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- 식물 가시의 유전적 기원 PRICKLESSNESS(줄여서 PL)라는 유망한 유전자를 발견
- PL 유전자는 LONELY GUY, 줄여서 LOG 유형의 고대 유전자 영역에 존재
- 식물의 가시가 영구적으로 제거되어 농부와 화훼 재배자의 작업이 더 쉬워질 수 있다

장미는 어떻게 가시를 갖게 되었는가?
식물 가시의 유전적 기원 발견

유전학자들이 얼마나 많은 식물 종이 독립적으로 가시를 발달시킬 수 있었는지 알아냈다. 뾰족한 표피 성장의 기원은 고대 유전자 영역에 있다. 장미, 밤나무 및 기타 여러 식물이 독립적으로 이러한 가시 구축 지침을 켜거나 끌 수 있다. 관련 유전자를 구체적으로 변경하면 식물의 가시를 인공적으로 제거할 수도 있다고 연구진이 "Science"에 보고했다. 

▲ 유전학자들이 이러한 장미 가시와 같은 식물 가시의 기원을 발견했다. © Mohammed Bendahmane

장미는 가시로 악명이 높지만, 가시로 자신을 보호하는 유일한 식물은 아니다. 사실, 표피의 그러한 뾰족한 돌출부는 지난 4억년 동안 다양한 식물과에서 적어도 28번 독립적으로 진화했다. 일부 식물은 줄기에 가시가 생기고, 다른 식물은 잎이나 열매에도 가시가 생긴다.

가시 형성 유전자

이 식물의 가시는 어떻게 생겨나는 걸까? 가시를 만드는 지침은 어디에 있나? 뉴욕 Cold Spring Harbor Laboratory의 James Satterlee가 이끄는 연구원들은 식물 보호 장비의 유전적 기원을 찾기 시작했다. 이를 위해 팀은 먼저 다양한 가지 종(가시가 있는 가지와 없는 가지 모두)의 게놈을 분석하고 PRICKLESSNESS(줄여서 PL)라는 유망한 유전자를 발견했다.

Satterlee와 그의 동료들은 이 PL 유전자가 가시가 있는 가지에서는 정상 상태로 존재하지만, 가시가 없는 가지에서 PRICKLESSNESS 내에 다양한 돌연변이를 발견했다. 이 패턴은 다른 가시가 없는 식물과 가시가 많은 가지 식물의 비교 게놈 분석에서도 나타났으며, 이를 통해 연구자들은 PL 유전자가 식물의 가시 형성에 필수적이라는 결론을 내렸다.

동일한 메커니즘, 다양한 구현

PRICKLESSNESS의 영향은 정확히 어떻게 작동할까? 연구팀이 발견한 바와 같이, PL 유전자는 LONELY GUY, 줄여서 LOG 유형의 고대 유전자 영역에 존재한다. LOG 유전자는 사이토키닌 호르몬을 생성하는 역할을 하며, 이로 인해 세포가 분열하고 확대된다. 변형된 PL 유전자는 아마도 사이토키닌의 형성에도 영향을 미치며 연구자들이 설명하는 것처럼 가시의 형성을 더 자극하지 않도록 보장한다.

▲ 일부 가지 종은 또한 가시로 자신을 방어한다. © Zachary Lippman

이 메커니즘은 분명히 식물의 유전암호에 깊이 뿌리박혀 있어서 가지 등에만 사용되는 것은 아니다. Satterlee와 그의 동료들은 “가지속 식물 외에도 LOG 돌연변이가 대추야자나무와 장식용 장미를 포함한 모든 꽃 피는 식물의 가시 손실과 연관되어 있음을 발견했다”고 말했다. 연구팀은 또한 보리와 쌀에서 PL 동족체를 검출할 수 있었다.

이로부터 연구자들은 서로 다른 식물 계통이 가시를 형성하거나 감소시키기 위해 동일한 메커니즘을 독립적으로 사용한다는 결론을 내렸다. Satterlee와 그의 팀은 "우리의 결과는 동일한 유전적 구성 요소가 긴 진화 기간에 걸쳐 반복적으로 사용되어 수렴 표현형을 생성할 수 있음을 보여준다"라고 썼다.

▲ 가시는 식물 사이에 널리 퍼져 있다. © Zachary Lippman

가시없는 장미?

새로운 발견은 진화 연구뿐만 아니라 농업에도 매우 중요하다. 관상용 식물과 재배 식물의 PL 유전자에 인공 돌연변이를 통합함으로써 식물의 가시가 영구적으로 제거되어 농부와 화훼 재배자의 작업이 더 쉬워질 수 있다. 지금까지 Satterlee와 그의 팀은 가시 없는 장미를 생산하는 데 성공했다.

호주가 원산지인 Solanum Centrale 베리도 가시가 성공적으로 제거됐다. 이는 과일과 잘 알려지지 않은 다른 과일이 미래에 처음으로 대규모로 재배될 수 있고 아마도 지역 슈퍼마켓으로 수출될 수도 있음을 의미한다.
(Science, 2024; doi: 10.1126/science.ado1663)
출처: 미국과학진흥협회(AAAS), Cold Spring Harbor Laboratory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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