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- 남태평양 열대 양치류, 인간보다 50배나 많은 1,604억 5천만 개의 염기쌍 보유
- 약 32억 개의 DNA 염기쌍을 가지고 있는 우리 인간은 게놈 길이에 있어서는 중간 위치
- 세포가 분열할 때 세포의 전체 유전 물질을 복사하는 데 더 많은 시간과 자원이 필요
- 매우 큰 게놈을 가진 식물은 일반적으로 천천히 자라며 더 많은 영양분 필요

작은 양치류가 세계에서 가장 큰 게놈을 가지고 있다.
눈에 띄지 않는 남태평양 식물의 유전물질은 인간보다 50배나 많은 DNA를 함유하고 있다.

작고 눈에 띄지 않는 열대 양치류는 지구상 생물계에서 가장 큰 게놈을 가지고 있다. 분석에 따르면 그 DNA에는 1,600억 개의 DNA가 포함돼 있다. 이는 이 식물의 유전적 구성이 인간보다 약 50배 더 ​​광범위하고, 이전 기록 보유자인 일본 유니베리보다 100억 개 이상의 DNA 문자를 능가한다는 것을 의미다. 풀면 뉴칼레도니아에 자생하는 양치류의 단일 세포에서 나온 DNA 가닥의 길이는 100미터가 넘는다. 그러한 거대 게놈이 단지 식물에게만 이점이 되는 것은 아니다. 

▲ 이 작은 양치류는 각 세포에 1,600억 개의 DNA 염기쌍 길이를 지닌 게놈을 가지고 있다. 이는 세계 최대 기록이다. © Pol Fernandez

우리 자신의 세포에 관해서도 그것은 자연의 기적처럼 보인다. 약 2미터의 DNA가 작은 세포핵 안에 단단히 엉켜 있다. 또한 약 32억 개의 DNA 염기쌍을 가지고 있는 우리 인간은 게놈 길이에 있어서는 중간지대에 있다. 가장 긴 곤충 게놈인 점박이 달팽이 곤충의 DNA는 길이가 210억 염기쌍이고 아홀로틀는 320억 개의 DNA 염기쌍을, 그리고 단순한 가문비나무조차도 세포 내에 200억 염기쌍 길이의 게놈을 가지고 있다.

동물계의 DNA 기록은 에티오피아 폐어가 보유하고 있는데, 그의 게놈에는 무려 1,290억 개의 염기쌍이 들어 있다. 지금까지 이 식물을 능가한 식물은 파리 자포니카 유니베리(Paris japonica uniberry)뿐이다. 그들의 게놈 길이는 약 1,490억 염기쌍이다.

눈에 띄지 않는 기록 보유자

훨씬 더 큰 것이 있다. 바르셀로나 대학의 폴 페르난데즈(Pol Fernandez)와 그의 팀이 발견한 바와 같이 남태평양에 서식하는 양치류 종인 Tmesipteris oblanceolata는 세포에 훨씬 더 광범위한 DNA를 가지고 있다. 그들은 샘플을 수집하기 위해 호주에서 동쪽으로 약 1,200km 떨어진 군도인 뉴칼레도니아 섬으로 여행했다. 길이가 15~30cm에 불과한 눈에 띄지 않는 양치류의 잎이 많은 줄기는 그곳의 열대 우림에서 자란다.

“Tmesipteris는 공룡이 생명의 단계에 진입하기 훨씬 전인 약 3억 년 전에 조상이 진화한 독특하고 매혹적인 작은 양치류 속이다”고 바르셀로나 식물원의 수석 저자인 Jaume Pellicer는 말했다. "이 양치류는 오세아니아와 일부 태평양 섬에 좁은 분포를 갖고 있을 뿐만 아니라 착생 생활 방식이 특징이다. 주로 나무줄기와 가지에서 자란다.“

