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식물 유전자 도둑: 기생 식물인 새삼(Cuscuta)은 숙주 식물의 영양분을 빼앗을 뿐만 아니라, 숙주의 유전자를 훔쳐 자신의 유전체에 통합

기생 식물, 숙주로부터 유전자 획득

식물 유전자 도둑: 기생 식물인 새삼(Cuscuta)은 숙주 식물의 영양분을 빼앗을 뿐만 아니라, 숙주의 유전자를 훔쳐 자신의 유전체에 통합하는 것으로 연구 결과가 밝혀졌다. 이렇게 얻은 유전자 덕분에 새삼은 유익한 항산화 물질을 생산할 수 있게 되었다. 특히 놀라운 점은 새삼이 단순히 유전자를 획득한 것이 아니라, 그 기능을 완전히 유지하면서 변형까지 했다는 것이다. 

▲ 새삼은 실처럼 가느다란 덩굴손으로 숙주 식물을 휘감으며 자라는데, 숙주 식물의 영양분뿐만 아니라 때로는 유전자까지도 흡수한다. · 사진: © Lynn Greyling/ PublicDomainPictures, CC0 1.0

유전자는 일반적으로 부모로부터 자손에게 유전된다. 그러나 일부 생물은 관련 없는 다른 생물로부터 유전 물질을 획득하여 자신의 유전체에 통합할 수도 있다. 이러한 소위 수평적 유전자 전달은 주로 박테리아에서 알려져 있으며, 예를 들어 박테리아는 이러한 방식으로 항생제 내성 유전자를 서로에게 전달할 수 있다. 윤충과 같은 단세포 동물도 이러한 방식으로 유전적 구성을 보충한다.

수백만 년 전의 유전자 도둑

최근 교토에 있는 산토리 글로벌 혁신 센터의 오노 에이치로 박사 연구팀은 식물 유전자 도둑, 즉 기생 식물인 새삼(Cuscuta)을 발견했다. 새삼은 가늘고 실처럼 생긴 덩굴손 때문에 비단, 새삼, 처녀비단, 심지어 기생비단이나 마녀비단 등 다양한 별명을 가지고 있다. 이 기생 식물은 광합성을 거의 하지 않고, 흡기라고 불리는 특수한 흡입 기관을 이용해 숙주 식물의 관다발 속으로 자라 들어가 필요한 영양분을 흡수한다.

오노 박사와 그의 동료들이 발견한 바에 따르면, 새삼은 숙주 식물의 영양분뿐만 아니라 유전자까지도 흡수한다. 연구팀은 "새삼이 참깨 식물과 관련 종에서 발견되는 세사민이라는 화합물을 생성한다는 사실을 연구를 통해 확인했다"고 밝혔다. 추가적인 계통발생학적 분석 결과, 기생식물은 약 3천200만 년에서 5천만 년 전 참깨의 조상으로부터 이 효소(CYP81Q)를 획득한 것으로 밝혀졌다. 세사민은 항산화 작용을 하므로 새삼에게 유익했을 가능성이 높다.

구조적 변화에도 불구하고 기능 유지

하지만 기생식물은 단순히 유전자를 복제하여 자신의 유전체에 넣은 것이 아니다. 오히려 새삼의 유전체 내에서 유전자가 상당히 진화했다. 연구진은 "놀랍게도 비교 유전체 분석 결과, 전이된 유전자는 수평적 유전자 획득 이후 포괄적인 구조적 변화를 겪었다"고 보고했다. 새로운 DNA 서열이 반복적으로 삽입되었는데, 여기에는 유전자 전사 후 단백질 설계도에서 제거되는 인트론이라고 불리는 긴 비코딩 영역도 포함된다.

오사카 대학의 공동 저자인 고 아오키 교수는 "이러한 상당한 구조적 변화에도 불구하고 유전자는 생물학적 기능을 유지했다"고 말했다. 따라서 새삼은 계속해서 세사민 생성 효소를 성공적으로 생산할 수 있다. 오늘날, 이 유전자는 새삼속(Cuscuta) 식물에 널리 퍼져 있으며, 심지어 참깨와는 전혀 다른 식물을 기생하는 종에서도 발견된다.

기생 식물에서의 유전자 전달

그렇다면 이 유전자는 어떻게 기생 식물에 들어가게 된 것일까요? 이 질문에 대한 답을 찾기 위해 연구진은 실험실에서 참깨 식물에 기생하는 실을 배양하고 숙주 식물의 반응을 관찰했다. 그 결과, 참깨는 기생에 반응하여 CYP81Q 유전자의 발현을 증가시키는 것을 발견했다. mRNA의 원전 또한 흡기(haustoria)를 통해 기생 식물로 들어갔다.

이러한 RNA 전사체가 실제로 게놈에 안정적으로 통합될 수 있는지는 아직 불분명하다. 그러나 연구진은 이러한 RNA 매개 전달이 수백만 년 전 CYP81Q의 수평적 유전자 전달에 기여했을 가능성을 시사한다고 보고 있다.

오노와 그의 동료들에 따르면, 이 연구는 기생 식물이 수평적 유전자 전달을 통해 새로운 유전자를 획득하고 이를 자신의 유전적 환경에 적응시키는 방법을 보여준다. "이러한 과정을 통해 구조적으로 복잡하면서도 기능적인 유전자가 출현하게 된다. 이 과정은 기생 식물이 수평적으로 획득한 유전자를 변형하여 대사 혁신을 가능하게 하는, 이전에는 과소평가되었던 메커니즘을 보여준다"고 연구진은 설명했다.
출처: 오노 에이이치로(산토리 글로벌 이노베이션 센터, 교토, 일본) 외, Plant Physiology, doi: 10.1093/plphys/kiag335

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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