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벼흰잎마름병, 키다리병 저항성 지닌 유전자 찾아

복합 저항성 유전자 중 OsWRKY114… 가뭄 저항성도 조절해

벼 신품종 육성 위한 분자표지 개발과 육종 소재로 활용할 계획

농촌진흥청(청장 조재호)은 벼흰잎마름병과 키다리병에 대한 벼 저항성을 높이고, 가뭄 저항성도 조절하는 유전자를 발굴했다고 밝혔다.

벼흰잎마름병은 잔토모나스 오리제(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)라는 병원균이 일으키는 세균병이며, 키다리병은 푸사리움 푸지쿠로이(Fusarium fujikuroi)가 일으키는 곰팡이병이다.

농촌진흥청은 우선 이미 밝혀진 벼의 전체 염기서열(유전체) 정보를 바탕으로 더블유알케이와이(WRKY) 전사인자* 발현을 분석해 복합 저항성 후보 유전자를 발굴했다.

* WRKY 전사인자: 식물에서 가장 큰 유전자군 중 하나로 식물의 성장, 발달, 생리학적 대사와 스트레스 반응을 비롯한 많은 생물학적 과정에 관여함.

이렇게 발굴한 복합 저항성 유전자 중 OsWRKY114는 벼흰잎마름병과 키다리병 병원균에 대한 저항성 증진 효과를 보였다.

또한, 벼흰잎마름병 저항성을 줄이는 앱시스산* 관련 유전자가 적게 발현했으며, 키다리병 저항성을 줄이는 지베렐린 관련 유전자 발현도 감소했다.

*앱시스산(ABA): 식물 스트레스와 관련해 매우 중요한 조절 작용을 수행하는 식물 호르몬

이와 함께 앱시스산 효과 감소로 기공 닫힘이 억제돼 가뭄 스트레스에 대한 저항성은 줄었다.

이번 연구 결과는 International Journal of Molecular Sciences (IF=5.924) 등 4개 국제학술지에 논문으로 게재됐다.

농촌진흥청은 이번 연구 결과를 복합 저항성 유전자 기반 벼 품종을 육성하기 위한 분자표지(마커) 개발과 신품종 벼 육종 소재로 활용할 계획이다.

전북대학교 작물생명과학과 모영준 교수는 “기후변화로 벼의 안정적인 생산이 중요해진 시기에 이번 연구로 발굴한 복합 저항성 유전자를 품종 육성에 활용하면 좋은 대응 방안이 될 것이다.”라고 말했다.

농촌진흥청 유전자공학과 김경환 과장은 “기후변화로 인해 점차 가뭄 기간이 길어지고 물 부족이 심해지고 있다. 또한, 벼흰잎마름병, 키다리병 등이 지속해서 발생해 상품성이 떨어지고 수확량이 감소하고 있다.”라며 “복합 저항성 유전자 발굴과 기능검정은 기후변화 위협에 직면한 우리나라에서 지속 가능한 농업을 가능하게 할 매우 중요한 연구 분야다.”라고 말했다.

1. 연구 배경

□ 필요성

○ 기후변화로 가뭄이 길어지고 물 부족이 심해져 수량 감소의 원인이 되고 있음.

- 벼 흰잎마름병은 잔토모나스 오리제(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)가 일으키는 세균병으로, 국내 피해 면적은 2018년 3,283ha에서 2021년 6,258ha로 2배 증가함.

- 벼 키다리병은 병원균 푸사리움 푸지쿠로이(Fusarium fujikuroi)가 일으키는 곰팡이병이다. 못자리 키다리병은 2021년 1.2%, 2022년 2.8% 발생해 벼의 품질을 떨어뜨리고 수확량 감소를 가져옴.

○ 따라서 단일 저항성보다 여러 가지에 효과가 있는 복합 저항성 조절 유전자를 이용한 소재 개발의 중요성이 커지고 있음.

2. 복합 저항성 조절 결과 및 활용 계획

□ OsWRKY114 과발현체 흰잎마름병 저항성 기능 검정

○ 흰잎마름병을 일으키는 잔토모나스 오리제(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo) 병원균을 접종하여 병반 길이를 분석함.

