농촌진흥청(청장 이승돈)은 세계 최초로 단세포 내에서 C₄ 광합성을 하는 식물 비에너티아의 유전체(게놈)을 해독했다.

▷C₄ 광합성: 광합성 시 탄소 4개가 생성되며 잎의 온도와 상관없이 광호흡이 거의 일어나지 않아 광합성 효율이 꾸준히 유지된다. 열대 원산의 벼과, 옥수수, 수수, 사탕수수, 기장, 조 등이 여기에 포함된다.

비에너티아(Bienetia sinuspersici)는 일반 식물과 달리 한 세포 안에서 두 종류의 엽록체가 협력해 광합성을 한다.

세포 가장자리 엽록체는 이산화탄소를 받아들이고, 중앙 엽록체는 이를 에너지로 전환한다. 이처럼 한 세포 속에서 C₃와 C₄ 광합성이 동시에 일어나는 독특한 구조로 염분이 많은 사막 지역에서도 생육하는 식물로 알려져 있다.

▷C₃ 광합성: 광합성 시 탄소 3개가 생성됨. 온도와 빛, 습도 변화에 따라 광합성 속도가 달라지며 고온‧건조 환경에서 효율이 저하된다. 전 세계 육상 식물의 85%가 이 방식으로 광합성을 한다.

연구진은 2018년부터 단세포 C₄ 광합성의 분자적 작동 원리를 밝히고 이로부터 광합성 효율이 높고 내염성을 지닌 기후 적응형 작물 육종 기술을 확보하기 위해 비에너티아 유전체를 분석했다.

그 결과, 9개 염색체(총 3.61Gb, BUSCO분석 95.7%)로 구성된 고품질 염색체 수준의 유전체 지도를 완성하고 총 4만 465개의 단백질 암호화 유전자를 주석으로 달았다. 이 결과는 단세포 C₄ 광합성 연구의 표준 유전체(reference genome)로 학계의 인정을 받았다.

이번 유전체 분석으로 식물이 세포 내 이산화탄소를 더 효율적으로 모으고 저장해 에너지로 바꾸는 분자적 원리가 밝혀졌다.

특히 연구진은 잎 발달 단계별 전사체를 분석해 베타-탄산무수화효소(BsCAβ2)의 기능을 구명하고 이 효소를 이용한 광합성 효율 향상 기술도 개발해 특허를 출원했다.

이와 함께 염분 환경에서 생육을 유지하는 소듐(나트륨) 수송체 유전자(BsHKT1;2)의 기능도 밝혔다. HKT유전자는 칼륨 수송체로서 세포 내 과잉된 소금을 배출하는 기능을 하며, BsHKT1;2유전자는 200mM 고농도의 소금에서 3주간 키워도 건전하게 생육했다.

연구 결과는 네이처 포트폴리오(Nature Portfolio) 계열 국제 학술지(Scientific Data (IF 5.8)) 온라인판에 논문으로 게재됐다.

또한, 분석한 원시데이터와 유전체 조립 데이터는 미국 국립생물정보센터(NCBI) 국제 데이터베이스에 등록해 전 세계 연구자들이 자유롭게 쓸 수 있도록 했다.

농촌진흥청 권수진 디지털육종지원과장은 “이번 연구로 기후에 적응하고 염분 환경에서도 생육할 수 있는 작물 개발의 핵심 기반 기술을 확보했다.”라며, “확보한 유용 유전자들을 활용해 벼, 콩 등 기후 적응형 작물 육종 기술개발을 추진할 수 있을 것이다.”라고 말했다.