- 서울대 그린바이오과학기술연구원 종자생명과학연구소 이동근 연구조교수 연구 과제 소개

작물 생명공학을 포함한 작물/종자 개발은 전 세계가 공통적으로 공급자 중심에서 소비자 중심으로, 양적인 개선에서 질적인 개량으로 변화하고 있으며 최종적으로 환경 친화적 작물 육성으로 관점이 변화되고 있다. 이런 연구 전략은 결국 작물 개발 시작점에서부터 긍정적인 소비자의 선택과 관심을 유도 할 수 있을 것이라 판단된다. 이에 부응하는 최신 생명공학 작물 개발 방법은 CRISPR/Cas9를 이용한 유전자 교정방법으로 글로벌 종자회사들은 이를 집중 도입하고 있으며, 특히 서울대학교 평창캠퍼스의 그린바이오과학기술연구원 종자생명과학연구소(연구소장: 김주곤 교수)도 이런 최첨단 CRISPR/Cas9 유전자 교정을 이용한 작물 육종을 다양한 식량/원예 작물들을 대상으로 진행하고 있다. 이와 더불어 종자생명과학연구소는 보편적으로 사용되는 작물육종 방법인 돌연변이 육종과 최첨단 분자생물학 기술인 분자센서를 결합하여 창의적인 작물 개발 연구를 동시에 도전적으로 진행하고 있다.

미래 농업의 경제적 핵심 작물이 될 환경 친화적 작물 개발은 대한민국에서 시급하게 추진되어야 할 연구주제로 인지되고 있으며, 지난 50년 동안 세계인구의 기하급수적인 증가와 비례하여 식량 증산의 요구를 과학적 관개 설비와 비료 개발/사용으로 충족시켰고, 그로인해 대한민국뿐만 아니라 전 세계적으로 식량 생산력을 높이기 위해 질소, 인산, 칼륨이 주성분인 비료 사용량이 꾸준히 증가하고 있다. 이 중에서 질소비료는 비점(非點) 오염의 주된 원인으로 많은 환경 문제들을 야기하고 있고, 그 심각한 문제들의 예로는 해로운 녹조류 생성, 해수의 산소 부족, 물고기 폐사와 유용 식물들의 멸종에 의한 생물종 다양성의 손실 등을 말할 수 있다. 제기된 심각한 문제점들을 해결하기 위한 가장 단순하고 확실한 방법은 적은양의 질소비료를 사용하고도 높은 식량 생산을 유도하는 방법이며, 이에 관한 과학적인 연구의 필요성과 질소이용효율 극대화 작물 육성의 중요성이 크게 부각 되고 있다. 종자생명과학연구소 작물생명공학연구실 이동근 박사는 자연 상태 또는 적은 질소비료사용 조건에서 작물의 질소이용효율(nitrogen-use-efficiency)을 높이는 연구를 대한민국 식량안보에 중요한 작물인 벼를 이용하여 수행하고 있다.

질소분자센서와 돌연변이 육종을 결합한 질소이용효율 극대화 작물 개발 연구 전략

지금까지 질소이용효율에 관한 연구는 질소 특이적 형질의 부재로 질소 관련 작용기작의 연구 성취가 더디게 진행되고 있으며, 이런 이유 때문에 질소이용효율이 극대화 된 작물 육성의 성과도 전 세계적으로 전무한 상태다. 이런 질소 연구 접근의 한계성을 이동근 박사는 최첨단 분자생물학 기술인 질소분자센서를 이용하여 극복하였으며 창의적으로 도입된 질소분자센서는 기본적으로 루시페나아제를 이용한 것으로, 질소원이 풍부한 상태와 결핍한 조건을 인지하여 질소원 조건에 따라 서로 다르게 발광함으로써 작물 내 질소량의 상태를 알 수 있다. 이런 질소분자센서가 삽입된 벼를 대상으로 화학적 돌연변이원인 EMS를 처리하여 돌연변이벼 집단을 제작하였고 이런 대량 돌연변이벼 집단에서 적은 질소조건에서도 질소이용효율이 좋은 돌연변이벼를 질소분자센서를 이용하여 선별하고 있다.

질소이용효율이 극대화된 돌연변이벼 선별 후, 형질에 변화를 가져다준 돌연변이 유전자 분리를 진행하고, bulk segregant analysis와 최신 유전체 분석법인 next generation sequencing을 이용하여 연구가 진행된다. 선별된 돌연변이벼와 분리된 유전자는 학문적 탐구를 위해 분자생물학적 연구를 계속 진행할 것이며, 본 연구를 바탕으로 질소이용효율이 극대화된 벼를 위한 실용화 진행도 동시에 추진한다. 본 연구에서 만들어지는 화학적 돌연변이체는 사회적으로 부정적인 인식이 강한 GMO의 범주에 속하지 않는 작물로 소비자 선호와 친환경 실용화의 장점이 큰 연구 전략으로 최고의 질소이용효율을 유도해내는 핵심 유전자의 최초 선점과 함께 특허권 확보를 통하여, 향후 글로벌 종자 산업에서 대한민국의 작물/종자 경쟁력을 높일 것으로 기대된다.