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- 세계 인구를 먹여 살리기 위해 2050년까지 곡물 수확량 약 70% 증가 시킬 방법 필요
- 가장 빠르게 자라는 사막 토양 지각 녹조류 클로렐라 오하디(Chlorella ohadii) 조사
- 조류의 단백질 합성은 곡물 식물의 단백질 합성에 비해 크게 증가
- 연구는 조류를 기반으로 하는 기존 곡물 유형을 유전적으로 변형하는 데에도 사용

조류(藻類, Algen)가 작물보다 빨리 자라는 이유

보다 효율적인 광합성을 위한 전략은 곡물 생산의 수확량을 증가시킬 수 있다.

많은 조류가 작물보다 훨씬 빨리 자라는 이유와 광합성 능력이 더 높은 이유는 무엇일까?
연구자들은 최근 가장 빠르게 성장하는 녹조류인 클로렐라 오하디(Chlorella ohadii)를 조사해 이 질문에 대한 답을 찾았다. 동위원소 표시에서 알 수 있듯이 광합성 대사를 위한 중요한 공급 과정이 더 빠르고 효율적으로 진행된다. 이 발견은 작물 수확량을 향상시키는 데에도 도움이 될 수 있다. 

▲ 광합성 속도를 측정하기 위한 클로렐라 오하디(Chlorella ohadii)의 액체 배양물이 있는 광생물 반응기. © MPI for Molecular Plant Physiology/Treves

계속 증가하는 세계 인구를 먹여 살리기 위해서는 2050년까지 곡물 수확량을 약 70% 증가시킬 수 있는 방법을 찾아야 한다. 지금까지 농업은 비료와 해충 및 병원균에 대한 저항성을 통해 보다 효율적이고 수익성이 높아졌다. 그러나 경작할 수 있는 토지의 부족과 기후 변화의 영향을 고려할 때 곡물 및 기타 작물의 생산성을 더욱 높일 수 있는 추가 전략이 필요하다.

새로운 표적으로 광합성 대사

포츠담에 있는 막스 플랑크 분자 식물 생리학 연구소(Max Planck Institute for Molecular Plant Physiology)의 하임 트레베스(Haim Treves)와 동료들이 최근 새로운 접근 방식을 선택했다.

▲ 연구에 사용된 작업 흐름도 a, 미세유체 믹서 및 순간 냉각을 기반으로 하는 성장률이 다른 조류 배양물에 정확한 짧은 펄스를 제공하기 위한 실험 설정(자세한 내용은 확장 데이터 그림 1 참조). b, CBC 및 최종 제품 합성 경로의 초기 단계에서 중간체의 수준 및 라벨링 역학을 측정하기 위한 분석 설정. c, 조류 종 간의 차동 플럭스 패턴을 식별하기 위한 라벨링 시간 동역학 검사. (출처: 관련논문 Carbon flux through photosynthesis and central carbon metabolism show distinct patterns between algae, C3 and C4 plants)

과학자들은 "광합성은 수확량 증가를 위한 유망한 목표다. 그들의 효율성은 여전히 ​​이론적인 최대치보다 훨씬 낮기 때문이다"고 말했다.
작물은 아직 광합성에서 잠재력을 최대한 활용하지 못했다.

Treves와 그의 팀은 다양한 조류에서 캘빈 회로와 같은 광합성과 관련된 대사 경로를 조사했다. 무엇보다도 이것은 광합성 과정에서 유기 화합물을 생성하기 위해 중요한 이산화탄소를 식물이 고정시키는 역할을 한다. 따라서 광합성은 식물이 생산할 수 있는 바이오매스의 양을 결정한다.

연구된 조류 종 중 하나는 알려진 모든 녹조류 종중에서 가장 빠르게 성장하는 사막 토양 지각에서 발견되는 조류 Chlorella ohadii였다. "이 조류는 광합성 기계와 다른 식물의 성능을 제한하는 요소에 대한 필수 정보를 우리에게 제공할 수 있다"고 연구자들은 설명했다.

신진대사 과정 추적

조류 광합성의 대사산물을 추적할 수 있도록 과학자들은 탄소의 13C 동위 원소를 사용했다. 조류의 세포에 이 무거운 탄소 동위원소가 풍부해지면 광합성 동안 이를 대사산물로 통합한다. 이러한 대사산물은 질량 분석과 같은 분석 방법으로 식별할 수 있다.

이 방법을 사용해 연구원들은 40개 이상의 대사산물을 추적하고 클로렐라 오하디의 대사 플럭스를 측정 및 정량화하고 얻은 결과를 기존 작물의 결과와 비교할 수 있었다.

▲ 클로렐라 오하디의 광합성 기구의 전자현미경 사진. © MPI f. molekulare Pflanzenphysiologie / Treves

보다 효율적인 분자 보충

실제로, 클로렐라 오하디(Chlorella ohadii)의 세포에서 탄소는 다른 유형의 조류나 작물에서보다 훨씬 빠르게 대사되었다. 팀은 특히 중요한 두 가지 흥미로운 메커니즘을 식별할 수 있었다.

▲ Arabidopsis와 세 가지 조류에서 최종 제품(자당, 전분 및 단백질)과 대사 중간체의 광합성 및 합성 속도 및 단위 DW당 수준의 차이를 보여주는 비교 계획. (출처: 관련논문 Carbon flux through photosynthesis and central carbon metabolism show distinct patterns between algae, C3 and C4 plants / nature plants)

"라벨링 역학은 C. ohadii가 RuBP(리불로스 비스포스페이트)를 더 빠르게 재생한다는 것을 보여준다. 이는 종종 탄소 고정을 제한하는 부수적 과정이다"고 Treves와 동료들은 설명했다. RuBP는 시트르산 회로의 첫 번째 단계에서 탄소를 결합하는 분자다. 따라서 이 분자의 더 빠른 재생은 광합성을 위한 탄소 공급을 가속화할 수 있다.

과학자들은 시트르산 회로의 중요한 "공급자" 반응이 다른 식물보다 조류에서 더 빨리 일어난다는 것을 발견했다. 그 결과, 무엇보다도 아미노산 생산에 필요한 분자가 보다 효과적으로 보충된다. 따라서 조류의 단백질 합성은 곡물 식물의 단백질 합성에 비해 크게 증가하므로 식물의 더 빠른 성장을 설명하고 곡물 식물의 수확량 향상을 위한 기준점을 제공할 수 있다.

연구원들의 연구는 증가된 광합성 효율과 미래에 조류의 더 빠른 성장을 더 자세히 해독하기 위한 추가 분석을 위한 토대를 마련한다. 미래에 이러한 정보는 조류를 기반으로 하는 기존 곡물 유형을 유전적으로 변형하는 데에도 사용될 수 있다.
(Nature Plants, 2022; doi: 10.1038/s41477-021-01042-5)
출처: 막스 플랑크 분자 식물 생리학 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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