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[사이테크 플러스] 유전자 조작으로 식물 광합성 효율 향상…생산량 40% ↑

송고시간2019-01-04 04:00

미국 연구팀 "담배에 광호흡 대사경로 조절 유전자 주입·재배 실험 성공"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 미국 연구팀이 식물의 광합성 효율이 높아지도록 대사경로를 조절하는 유전자를 식물체에 이식, 담뱃잎의 생산량을 40% 늘리는 데 성공했다.

미국 어바나-샴페인 일리노이대 도널드 오르트 교수팀은 4일 국제학술지 '사이언스'(Science)에서 식물에 인공 대사 경로를 통해 광호흡(photorespiration)의 비효율과 부작용을 최소화하는 유전자를 주입, 생산성을 크게 높이는 데 성공했다고 밝혔다.

일반 담배와 유전자 이식 담배 성장 비교
일반 담배와 유전자 이식 담배 성장 비교

광호흡 대사 경로를 조절하는 유전자가 이식된 담배 개체들(오른쪽 4개)이 일반 담배들(왼쪽 4개)보다 같은 환경에서 훨씬 빠르고 크게 자라고 있다. [Claire Benjamin/RIPE Project 제공]

오르트 교수는 "유전자 이식을 통해 광호흡 대사 경로를 조절, 작물 생산량을 40% 늘릴 수 있었다"며 이 방법을 사용하면 미국 중서부 지대에서 매년 식물 광호흡에 허비되는 열량만 아껴도 최대 2억명을 더 먹여 살릴 수 있을 것이라고 말했다.

작물 생산성을 높이는 노력은 최근 살충제나 비료 사용량을 늘리거나 관개시설을 개선하는 등의 방법이 거의 한계에 부딪힘에 따라 식물의 광합성 효율을 높이는 데 초점이 맞춰지고 있다.

식물은 이산화탄소와 물을 빨아들이고 광합성을 해 바이오매스를 만든다. 하지만 대부분 작물에서는 광합성 과정에 결함이 발생하고 식물은 광호흡으로 이 결함을 해결하지만 이 과정에 많은 에너지가 소모돼 생산량이 상당히 감소한다.

식물에서는 '루비스코'(RuBisCO) 효소가 공기 중 이산화탄소를 고정해 광합성에 사용되도록 하는데, 루비스코가 산소와 반응하면 쓸모없는 부산물이 생성되며 식물체는 광호흡을 통해 이 부산물을 다시 유용한 분자로 바꾼다.

하지만 광호흡 과정에는 많은 에너지가 소모돼 광합성 효율이 떨어지고, 이로 인해 일부 작물에서는 생산량이 20~50%나 감소한다.

연구팀은 유전자 조작이 쉽고 연구에 적합한 담배를 모델 작물로 사용, 원래의 광호흡 대사 경로 대신 루비스코 산화 부산물이 더 효율적으로 재활용될 수 있는 인공 대사 경로를 도입하는 유전자를 삽입한 뒤 온실과 야외에서 재배했다.

광호흡 대사경로 조절 유전자 주입 담배 재배 실험
광호흡 대사경로 조절 유전자 주입 담배 재배 실험

[Claire Benjamin/RIPE Project 제공]

그 결과 새로운 인공 대사 경로를 가진 식물체는 온실과 야외 재배 환경에서 모두 더 빠르고 크게 성장하는 것으로 확인됐으며 바이오매스 생산량은 40%나 증가했다.

논문 제1 저자인 폴 사우스 박사는 "광호흡은 식물이 성장하고 생산량을 늘리는 데 사용될 소중한 에너지와 자원을 소모, 광합성 효율을 떨어뜨린다"며 인공 대사 경로는 이런 비효율적인 광호흡을 거치지 않게 해주는 지름길 역할을 한다고 설명했다.

이 연구는 '빌 앤드 멜린다 게이츠 재단'(Bill & Melinda Gates Foundation) 등이 광합성 효율을 높여 지속 가능한 식량난 해결 방안을 찾기 위해 추진하고 있는 '광합성 효율 향상'(RIPE) 프로젝트의 일부로 진행되고 있다.

이 기술이 식량 작물에 적용돼 규제 당국의 허가를 얻는 데는 10년 이상이 걸릴 것으로 예상되지만, RIPE 연구팀은 이 프로젝트의 성과를 사하라 남부 아프리카와 동남아시아의 소규모 농민들에게 무상 제공할 계획이라고 밝히고 있다.

scitech@yna.co.kr

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