, PSF) 또는 토양 유산(soil legacy)이라 부른다.

문제는 기존 농작물 개량 프로그램이 이러한 토양 유산 상호작용을 완전히 배제한 채 진행됐다는 사실이다. 육종가들은 대상 작물 한 종만을 독립된 포장에 심어 형질을 평가했을 뿐, 해당 작물이 토양 미생물상이나 영양 균형에 남기는 변화가 이듬해 심길 후속 작물에 어떤 파급력을 미치는지 추적하지 않았다. 농가에서는 특정 콩과 작물을 재배한 뒤 옥수수를 심었을 때 품종 조합에 따라 생산성 편차가 극심하게 벌어지는 현상을 경험하면서도, 명확한 원인을 규명하지 못한 채 화학 비료와 농약 투입량에 의존해 문제를 해결하려 했다.

핵심 발견

네이처 제네틱스(Nature Genetics)에 발표된 이번 관점(Perspective) 논문은 작물이 토양에 남기는 생화학적·미생물학적 흔적이 단순한 환경 요인이 아니라, 품종 고유의 유전적 요인(Genetics)에 의해 결정된다는 실증적 분석을 제시했다. 연구진은 동일한 작물 종이라도 어떤 대립유전자를 보유했느냐에 따라 뿌리 분비물의 페놀류 및 유기산 조성이 달라지며, 이것이 근권 미생물 군집 구조와 잔류 질소 고정량을 좌우한다고 설명했다.

특히 주목할 대목은 토양 유산의 크기와 질이 품종 간 유전적 변이에 크게 좌우된다는 관찰이다. 실험 분석에 따르면 특정 밀 품종은 후속 콩과 작물의 결절 형성을 돕는 유익균을 토양에 집적시키는 반면, 다른 품종은 병원성 진균의 포자를 토양에 잔류시켜 다음 작물의 초기 발근을 저해했다. 즉, 작물의 유전 형질이 당해 연도 수확량뿐 아니라 토양이라는 매개체를 거쳐 차기 작물의 표현형까지 간접 제어하는 셈이다.

연구팀은 단일 작물의 단일 계절 수확량만을 지표로 삼던 전통 육종 체계를 전면 수정해야 한다고 제안했다. 개별 품종의 독립 평가를 넘어, 2년에서 4년에 걸친 전체 윤작 주기(rotation cycle)의 누적 생산성과 자원 이용 효율을 최적화하는 다작물 통합 육종 체계가 대안으로 제시됐다. 선행 작물과 후속 작물의 유전형 간 상호작용을 정량화함으로써, 앞선 작물이 비료 역할을 분담하고 토양 매개 병원균을 억제하도록 유전적 조합을 맞춤 설계하는 전략이다.

의미와 전망

이번 제안은 화학 비료와 살균제 사용을 획기적으로 줄여야 하는 글로벌 농업계에 새로운 육종 패러다임을 던져준다. 토양 건강을 유지하기 위해 투입재를 사후 살포하던 방식에서 벗어나, 작물의 유전적 특성 자체를 토양 환경 개선 도구로 활용하는 길을 열었기 때문이다. 윤작 체계 내 작물 간 유전적 호환성이 규명되면, 농가는 비료 투입을 최소화하면서도 윤작 주기 전반의 총수확량을 안정적으로 확보할 수 있다.

다만 이 방식을 육종 산업에 전면 도입하기까지는 해결해야 할 과제가 적지 않다. 여러 작물의 유전형 조합을 다년간 교차 검증해야 하므로 육종 시험 포장 면적과 평가 기간이 기존 대비 서너 배 이상 늘어날 수밖에 없다. 토양 미생물상과 기후 조건에 따른 유전-환경 상호작용(GxE)의 복잡성을 통제하는 일도 만만찮다. 연구진은 대규모 포장 평가 비용을 줄이기 위해 메타게놈 분석과 기계학습 기반 예측 모델을 결합해 토양 유산 형질을 사전 선별하는 기술 개발이 병행되어야 한다고 덧붙였다.