식물 프라임 편집 효율 극대화로 고추의 저항성 변이를 토마토에 정밀 이식하고 다중 내병성을 구축하다
배경
작물 재배 현장에서 세균성 병해는 생산량을 급감시키는 주된 요인이다. 기후변화로 재배 환경이 불안정해지면서 복합 병원균에 대한 저항성을 확보하는 육종 기술의 중요성이 커졌다. 전통 육종 방식은 원하는 저항성 대립유전자를 도입하기 위해 수차례 여교배를 거쳐야 하므로 품종 개발에 수년 이상의 기간이 소요된다. 염색체 연관으로 원치 않는 야생형 유전자까지 함께 도입되는 연관항력 문제도 큰 걸림돌이었다.
크리스퍼 유전자 가위(CRISPR-Cas9)를 활용한 표적 염기서열 절단 기술이 도입되었으나, 이중가닥 절단(DSB)에 의존하는 방식은 무작위 삽입과 결실을 유발해 의도한 정밀 변이를 유도하기 어려웠다. DNA 절단 없이 목표 부위의 염기 치환과 삽입, 결실을 정밀하게 수행하는 프라임 편집(Prime Editing, PE)이 대안으로 떠올랐다.
문제는 단자엽 작물인 벼와 달리 토마토 같은 쌍자엽 작물에서는 프라임 편집기의 작동 효율이 매우 낮았다는 사실이다. 여러 유전자를 동시에 교정하는 다중 편집 시스템 구축 역시 까다로웠다. 야생종이나 근연종 작물이 보유한 유용한 자연 변이를 상업용 품종에 빠르고 정밀하게 재현하면서 복수 병원균에 대응할 수 있는 고효율 유전체 교정 플랫폼 개발이 절실했다.
핵심 발견
연구진은 쌍자엽 대표 작물인 토마토(Solanum lycopersicum)에 최적화된 프라임 에디터 체계를 새롭게 설계했다. 구조 개량을 거친 토마토용 프라임 에디터 세 종류(TomPE2, TomPE6c, TomPE7)를 제작하고, 배양 온도와 편집기 구조에 따른 작동 활성 및 정밀도를 체계적으로 검증했다. 세 에디터 가운데 TomPE6c는 표적 외 변이를 최소화하면서 가장 높은 비율의 정밀 편집 효율을 기록했다.
연구진은 구축한 편집 플랫폼을 바탕으로 고추에서 발견된 천연 병저항성 대립유전자를 토마토 유전체에 정밀 재현하는 실험에 착수했다. 시스테인 풍부 막단백질 계열인 CYSTM 도메인 단백질을 암호화하는 SlBs5 및 SlBs5L 유전자에서 류신 아미노산 잔기 2개를 정밀하게 결실시켰다. 이 두 아미노산 결실을 유도한 교정 토마토 계통은 세균성점무늬병균인 잔토모나스(Xanthomonas)에 대한 저항성이 크게 향상됐다. 다른 작물 종에서 확인된 유용 변이를 인접 작물에 정밀 이식해 동일한 방어 기능을 구현할 수 있음을 증명한 셈이다.
이와 병행하여 연구진은 병원균 감수성에 관여하는 SlDMR6 유전자에 조기 종결 코돈을 도입해 유전자 기능을 억제했다. 그 결과 해당 교정체는 Xanthomonas뿐 아니라 궤양병균인 슈도모나스 시링게(Pseudomonas syringae)를 상대로도 강력한 복합 저항성을 나타냈다.
전사체 프로파일링(Transcriptome profiling) 분석 결과 두 저항성 유전자는 서로 다른 면역 기전을 작동시켰다. Slbs5와 Slbs5L 변이체는 평소에는 면역 반응을 억제하다가 병원균 침입 시 신속하게 방어 반응을 유도하는 병원균 유도 방어 상태를 보였다. 반면 Sldmr6 변이체는 병원균 감염 전부터 방어 관련 유전자의 발현 수준이 상향된 기저 방어 상태를 유지했다.
