캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 에두아르도 블룸왈드 박사(오른쪽)와 아킬레시 야다브 박사, 그리고 그들의 연구팀은 토양 박테리아가 식물이 이용할 수 있는 질소를 더 많이 생산하도록 벼를 개량했습니다. [트리나 클라이스트/UC 데이비스]
연구진은 CRISPR 유전자 편집 기술을 이용해 토양 박테리아가 벼의 성장에 필요한 질소를 고정하도록 유전자를 조작했습니다. 이번 연구 결과는 작물 재배에 필요한 질소 비료의 양을 줄여 미국 농부들의 연간 수십억 달러 절감 효과를 가져오고, 질소 오염을 감소시켜 환경에도 도움이 될 것으로 기대됩니다.
"식물은 놀라운 화학 공장입니다."라고 이번 연구를 이끈 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 저명한 식물 과학 교수인 에두아르도 블룸왈드 박사는 말했습니다. 그의 연구팀은 CRISPR 기술을 이용하여 벼에서 아피게닌의 분해를 촉진했습니다. 그 결과, 아피게닌을 비롯한 여러 화합물이 박테리아의 질소 고정을 유발한다는 사실을 발견했습니다.
그들의 연구는 식물 생명공학 저널에 게재되었습니다("벼 플라보노이드 생합성의 유전적 변형은 토양 질소 고정 박테리아에 의한 바이오필름 형성 및 생물학적 질소 고정을 향상시킵니다").
질소는 식물 성장에 필수적이지만, 식물은 공기 중의 질소를 직접 이용 가능한 형태로 전환할 수 없습니다. 대신, 식물은 토양 속 박테리아가 생성하는 암모니아와 같은 무기 질소를 흡수합니다. 농업 생산은 식물 생산성을 높이기 위해 질소 함유 비료를 사용하는 데 기반을 두고 있습니다.
"식물이 토양 박테리아가 대기 중 질소를 고정할 수 있도록 하는 화학 물질을 생산할 수 있다면, 우리는 식물이 이러한 화학 물질을 더 많이 생산하도록 유전적으로 조작할 수 있습니다."라고 그는 말했다. "이러한 화학 물질은 토양 박테리아의 질소 고정을 촉진하고, 식물은 그 결과로 생성된 암모늄을 이용하여 화학 비료의 필요성을 줄입니다."
브룸왈드 연구팀은 화학 분석과 유전체학을 이용하여 벼 식물에서 박테리아의 질소 고정 활동을 향상시키는 화합물, 즉 아피게닌과 기타 플라보노이드를 확인했습니다.
연구팀은 해당 화학물질을 생성하는 경로를 확인하고 CRISPR 유전자 편집 기술을 사용하여 생물막 형성을 촉진하는 화합물의 생산량을 늘렸습니다. 이 생물막에는 질소 전환을 향상시키는 박테리아가 포함되어 있습니다. 결과적으로 박테리아의 질소 고정 활동이 증가하고 식물이 이용할 수 있는 암모늄의 양이 늘어납니다.
연구진은 논문에서 “개량된 벼는 토양 질소 제한 조건에서 재배했을 때 수확량이 증가했다”며, “이번 결과는 플라보노이드 생합성 경로 조작을 통해 곡물의 생물학적 질소 고정을 유도하고 무기 질소 함량을 줄일 수 있다는 것을 뒷받침한다. 비료 사용에 있어 실질적인 전략이 필요하다”고 밝혔다.
다른 식물들도 이 경로를 이용할 수 있습니다. 캘리포니아 대학교는 이 기술에 대한 특허를 출원했으며 현재 승인을 기다리고 있습니다. 이 연구는 윌 W. 레스터 재단의 지원을 받았습니다. 또한, 바이엘 크롭사이언스는 이 주제에 대한 추가 연구를 지원하고 있습니다.
블룸왈드는 “질소 비료는 매우 비쌉니다.”라고 말하며, “이러한 비용을 줄일 수 있는 모든 방법은 중요합니다. 한편으로는 돈의 문제이기도 하지만, 질소는 환경에도 해로운 영향을 미칩니다.”라고 덧붙였다.
대부분의 비료는 토양과 지하수로 스며들어 손실됩니다. 블룸왈드의 발견은 질소 오염을 줄여 환경 보호에 도움이 될 수 있습니다. 그는 "이것은 과도한 질소 비료 사용을 줄이는 지속 가능한 대안 농업 방식을 제공할 수 있을 것"이라고 말했습니다.