▲ 고사리 Tmesipteris oblanceolata는 일반적으로 나무 줄기와 가지에 착생하여 자란다. © Pol Fernandez

모든 진핵생물의 가장 큰 게놈

수집된 양치류 샘플의 세포핵과 DNA를 분석한 결과 다음과 같은 사실이 밝혀졌다. Tmesipteris oblanceolata의 게놈에는 1,604억 5천만 개의 염기쌍이 포함돼 있다. 이는 인간 게놈보다 약 50배 더 ​​크고, 이전 기록 보유자인 파리 자포니카(Paris japonica)보다 DNA 문자가 7% 더 많다. 이는 남태평양 양치류가 모든 진핵생물 중에서 가장 큰 게놈을 가지고 있음을 의미한다. "그렇게 작고 눈에 띄지 않는 식물이 게놈 크기에 있어서 세계 기록을 세울 것이라고 누가 생각이나 했겠습니까!" 영국 왕립식물원 큐(Royal Botanical Gardens Kew)의 공동저자 Ilia Leitch가 말했다.

"오랫동안 우리는 파리 자포니카의 기록이 무적일 것이라고 생각했지만, 다시 한번 자연이 한계를 뛰어넘어 우리의 가장 낙관적인 예측을 뛰어넘었다"고 Leitch는 말했다. Tmesipteris 양치식물의 한 세포핵에서 나온 DNA를 풀어서 함께 똑바로 놓으면 DNA 가닥의 길이가 100미터가 넘을 것이다. 포장되면 이 유전 물질은 416개의 염색체로 나누어진다.

생물학자들은 기록적인 양치류의 게놈이 여러 유전적 과정의 조합을 통해 그렇게 많이 성장했다고 의심한다. 우선, Fernandez와 그의 동료들이 설명하는 것처럼 양치류는 "염색체를 저장"하는 경향이 있다. 완전한 게놈 사본을 유지함으로써 세포의 염색체 수가 증가한다. 반면, 양치류는 게놈에 반복되는 DNA 부분이 특히 많아 DNA 길이도 증가한다.

▲ (A) 식물, 동물 및 곰팡이의 주요 계통에 걸친 게놈 크기의 현재 분포. (B) 진핵생물에서 이용 가능한 가장 큰 게놈 크기 기록 상위 10개. (출처: 관련논문 160 Gbp fork fern genome shatters size record for eukaryotes/iScience/Published:May 31, 2024)

거대한 게놈은 또한 단점도 있다

"기록된 게놈의 발견은 생물학적으로 가능한 것의 상한선이 어디에 있는지에 대해 많은 새롭고 흥미로운 질문을 제기한다"고 Leitsch는 말했다. 이러한 광범위한 유전 물질은 생명체에게도 단점이 있다. 즉, DNA의 양을 수용하기 위해 더 큰 세포핵을 형성해야 하며, 세포가 분열할 때 세포의 전체 유전 물질을 복사하는 데 더 많은 시간과 자원이 필요하다.

매우 큰 게놈을 가진 식물은 일반적으로 천천히 자라며 더 많은 영양분을 필요로 한다. 그들의 광합성은 종종 효율성이 떨어지기 때문에 더 빠르게 성장하고 더 단순한 경쟁자보다 열등한 경우가 많다. 반면에, 광범위한 DNA 저장소는 이들 식물이 환경 변화에 대해 더 많은 내성을 갖게 할 수 있다. 또는 그렇게 가정된다. 거대 게놈을 가진 식물은 아직까지 연구된 바가 거의 없다.

“새롭게 떠오르는 생물다양성 유전체학 분야는 전체적인 관점에서 게놈 구조, 환경 요인, 진화 과정 사이의 복잡한 상호작용을 해독하는 데 도움이 될 수 있다”고 연구원들은 말했다. 작은 양치류인 Tmesipteris oblanceolata는 이제 거대한 게놈으로 기네스북에 등재되었다. (iScience, 2024; doi: 10.1016/j.isci.2024.109889)
출처: Kew Gardens, Royal Botanic Gardens Kew

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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