연구진은 복수의 가이드 RNA를 모듈화하여 단일 세대에서 여러 유전좌위를 동시에 교정하는 다중 프라임 편집 체계도 완성했다. 단 한 번의 형질전환 과정으로 상이한 방어 경로를 지닌 저항성 대립유전자와 발현 조절 변이를 한 세대 만에 축적하는 데 성공했다. 도입된 변이는 다음 세대로 안정적으로 유전되었으며, 고온 환경에서도 저항성 표현형이 흔들림 없이 유지됐다.
의미와 전망
이번 연구는 단자엽 작물 중심이던 프라임 편집 기술을 주요 쌍자엽 채소 작물인 토마토로 성공적으로 확장하고, 자연계의 유용한 변이를 실험실에서 직접 재현할 수 있음을 입증했다. 다른 종의 우수 형질을 이종 교배 없이 몇 염기 수준의 정밀 교정만으로 구현할 수 있음을 보여줌으로써 신품종 개발 패러다임을 바꿀 기초를 놓았다.
특히 병원균 유도 방어와 기저 방어라는 상이한 면역 메커니즘을 단일 세대 내에서 다중 결합한 전략은 병원균의 변종 출현으로 저항성이 쉽게 무너지는 문제를 극복하는 강력한 무기가 된다. 기후 온난화에 따른 이상 고온 환경에서도 안정적인 내병성을 유지했다는 사실은 향후 복합 환경 스트레스 저항성 작물 육성에 긍정적인 신호다.
상업적 현장 적용을 위해서는 몇 가지 후속 과제가 남아 있다. 형질전환체에서 외래 벡터 유전자가 완전히 제거된 무도입(transgene-free) 순계 식물체를 효율적으로 선별하고 대량 증식하는 기술이 뒷받침되어야 한다. 토마토 외에 고추, 감자, 가지 등 다른 가지과 작물로 적용 범위를 넓힐 때 조직 배양과 재분화 효율의 품종 간 편차를 극복하는 최적화 연구도 이어져야 한다.
Prime editing enables precise modification of plant genomes and provides a means to recreate beneficial alleles underlying agronomically important traits. However, efficient and multiplexable prime editing systems remain limited in dicot crops. Here, we developed optimized prime editing systems for tomato (Solanum lycopersicum) and applied them to engineer and stack disease-resistance alleles. Using three tomato prime editors, TomPE2, TomPE6c, and TomPE7, we recreated a naturally occurring resistance-associated deletion identified in pepper by precisely deleting two leucine residues from the CYSTM-domain proteins SlBs5 and SlBs5L. The resulting tomato lines exhibited enhanced resistance to Xanthomonas, demonstrating that a resistance allele can be functionally recreated across related crop species. In parallel, introduction of premature stop codons into the susceptibility gene SlDMR6 conferred resistance to both Xanthomonas and Pseudomonas syringae. Transcriptome profiling revealed distinct defense states: Slbs5/Slbs5L plants predominantly exhibited enhanced pathogen-induced defense responses, whereas Sldmr6 plants showed elevated basal defense. Comparison of prime editor architectures and culture temperatures revealed differences in editing activity and precision, with TomPE6c producing the highest proportion of precise edits. We further developed a modular multiplex prime editing system capable of simultaneously modifying multiple loci, enabling resistance alleles and regulatory variants to be combined within a single generation. The engineered alleles were stably inherited, and resistance phenotypes were maintained under elevated temperature conditions. Together, these results establish prime editing as an effective platform for precise recreation, engineering, and multiplex stacking of disease-resistance alleles and provide a framework for accelerating resistance breeding in crops.
이 기술은 기후변화로 새로운 병원균 변종이 빠르게 확산하는 원예 농업 현장에 맞춤형 방어 품종을 즉각 공급할 수 있는 솔루션을 제공한다. 기존 육종 방식으로 5년에서 7년 이상 걸리던 다중 병저항성 품종 개발 기간을 1~2세대, 즉 1년 안팎으로 대폭 단축할 수 있다. 농가 입장에서는 잔토모나스와 슈도모나스가 동시 발생하는 복합 감염 환경에서도 화학 농약 사용량을 절감하면서 수확량 손실을 방어하는 고저항성 품종을 조기에 도입할 수 있게 된다. 종자 기업 역시 타 작물의 자연 우수 유전자를 신속히 벤치마킹해 계통에 축적하는 모듈형 육종 파이프라인을 구축할 수 있어 글로벌 종자 시장 경쟁력을 강화할 수 있다.