질소는 식물생장에 필요한 필수성분이지만, 최근 질소비료의 과다 사용으로 강이나 호수에 유입되어 환경오염과 같은 부작용을 유발시키고 있다. 또한 아질산 가스 등으로 배출되어 지구 온난화에도 영향을 준다. 이에 따라 질소 시비량을 감소시키려는 연구가 국가별로 다양하게 수행되고 있다. 최근 미국 스탠포드 대학 연구진은 콩의 뿌리에 서식하는 질소고정 미생물의 유전적 메커니즘을 규명하여, 향후 질소비료를 대체하고 친환경 농업을 발전시킬 수 있는 획기적인 연구 성과를 사이언스 (Science) 지 (2010년 2월 26일자)에 발표하였다.

이번 연구의 책임자인 샤론 롱(Sharon Long) 박사는 “우리는 식물체가 공생 박테리아의 활동을 어떻게 조절하는 지를 밝혀 주는 새로운 유전자를 밝혔다” 면서 “이들 식물체는 지금까지 알려지지 않은 새로운 단백질을 이용하여 질소 고정 작용을 조절한다”고 설명하였다. 즉, 이번 연구 성과의 핵심내용은 특정 화학신호를 유도하여, 공생 박테리아에게 질소고정을 개시하는 식물체의 유전자를 밝혀낸 것이다.

콩과 식물은 공기중의 질소를 식물체가 이용할 수 있는 형태로 뿌리 내에서 고정하는 능력을 가지고 있는데, 이로 인해서 재배 후에는 토양이 비옥해 진다. 이런 이유로 콩과 식물과 다른 작물을 교대로 재배하는 것이 수천 년 동안 전세계에서 이어온 재배 관행이었다. 그러나 최근 까지도 질소 고정의 분자생물학적 과정이나, 콩과 식물만이 다른 작물과 달리 이런 능력이 우수한 지에 관해서는 자세히 알려지지 않고 있다. 질소고정 박테리아는 콩과 식물(콩, 팥, 알파파. 클로버 등)의 뿌리혹(nodule)에 서식하면서 공기중의 질소를 식물이 흡수가 가능한 형태인 암모니아로 전환시킨다. 이런 질소 고정능 때문에 잘소 성분이 척박한 토양에서도 콩과 식물체가 자랄 수 있게 도와주는 반면, 다른 작물에는 화학비료를 별도로 공급해 주어야 한다.

이번 연구에서 연구진이 이용한 대상은 ‘배럴 메딕(barrel medic)’ 이라고 불리는 알파파와 유사한 콩과 식물체인데, 유전자 변형을 통해 정상적인 뿌리혹을 만들지 못하는 돌연변이체를 제작하였다. 연구진은 이 돌연변이체에서도 정상체처럼 질소고정 박테리아가 서식하고 있었고, 질소 고정에 필요한 전구체를 생성하였지만, 전구체를 변형시키는 핵심효소가 결핍되어 결국 뿌리혹이 생기지 않았다. 연구진은 이 돌연변이 식물체와 정상 개체의 유전체를 비교하여, 문제의 원인이 되는 유전자를 발견하였고, 이 유전자를 정상 유전자로 치환하였을 때 다시 정상적으로 뿌리혹이 생겨난 것을 확인하였다.

1960년 이래 미국내의 질소 비료 사용량은 네 배 가량 증가하였고, 상승한 질소 비료가격은 농부들에게 큰 부담이 되고, 곡물가격을 높인다고 롱 교수는 설명하였다. 또한 토양에 투입된 질소 비료는 강이나 호수로 유입되어 산성화나 부영양화를 일으키고, 분해 산물인 아질산 가스(nitrous oxide)는 강력한 온실가스로 온난화의 주범이라고 전문가들은 예측한다. 따라서, 뿌리혹 박테리아의 농업적 활용은 화학 비료의 사용을 줄이고, 식량 생산성을 높이며 환경을 보호할 수 있는 매우 중요한 연구과제이다 (GTB2010030006).

샤론롱 교수는 “우리가 연구하는 토양은 매우 복잡한 생태계인데, 콩과 식물과 박테리아의공생 (symbiosis)에 관한 연구를 통해 공생작용이 없는 다른 식물체를 이해할 수 있다” 고 설명하며 “ 생육이 우수한 작물을 개발하는 육종업자들에게 우리의 연구가 매우 중요한 단서가 될 것” 이라는 기대감을 밝혔다. 또한 “질소 비료의 투입량을 줄게 되어 결국 환경 오염의 피해도 줄여 줄 것” 이라고 이번 연구결과의 의의를 덧붙였다.

이번 연구는 하워즈 휴즈 의학연구소 (Howard Hughes Medical Institute , 헬렌 헤이 휘트니 재단 (Helen Hay Whitney Foundation), 미 과학재단 (National Science Foundation)의 연구비 지원으로 수행되었다.

- 사진설명: 콩과식물에서 질소고정박테리아(왼쪽)와 뿌리혹(오른쪽)의 전자현미경 사진

- 원문기사: 스탠포드 대학 홈페이지 (http://news.stanford.edu/news/2010/february22/legumes-nitrogen-fertilizer-022610.html)

- 관련논문 : A Nodule-Specific Protein Secretory Pathway Required for Nitrogen-Fixing Symbiosis, 2010, Science 1126-1129. (http://www.scienceonline.org/cgi/content/abstract/327/5969/1126)

출처 : http://news.stanford.edu/news/2010/february22/legumes-nitrogen-fertilizer-022610.html

제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2010.03.10 18:16

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