○ 그 결과, OsWRKY114 과발현체에서는 대조구인 일미벼보다 흰잎마름병에 대한 병 저항성이 증진되었으며, Xoo 병원균에 대한 저항성을 증가시키는 표지(마커) 유전자로 알려진 OsPR1a와 Chitinase 유전자들의 발현이 대조구인 일미벼보다 높은 것을 확인함(그림 1).

그림 1. 흰잎마름병에 대한 OsWRKY114 과발현체 저항성 분석 결과

□ OsWRKY114와 앱시스산(ABA)의 연관성 검정

○ 식물 스트레스와 관련해 매우 중요한 식물 호르몬인 앱시스산(ABA)을 처리한 벼에서는 OsWRKY114의 활성이 감소하여 PR 유전자들의 발현이 억제되지만, OsWRKY114 과발현체에서는 이와 같은 반응이 상쇄됨(그림 2).

그림 2. 앱시스산이 OsWRKY114 전사활성에 미치는 영향 분석

○ OsWRKY114 과발현체에서는 앱시스산의 효과가 감소하여 대조구인 일미벼(OsWRKY114를 과발현하였기에 대조구로 사용)보다 흰잎마름병 감수성과 기공 닫힘이 억제됨(그림 3).

그림 3. OsWRKY114 과발현체에서 앱시스산 관련 면역반응 분석

○ OsWRKY114 과발현체에서는 흰잎마름병 감수성과 관련된 다양한 앱시스산(ABA) 유전자들의 발현과 기공면역 관련 공변세포를 조절하는 앱시스산 수용체인 OsPYL2와 OsPYL10 유전자들의 발현이 감소한 것을 확인함(그림 4).

그림 4. OsWRKY114 과발현체에서 ABA 관련 유전자들의 발현 분석

□ OsWRKY114와 가뭄저항성 연관성 검정

○ OsWRKY114 과발현체에서는 앱시스산에 의한 기공 닫힘이 억제되어, 가뭄 스트레스 저항성은 감소함(그림 5).

그림 5. 가뭄 스트레스에 대한 OsWRKY114 과발현체 저항성 분석 결과

□ 벼 형질전환체 키다라병 저항성 기능 검정

○ 키다리병을 일으키는 푸사리움 푸지쿠로이(Fusarium fujikuroi) 병원균을 접종하여 병증을 분석함.

○ 그 결과, OsWRKY114 과발현체에서는 대조구인 일미벼보다 키다리병에 대한 저항성이 증가한 것을 확인함(그림 6).

그림 6. 키다리병에 대한 OsWRKY114 과발현체 저항성 분석 결과

□ 키다라병 관련 표지(마커) 유전자 발현 분석

○ 키다리병 관련 유전자들의 발현을 분석해 본 결과, OsWRKY114 과발현체에서는 키다리병 감수성 증진에 중요한 지베렐린 연관 유전자들의 발현이 감소한 것을 확인함(그림 7).

그림 7. OsWRKY114 과발현체에서 지베렐린 관련 유전자들의 발현 분석

○ OsWRKY114 과발현체에서는 키다리병 저항성에 중요한 자스민산을 음성적으로 조절하는 OsJAZ 유전자들의 발현도 감소한 것을 확인함(그림 8).

그림 8. OsWRKY114 과발현체에서 OsJAZ 유전자들의 발현 분석

☞ OsWRKY114 과발현체에서는 흰잎마름병과 키다리병에 대한 복합 저항성이 증진되어 있음을 확인함.

☞ 흰잎마름병 저항성을 약화시키는 앱시스산 관련 유전자들의 발현 억제와 키다리병 저항성을 약화시키는 지베렐린 관련 유전자들의 발현 감소, 키다리병 저항성을 강화시키는 자스민산의 음성조절자인 OsJAZ 유전자들의 발현도 줄어 들어있음을 확인함.

☞ 가뭄 스트레스 저항성은 감소하여 조절기작 이해에 활용할 수 있을 것임. 따라서 OsWRKY114 유전자는 복합 저항성 증진 육종 소재 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대됨.