”광범위한 유전자 분석으로 식물 진화에 대한 새로운 통찰력 제공“

오늘날 육지와 물의 서식지에서 중요한 역할을 하는 45만~50만 종의 식물이 있다.
이 놀라운 식물의 생물 다양성은 어떻게 생겼을까? 

▲  식물은 진화 과정에서 거대한 생물 다양성을 만들어 냈다. © Michael Melkonian/ Walter S. Judd

한 국제 연구팀이 식물 진화의 유전적 기초에 대해 더 알고 싶어 거대한 프로젝트인 ‘1천 식물전사 계획 (Planscriptome Initiative)’을 시작했다. 과학자들은 녹조류, 이끼류, 다년생 식물, 양치류, 겉씨 및 개화 식물을 포함한 1,147 개의 육상 및 조류 종의 유전자 발현을 분석했다. 그들의 데이터는 지구에 매우 중요한 유기체 진화에 흥미로운 통찰력을 제공한다. 무엇보다도 유전자 복제가 어떻게 새로운 종의 발달을 촉진했는지를 보여준다. 연구결과는 농업과 의학에 새로운 자극을 줄 수 있다.

지구는 푸른 행성일 뿐만 아니라 녹색 행성이기도 하다.
원시 녹조가 약 10억 년 전에 두 개의 서로 다른 계보로 분리됐기 때문에 식물 세계는 엄청나게 다양해졌다. 조지아 대학의 제임스 리벤스-맥 (James Leebens-Mack)은 “이 계보 중 하나는 나중에 꽃식물, 육상 식물 및 관련 조류 그룹으로 바뀌었고 다른 하나는 많은 녹조류를 포함 한다”고 말했다.

진화 과정에서 광합성 유기체는 지구의 거의 모든 생태계를 정복

"수 많은 이 종들은 수억 년 전에 발현했다. 우리는 이제 과거를 되돌아보고 당시에 무슨 일이 있었는지 보기 위한 도구를 갖게 됐다”고 독일 할레-비텐베르크에 있는 마틴 루터 대학교 (Martin Luther University)의 공동저자 마르셀 퀸트(Marcel Quint)는 말했다.
유전자와 유전자 패밀리에 대한 그들의 분석은 식물의 가계도가 어떻게 보이는지와 그 분기에 어떤 유전적 변화가 영향을 미쳤는지를 그 어느 때 보다 자세히 보여준다.

열쇠로서의 유전자 복제

연구결과는 무엇보다도 특정 식물 계통이 어떻게 게놈을 두 배로 늘리거나 개별 유전자 패밀리를 다양화했는지를 명확하게 밝혀준다. 이러한 과정은 식물계에서 진화 혁신의 주요 동기 원인으로 간주 된다. 퀸트(Quint)는 “유전자 물질이 훨씬 더 많기 때문에 새로운 특성을 개발할 수 있는 능력이 더 많다”고 말했다. 식물에 약 2개의 유전자 복제본이 있는 경우, 이것은 점차 새로운 기능을 수행 할 수 있다. 이를 통해 새로운 환경 조건과 서식지에 적응할 수 있다.

"지금까지 우리는 가장 큰 유전자 확장은 꽃식물에서 발생했다고 생각했다. 이 그룹은 오늘날 종의 상당 부분을 구성한다”고 Quint의 동료 마틴 포르쉬(Martin Porsch)는 보고했다. 데이터는 이 확장이 식물 진화의 결정적인 시점보다 훨씬 일찍 일어난다는 것을 밝혀냈다.

물에서 육지로
예를 들어, 연구원들은 최초의 혈관 식물이 생성되기 직전에, 물과 영양분을 수송하기 위한 특수한 혈관 다발을 가진 육상 식물의 유전자 다양성이 크게 도약했다는 것을 발견했다. Porsch는 “물에서 육지로의 전환은 식물에게 가장 큰 도전 중 하나였다. 우리는 이 전환 시점에 유전적 다양성이 엄청나게 증가한 것을 발견했다. 그 후 이들은 곧 고원에 도착했다"고 말했다.

과학자들은 또한 꽃 발달을 담당하는 MADS-박스-유전자와 같은 특정 유전자 패밀리가 진화 과정에서 독립적으로 서로 여러 번 다양화 됐다는 것을 증명했다. 이들 유전자는 양치식물 및 종자식물에서 개별적으로 번식하고 추가로 발전했다. 예나 대학의 공동저자 귄터 타이센 (Günter Theissen)은 “우리는 이것으로부터 진화가 반드시 일차원적으로 선형일 필요는 없지만, 동일한 발전 단계가 때때로 다른 방식으로 도달한다는 것을 알게 된다”고 주장했다.

이끼 식물군에 새로운 시선
또 다른 흥미로운 발견은, 이 데이터는 오늘날 살고 있는 모든 엽이끼, 우산이끼 및 뿔 이끼류가 단일 친족 그룹을 형성하고 다른 어떤 식물 그룹보다 더 밀접한 관련이 있음을 확인했다. 이 분석은 육상 식물의 진화와 관련해 가장 논란의 여지가 있는 문제 중 하나임을 분명히 한다. 진화가 반드시 더 복잡한 삶의 형태를 만들어내는 것은 아니라는 것을 보여준다.
예를 들어, 이끼와 비교하여 매우 원시적으로 보이는 간 벌레는 모양의 후속 단순화로 인해 외관이 달라진다. Theissen은 "때로는 감소가 명백히 진화적인 이점"이라고 말했다.

약에 대한 잠재력?

새로운 데이터는 식물의 진화와 다른 식물군의 관계에 대한 이해를 향상시킬뿐 아니라 팀은 농업과 의학의 발전 가능성을 보고 있다. 시간이 지남에 따라 중복된 유전자를 식별함으로써, 이들 DNA 세그먼트의 기능을 더 잘 이해할 수 있고, 결과적으로 더 나은 작물의 번식을 위한 길을 열 수 있다.

또한 이 데이터 세트에는 잠재적 치료법이 포함돼 있을 수 있다. "우리는 연구원들이 새롭고 흥미로운 화합물에 대한 유전 물질의 단서를 찾을 수 있기를 바란다"라고 플로리다 자연사 박물관의 덕ㄹ라스 솔티스Douglas Soltis는 말한다.

(Nature, 2019; doi : 10.1038 / s41586-019-1693-2)
출처: Martin-Luther-Universität in Halle-Wittenberg/ Florida Museum of Natural History/ University of Augusta/ Friedrich-Schiller-Universität Jena 

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]