미래의 식량위기를 극복하기 위한 작물의 미생물 및 영양소 등의 환경 요인과 주고받는 복잡한 ‘신호’를 조작하는 연구가 한창이다.
일본 과학전문지 일경과학 최신호에는 향후 수십 년 안에 농업을 근본적으로 바꾸지 않으면 식량부족에 처하게 될 것이라고 전망했다. 이는 세계인구가 현재 75억명에서 2050년에는 97억명으로 늘어나 인구의 먹거리가 부족하고 이를 해결하기 위해서는 농산물 생산량을 약70% 더 늘릴 필요가 있다고 예측한다.

2050년 인구 97억… 먹거리 부족 예상
콜로라도 대학의 식물병리학자 리치(Jan Leach)는 “특효약을 찾는 것은 더 이상 그만두는 편이 낫다”라며 “누군가 한 명의 식물병리학자가 단독으로 해결할 수 있는 문제가 아니고 다양한 분야의 팀이 지금까지와는 전혀 다른 형태로 협력해야 할 필요가 있다”고 지적했다.

리치 팀은 보다 포괄적인 접근을 추진하고 있다, 농장을 구성하는 식물과 토양, 미생물, 곤충, 기후 등의 전체를 ‘식물 바이옴’으로 인식하여 그들 구성요소가 어떤 상호작용을 통해 작물의 수확량을 결정하고 있는지를 고찰한다. 식물 바이옴에 대한 기반은 19세기 영국의 생물학자인 월레스(Alfred Russel Wallace) 및 다윈(Charles Darwin)의 저서로 거슬러 올라간다. 그들은 자연을 상호간에 연결된 거대한 네트워크라고 인식해 그 안에서 생물종이 주위의 환경변화에 대응하기 위한 적응을 지속하고 있다고 생각했다.

대두의 예를 보면, 곤충이 잎사귀에 앉으면 대두는 이것에 반응해 뿌리부터 휘발성 화학물질을 방출, 그로 인해 토양 중의 미생물의 구성이 바뀌게 된다. 또한 미생물은 인접해 있는 대두의 그루터기에 일련의 유전자에 스위치를 눌러 곤충의 공격에 대비하게 한다.
그러나 병원체 또한 놀라울 정도로 고도의 기술이 있다. 어떤 것은 잎의 표면에서 포탄과 같이 날아와 기류를 타고 농장에서 농장으로, 대륙에서 대륙으로 이동한다. 하늘 높이 올라가는 미생물 중에는 구름 속에서 비나 우박을 만들게 하여 그것들을 타고 지면으로 다시 돌아오는 것도 있다.

과학자들은 몇 백 년 전부터 이런 복잡함에 조금씩 눈을 뜨고 있었으나, 기술개발이 발달한 최근에 와서 이와 같은 복잡한 상호작용을 해명하는 등 지속 가능한 농업을 실현하는 조직적인 대책을 개발할 수 있게 됐다. 지금은 유전자의 염기배열을 파악하는 시퀀스 장치를 사용할 경우, 토양 속의 모든 미생물을 검출해 낼 수 있을 정도로 발전했다. 또 희귀 미생물이나 실험실에서는 배양이 불가능한 균주도 검출이 가능하다. 또한 토양 미생물의 구성이 비료의 대량 투입 및 온도의 저하 등에 따라 시간적·공간적으로 어떻게 변하는지를 추적할 수 있다. 미생물과 식물 그 외의 생물이 화학물질을 통해 상호간에 교환하고 있는 ‘신호(대화)’를 기록해 그런 신호가 작물의 생산성과 건강 상태를 어떤 식으로 좌우하고 있는지를 파악하는 연구도 추진되고 있다.

언젠가는 농가에서 사용하는 트랙터로 ‘정밀 농업’에서 일반적으로 계측되는 토양의 수분 레벨이나 영양성분 뿐만이 아니라, 토양에 서식하는 미생물의 포괄적인 상태 조사를 실시할 수 있게 될 지도 모른다. 이들을 과거의 작물 수량 데이터와 발생한 병충해 및 기후 패턴의 예상 데이터와의 조합을 통해 해석함으로써, 어떤 종자와 토양 중의 영양소, 화학물질, 미생물을 어떻게 조합시켜야 수확량이 최대치가 될 지를 예측할 수 있게 된다는 것.  그 실현을 목표한 움직임은 이미 시작되었다.

몬산토 등 글로벌 기업 거액 투자
시장 점유율 놓고 치열한 경쟁
2016년 다양한 분야의 과학자 그룹이 농업의 미래를 바꾸는 야심 찬 계획인 ‘식물 바이옴: 연구와 응용을 위한 로드 맵’을 발표함과 동시에 이 분야의 학술지인 Phytobiomes를 창간했으며, 10여 곳이 참여한 산학공동조직 ‘식물 바이옴 얼라이언스’가 창설됐다. 바이오 컨소시엄 및 인디고와 같은 신흥기업 외에도 몬산토 등과 같은 기업이 참여하고 있다.

이들 기업은 연구개발 강화를 위해 고액의 투자를 감행하여 2020년에는 전세계 100억달러 규모가 될 것으로 예상되는 농업생물제제 시장의 점유율을 놓고 경쟁하고 있다.
현재도 토양 미생물을 사용한 수십 종류의 제품이 판매되고 있으며 더 많은 제품이 개발 중에 있다. 몬산토는 덴마크의 노보자임스와 제휴해 식물병리학자인 디아즈(Mercedes Diaz)가 관리하는 대규모 포장실험을 통해 개발된 미생물 코팅종자로 수익을 올리고 있다. 그 외에도 작물의 게놈을 개변해 유용 미생물을 유인하는 해충과 식물간의 교감을 조작해 작물이 위협을 보다 적절하게 감지, 대처해 갈 수 있게 하고 있다. 식량위기를 회피하기 위한 길은 빠른 시간 내에 그 방법을 찾아 낼 수 있을 지가 승패를 가르게 된다.

식물 바이옴을 컨트롤하다
작물은 식물 바이옴, 즉 농장의 환경을 구성하는 다양한 생물 및 무생물과 항상 교류하고 있다. 이 ‘대화(교감)’는 식물의 건강상태에 영향을 미친다. 작물의 잎이나 줄기, 뿌리뿐만 아니라 주변의 대기 속이나 토양 속에 존재하는 세균 및 진균, 바이러스는 수확량을 늘리거나 병을 초래 할 가능성이 있다.

토양의 특성은 환경에서의 물이나 산소, 영양소의 순환 방법을 바꿀 수 있다. 질소 및 인 등의 영양소는 작물의 성장을 촉진시키지만, 화학비료의 과잉 사용은 토양을 노화시킨다. 토끼나 갑충류 등의 동물은 작물에 가장 큰 피해를 입히지만, 지렁이 등과 같은 동물은 작물에 이익을 가져다준다. 기후나 기후변동은 이 생태계의 요소 전체에 영향을 미친다.

바이오에그(BioAg) 얼라이언스는 2017년 최초의 제품으로 옥수수 밭의 토양에서 찾아 낸 진균을 기반으로 한 미생물 코팅 종자를 발매했다. 포장실험에서는 약190kg/ha의 수확량이 증가했다. 향후 세계 곳곳의 약36만㎢에 달하는 농지에서 수확량을 높이는데 사용될 것으로 추정되고 있다.