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- 처음으로 이 작물에서 각 염색체의 4개 사본 간의 유사점과 차이점 확인 성공
- 감자 식물의 32억 염기쌍 게놈 전체 해독
- 지금의 감자 품종은 가능한 유전자 다양성의 잠재력을 완전히 활용하지 못하고 있다.
- 새로운 유전자 조합을 테스트하고 최적화된 감자 식물 육종 가능

완전히 해독된 감자 게놈
게놈의 시퀀싱은 작물의 놀라운 특성을 보여준다.

감자의 복잡한 게놈이 오랫동안 시퀀싱을 피했다녔지만 이제는 완전히 해독됐다. 연구자들은 처음으로 이 작물에서 각 염색체의 4개 사본 간의 유사점과 차이점을 확인하는 데 성공했으며 몇 가지 놀라운 결과가 나타났다. 이 지식은 새로운 감자 품종의 번식을 위한 길을 열어주고 따라서 기후 변화의 관점에서도 식량 안보를 강화한다. 

▲ 감자의 게놈이 이제 완전히 해독됐다. © Ulrich Pollmann (2022)

감자는 주식 중 하나다. 세계의 많은 지역에서 전분이 풍부한 감자가 점점 더 흔한 메뉴가 되고 있다. 특히 감자의 다양성이 부족하기 때문에 전통적인 품종이 공급된다. 더 높은 수확량으로 새로운 품종을 육종하려는 많은 노력이 현재까지 대체로 성공적이지 못했다.

각 염색체의 네 가지 버전

이것은 곧 바뀔 수 있다. 쾰른의 막스 플랑크 식물 육종 연구 연구소의 헤쿠안 순(Hequan Sun)이 이끄는 연구팀은 이제 처음으로 감자 게놈을 완전히 시퀀싱하는 데 성공했다. 이렇게 오랜 시간이 소요된 것은 감자의 복잡한 유전자 때문이다.

감자는 인간이 하는 것처럼 아버지와 어머니로부터 각 염색체의 사본을 하나씩 상속하지 않는다. 감자는 각 부모로부터 각 염색체의 사본 두 개를 상속하므로 각 염색체의 사본은 네 개가 있다. 그러나 이들은 정확히 동일한 사본이 아니며 개별 섹션이 다를 수 있다.

각 염색체의 4개 사본은 각 유전자의 4개 사본을 의미하므로 원하는 개별 특성 조합을 가진 새로운 품종을 만드는 것이 매우 어렵고 시간이 많이 걸린다. 따라서 이러한 많은 염색체 사본으로 인해 감자 게놈을 재구성하는 것(일배체형이라고도 함)은 인간 게놈의 경우보다 훨씬 더 큰 기술적 도전이었다.

큰 섹션 거의 동일

연구원들은 간단하지만 우아한 트릭으로 이 장애물을 극복했다.
4개의 매우 유사한 염색체 사본을 구별하는 대신, 연구원들은 평소와 같이 잎 조직에서 DNA를 취하지 않음으로써 이 문제를 우회했지만 게놈은 개별적으로 분석됐다. 꽃가루 세포. 다른 세포와 달리 각 꽃가루 세포에는 각 염색체의 사본이 두 개만 포함되어 있어 게놈을 재구성하기가 더 쉽다.

▲ a, 12개 염색체(Chr. 1-12) 각각의 4가지 일배체형을 따라 2-Mb 창 내에서 유전자 밀도(Mb당 유전자 수, 빨간색) 및 TE 관련 서열의 백분율(노란색). b, 2-Mb 창 내에서 CG(보라색), CHG(파란색), CHH(회색) 컨텍스트에서 메틸화의 풍경. 중앙의 링크는 각 염색체의 4가지 일배체형 사이에서 발견된 >600개의 구조적 재배열 >100 kb를 보여준다. 하늘색과 빨간색 상자는 모계 및 부계 유전 염색체를 나타낸다. (출처: 관련논문 Chromosome-scale and haplotype-resolved genome assembly of a tetraploid potato cultivar / nature genetics)

이로써 연구팀은 감자 식물의 32억 염기쌍 게놈 전체를 해독했다. 4개의 염색체 사본 간의 변이를 보다 정확하게 이해하는 데 성공한 것이다. 따라서 전체 3만 8,214개의 유전자 중 54%만이 염색체의 4개 사본에 모두 존재한다. 이들 유전자 중 다수는 염색체의 서로 다른 사본 간에 거의 변이를 나타내지 않는다. 즉, DNA 서열이 거의 동일하다는 것을 연구팀이 발견했다.
Sun과 그의 동료들은 이것을 세포 분열 동안의 재조합 및 기타 변화가 분명히 이 영역에서 활발히 세분되었다는 사실에 기인한다고 생각한다. 아마도 거기에 있는 유전자가 필수적이기 때문일 것이다.

다른 것들은 독특하게 다르다.
염색체 버전이 유전자의 약 절반에 있는 것처럼 나머지 부분의 변이도 크다. 이러한 각 일배체형의 DNA 서열의 약 절반은 특정 섹션의 반전, 삽입 또는 추가 사본에 의해 크게 수정된다. "각 일배체형은 다른 일배체형과 일치하지 않는 고유한 서열의 11~42.5%를 포함한다"고 팀이 보고했다.

이러한 수준의 구조적 변이와 일배체형 특이적 서열은 이전에 작물에서 알려진 것보다 훨씬 더 높다고 Sun과 그의 동료들은 말했다. 그들은 이 넓은 범위의 변이가 이 식물을 길들이는 과정에서 야생 감자 친척과 빈번한 교배 때문이라고 생각한다.

아직 완전히 소진되지 않은 가능성

매우 다른 섹션을 가진 거의 동일한 많은 유전자 영역의 조합은 감자가 일반적으로 각 유전자의 4가지 다른 대립유전자(변이체)를 보유하지 않고 2개 미만을 보유한다는 것을 의미한다. 따라서 지금까지 재배된 감자 품종은 연구자들이 설명하는 것처럼 가능한 유전자 다양성의 잠재력을 아직 완전히 활용하지 못하고 있다.

이제 4가지 일배체형, 즉 염색체의 모든 변이가 알려져 있으므로 새로운 유전자 조합을 테스트하고 최적화된 감자 식물을 육종할 수 있다. 식물 육종 연구 MPI의 선임 저자인 Korbinian Schneeberger는 "기후 변화에 더 생산적이고 탄력적인 감자 품종은 앞으로 수십 년 동안 세계 식량 안보에 막대한 영향을 미칠 수 있다"고 설명했다.
(Nature Genetics; 2022, doi: 10.1038/s41588-022-01015-0)
출처: 막스 플랑크 식물 육종 연구소 쾰른

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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