바이오인

기후변화대응 식물스트레스 연구

연구마당

◈본문

[서론]

   21세기 자연과학이 해결해야 할 중요한 연구주제는 식량과 환경 문제로, 이들의 주요 원인은 기후변화이다. 기후변화로 인해 전 세계 육지 면적의 40% 이상이 사막화되었고, 매년 서울 면적의 20배가 넘는 땅에 사막화가 진행되고 있다. 사막화가 진행되면 농경지 면적이 급격히 줄어들고, 황사 같은 문제가 발생하여 인류의 건강에도 악영향을 미친다. 특히 기후변화로 인한 온도 상승, 물 부족, 극단적인 날씨 등은 식물에 큰 스트레스를 주어 생리적, 생화학적 반응에 영향을 미치며, 이로 인해 식물의 생산량이 감소하게 된다. 식물은 이동할 수 없기 때문에 주어진 환경에서만 살아가야 하기에 열악한 환경에서도 살아남기 위해 환경 스트레스에 대응하는 정교한 기작을 가지고 있다.

1. 글로벌식물스트레스 연구센터(Global Plant Stress Research Center, GPSRC)

   GPSRC는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 글로벌선도연구센터(SRC) 사업으로 2024년에 선정된 연구센터로, 기후변화와 극한 환경에서의 식물 생존 전략을 과학적, 실용적으로 규명하는 것을 목표로 하는 연구센터다. 본 센터는 건국대학교 윤대진 교수를 중심으로, 건국대학교의 강린우, 김재범, 박정훈, 여주동 교수, 경희대학교의 권춘탁, 하선화 교수, 서강대학교의 이병하 교수, 포스텍의 최규하 교수, 한양대학교의 김태욱 교수 등 총 10명의 교수진이 참여하고 있으며, 다 학제적 협력을 통한 공동연구를 수행하고 있다.

2. 식물스트레스 연구배경

  작물이 생산할 수 있는 유전적인 능력을 100%라고 가정했을 때 실제 생산량은 유전적인 능력의 21%에 불과하며, 이 중 대부분은 가뭄, 냉해, 염해 등 환경 스트레스에 의해 손실되며, 이는 총 생산량의 약 70%에 달한다[1]. 만약 이러한 손실을 단 1%만 줄일 수 있다면, 미래의 식량 문제를 획기적으로 개선할 수 있을 것이다. 식물은 일생 동안 고착 생활을 하기 때문에 주어진 환경에 적응해야만 살아남을 수 있다. 이를 위해 식물은 환경 변화를 감지하고 다양한 생리적, 유전적 반응을 통해 생장과 발달을 조절하는 고도화된 생체방어 시스템을 구축하고 있다. 따라서 식물은 생물체의 환경적응 전략을 이해하기 위한 중요한 연구 대상이다. 초기에는 식물스트레스 연구가 형태적, 생리적, 생화학적 반응을 중심으로 이루어졌으나, 1990년대부터는 애기장대를 모델 식물로 한 분자생물학적 연구가 본격적으로 시작되었다. 2000년대 들어서는 Microarray와 RNA-seq 기술이 도입되었으며, 2010년대에는 후성유전학 연구가 활발히 이루어졌고, 최근에는 CRISPR 유전자 교정 기법을 활용한 연구가 활발하게 진행되어 식물스트레스 연구에 많은 진보가 있있다.

3. 식물의 스트레스 연구의 난제

  식물이 스트레스 상태에 놓이면 생장이 저해되는데, 이는 세포 손상과 제한된 자원에 의한 수동적 생장 저해와 스트레스 인식 및 신호전달을 통한 능동적 생장 저해로 나누어진다[2]. 이중 능동적 저해는 식물 스스로가 결정하는 적극적 선택 (생장 대신 방어 선택)으로 일어는 기작으로서 유전적인 reprogramming을 동반하며 궁극적으로는 스트레스에 반응하는 유전자의 전사를 조절하게 되고 이를 통하여 대사의 항상성(metabolic homeostasis)을 유지하게 된다. 식물의 생장 조절과 스트레스 반응은 길항적 상호작용을 통해 균형을 이루고 있기때문에 식물에 스트레스 저항성에 관여하는 유전자를 과대 발현하면 생장이 저해되어 생산량이 줄어들게 되는데 이는 식물이 생장보다는 생존을 과다하게 선택하여 생산을 포기하는 trade-off 현상이다. 작물들은 인간에 의하여 오랜기간 인위적인 육종을 통하여 생산성 위주로 진화되어져 왔기 때문에 스트레스 조절기작을 잃어버려 가벼운 스트레스 조건에서도 극한의 환경을 대비하여 적극적인 스트레스 반응을 통해 생장 속도를 감소시키는 것으로 알려져 있다. 즉, 생장 에너지의 손실이 없는 낮은 수준의 스트레스 상태에서도 식물은 능동적인 신호전달을 통해 생장 감소를 유도하게 된다. 따라서 스트레스 저항성과 생산량을 동시에 가지는 작물을 개발하기 위해서는 식물이 생장보다는 생존을 과다하게 선택하여 생산을 포기하는 식물의 능동적 생장 저해 기작을 이해하는 데서 출발해야 한다.

...................(계속)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.