(왼쪽부터) 염선인 교수와 강원희 학술연구교수. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교(GNU) 농업생명과학대학 원예학과 염선인 교수팀과 농업생명과학연구원 강원희 학술연구교수팀은 다양한 병원균에 대한 고추의 저항성 관련 유전자 기능을 규명했다고 밝혔다. 이는 식물이 환경 스트레스에 어떻게 반응하는지를 규명한 것으로, 앞으로 스트레스에 적응하는 다양한 품종을 육성하는 데 크게 기여할 것으로 기대를 모은다.

경상국립대 염선인 교수팀은 가지과 작물인 고추와 환경과의 상호작용을 연구하여 방대한 전사체 빅데이터를 생성하고 이를 토대로 대표적인 내병성 유전자 그룹 ‘RLP 유전자’를 기준으로 복합 발현 네트워크를 분석했다.

주요 조미채소인 고추는 채소작물 가운데 세계적 교역량이 2위에 달한다. 그러나 기후 온난화 등으로 인하여 해마다 고추 역병, 식물 바이러스, 박테리아의 피해를 보고, 최근에는 풋마름 병원균에 의한 피해가 전 세계적으로 심각해지고 있다. 이에 따라 생산량 감소와 품질 저하를 포함한 막대한 경제적 손실이 발생하고 있다.

염선인 교수는 “저항성 품종을 개발하기 위해서는 식물의 저항성 및 면역 기작 연구 등 기반 연구가 선행돼야 한다”며 “최근 농업 분야에서는 생명정보 빅데이터를 활용해 유전자의 기능을 규명하는 기능유전체 분야가 중요해지고 있다. 이를 위해 유전체·전사체를 포함한 다양한 빅데이터 생명 정보를 활용하는 연구가 활발히 진행 중이다”고 연구 배경을 설명했다.

이 가운데 RNA-seq 기법을 통한 전사체 분석은 다양한 환경 및 조건에서 발현되는 유전자 전체와 전사체를 확보해 대량의 유전자 기능 분석에 널리 활용되고 있다. 하지만 전사체 생성에 필요한 비용과 방대한 데이터 분석의 어려움 등으로 인해 아직은 다양한 환경 스트레스에 대응한 대량의 전사체를 생성하고 이들을 통합적으로 분석해 기능을 규명하는 데에는 이르지 못하고 있다.

연구팀은 고추 유전체 정보를 기반으로 식물에서 면역반응에 관련이 있다고 알려진 RLP 유전자군을 고추에서 발굴했다. 이들 중, 내병성과 관련된 유용 형질을 발굴하기 위한 전략으로 고추에 막대한 피해를 일으키는 고추 역병균, 3종류의 바이러스 등 모두 102개의 생물학적 스트레스 반응 전사체를 분석했다.

또 대량의 통합 전사체에 기반한 유전자 발현 네트워크를 구축하여 RLP 유전자의 기능을 예측하고 복합 병원균에 저항하는 주요 유전자를 선발했다. 선발한 주요 RLP 유전자의 면역 관련 기작을 확인하기 위해 고추 역병균을 비롯한 식물바이러스, 세균성점무늬 병원균, 풋마름 병원균과의 상호작용을 연구했다. 그 결과 이 주요 유전자들이 공통적으로 여러 종류의 병원균에 대한 저항성 면역반응에 관여한다는 사실을 밝혀냈다.

이러한 연구 전략은 기존에 응용하던 소수의 유용 유전자 발굴이라는 개념을 넘어, 복합적인 전사체 생명정보를 기반으로 유전자 발현 네트워크를 구축하는 것이 유용 유전자의 대량 발굴과 규명에 효과적으로 활용될 수 있음을 제시한 것이다.

염 교수는 “고추의 RLP 유전자와 관련된 병원균과 식물의 면역반응의 상호작용에 대한 연구는 저항성 품종을 개발하는 데 필요한 식물의 환경 스트레스 반응 기작을 규명하는 기반이 될 것이다”며 “나아가 세계적인 기후 변화를 극복할 새로운 스트레스 적응 생물 품종 육성에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 결과는 저명 과학저널인 ‘원예연구(Horticulture Research)’(IF 6.793, JCR 기준 원예 분야 1위, 식물 과학 분야 상위 5.74%) 1월 19일 자 온라인판에 게재했다. 논문 제목은 ‘대량 전사체 기반 유전자 공동 발현 네트워크 구축 및 고추 RLP 유전자의 복합 저항성 연구(Universal gene co-expression network reveals receptor-like protein genes involved in broad-spectrum resistance in pepper (Capsicum annuum L.)’이다.

해당 연구는 한국연구재단 개인연구사업, 대학중점연구소지원사업, BK21 Four 농생명공학글로컬인재교육연구단의 지원을 받아 수행했다.

한편, 염선인 교수는 국제 컨소시엄 형태로 진행한 토마토(네이처)와 국내 연구진으로 구성된 고추 유전체 분석(네이처 제네틱스)에 핵심 연구진으로 참여해 유전체 분석 방법을 축적, 국내 유전체 분석 기술 수준 제고에 크게 기여했다.

현재 강 교수와 염 교수는 유전체와 전사체에 기반한 생명정보를 활용해 환경 스트레스 저항성 품종을 개발하는 연구에 집중하고 있다. 이를 기반으로 원예작물 유전체를 활용해 다양한 환경 스트레스 저항성 유전자를 발굴하고 규명한 결과를 ‘뉴파이톨로지스트(New Phytologist)’, ‘사이언티픽 데이터(Scientific Data)’에 게재, 분자 육종에 활용되도록 하는 성과를 달성했다.