배경

보리두갈래진딧물(greenbug, Schizaphis graminum)은 전 세계 밀(wheat) 생산지를 위협하는 대표적 흡즙성 해충이다. 주둥이를 체관에 찔러 넣어 양분을 탈취하고 유독성 타액 물질을 식물체 내부로 직접 분비한다. 독소가 퍼지면 엽록소가 파괴되면서 잎 전체가 누렇게 마르는 황화 현상과 조직 괴사가 잇따르는 실정. 피해 농가에서는 맥류 수확량이 절반 이하로 급감하기도 한다.

농가에서는 화학 살충제를 살포해 방제에 나섰으나 내성을 획득한 진딧물 집단이 확산하며 약효가 급감한 상황. 농약 남용에 따른 환경 오염 문제까지 겹치면서 작물 스스로 해충을 물리치도록 유도하는 저항성 품종 개발이 근본 대안으로 떠올랐다. 야생 근연종에 존재하는 천연 방어 인자를 전통 교배 육종으로 도입하려는 시도가 꾸준히 이어진 배경.

가장 큰 난관은 진딧물의 빠른 변이 속도였다. 현장에 저항성 밀 품종이 보급될 때마다 진딧물은 방어벽을 우회하는 새로운 생태형(biotype)으로 빠르게 분화했다. 학계에서는 여러 생태형을 동시에 방어할 유력 후보로 7D 염색체에 위치한 Gb3 유전좌위에 주목해 온 터. 하지만 해당 유전자가 세포 내부에서 어떤 구조를 갖추고 면역 체계를 가동하는지, 분자 수준의 실체는 장기간 미지의 영역으로 남았던 상황.

핵심 발견

네이처 제네틱스(Nature Genetics)에 실린 이번 연구는 밀의 Gb3 유전자가 식물 면역계에서 보기 드문 다중 도메인 복합 단백질을 암호화한다는 사실을 밝혔다. 정밀 유전체 분석과 클로닝 결과 Gb3 단백질은 세포 내부에서 활성을 띠는 인산화효소(kinase)와 촉매 기능이 결손된 위인산화효소(pseudokinase)가 직렬 결합된 탠덤 구조를 이룬다. 여기에 식물 저항성 인자에서는 유례를 찾기 힘든 미토겐 활성화 단백질 키나아제 키나아제 키나아제(MAP3K) 유사 도메인이 결합된 복합체 형태라는 분석.

기존에 보고된 대다수 작물 저항성 유전자는 뉴클레오티드 결합 류신 풍부 반복(NLR) 단백질 계열에 집중됐다. 반면 Gb3는 세포 내부에서 방어 신호를 직접 증폭하는 인산화효소 복합 구조를 선택해 기존 면역 체계와 뚜렷한 차이를 보인다. 구조 생화학 분석 결과, 촉매 활성을 지닌 인산화효소 영역과 조절 역할을 맡은 위인산화효소 영역이 상호작용하며 면역 반응 강도를 정교하게 조율하는 구조.

다양한 진딧물 변이 생태형을 대상으로 수행한 저항성 검정에서 Gb3 발현 개체는 뛰어난 방어 효능을 증명했다. 진딧물이 구침을 찔러 타액을 분비하는 초기 침입 단계에서 Gb3 복합체는 세포 내 인산화 연쇄 반응을 즉각 촉발시켰다. 접종 실험 결과 해충의 섭식 행동이 뚜렷하게 저지되며 체류 개체수가 대조군 대비 대폭 감소했고, 엽육 조직의 괴사 면적 역시 현저히 줄어든 대목. 단일 저항성 유전자가 복수의 변이 생태형을 동시에 제어할 수 있음을 입증한 셈이다.

의미와 전망

복수의 진딧물 생태형을 단일 인자로 무력화하는 분자 기전을 밝혀냄으로써 작물 면역학은 새로운 전기를 맞았다. MAP3K 유사 도메인과 탠덤 인산화효소의 결합은 식물이 곤충의 공격 신호를 감지해 면역 경로로 곧장 연결하는 진화적 산물이라는 해석. 흡즙성 해충과 기주 식물 사이의 오랜 군비경쟁을 분자 수준에서 조망할 학술적 기틀이 마련됐다.

산업적으로는 유전자 방어력을 극대화한 다중 저항성 밀 품종 조기 개발이 가시권에 들어왔다. 화학 농약 의존 방제에서 벗어나 식물 자체의 면역 장치를 가동하므로 친환경 영농 체계를 구축할 기회. 유전자 편집 기술로 밀뿐만 아니라 보리와 호밀 등 다른 맥류 작물에도 유사 도메인 구조를 구현하는 후속 연구가 속도를 낼 전망이다.

실제 상용화에 앞서 풀어야 할 과제도 상존한다. Gb3 복합체가 진딧물 침샘 분비물 중 어느 특정 분자와 직접 결합하는지 규명하는 후속 구조 연구가 요구되는 시점. 저항성 유전자를 상업 품종에 도입했을 때 식물체의 생육 속도나 곡실 수확량에 부담을 주는 생리적 비용이 존재하는지 여부도 실제 포장 시험으로 검증해야 할 숙제다.