농작물 질병의 새로운 돌파구가 열리고 있다. 최근 식물 세포에서 면역을 유발할 수 있는 ‘소분자(small Molecule)’가 발견됐기 때문이다. 특히, 이 분자는 광범위한 생물농약 개발에 유용하고, 농작물의 질병 저항성을 강화할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 

중국과학원(CAS) 분자과학우수센터의 완 리(Wan Li) 연구원은 국제 학술지 Science 최신호에서 “새로 발견한 이 작은 분자는 식물 자체에서 유래하기 때문에 안전하며, 적절하게 사용하면 식물, 인간 또는 생태계에 해를 끼치지 않고 병원균 침입을 억제할 있다”며 “이 분자로 개발한 생물농약은 다양한 작물의 많은 질병을 효과적으로 방제할 수 있다”고 말했다.

Wan Li 연구팀은 실험실 모델 식물인 ‘애기장대(Arabidopsis thaliana)’를 사용해 수행한 ‘식물 및 박테리아 TIR(Time In Range, 목표 범위 내 비율) 면역 신호에 의한 헬퍼 NLR(면역 수용체) 활성화’라는 제목의 연구 논문을 Science 11월호에 게재했다. 

연구팀은 애기장대의 경우 식물 세포에 약 150만 개의 면역 센서가 존재한다고 설명했다. 각기 다른 센서가 해당 병원체에 반응해 동일한 소분자인 2’cADPR(순환 아데노신 2인산 리보스, cyclic ADP ribose)를 생성해 식물의 질병 저항성을 촉발한다는 것이다.

Wan Li는 “특정 센서는 특정 병원체에 대해서만 식물을 방어할 수 있기 때문에 여러 병원체에 대한 효과적인 광범위 질병 저항성을 달성하는 것이 식물 면역 연구에서 중요한 과제가 되고 있다”며 “센서는 특정하지만 활성화되면 사이토카인 성분인 2’cADPR을 모두 생성하며, 이 작은 분자를 생산함으로써 우리는 센서의 특이성을 우회해 광범위한 질병 저항성을 달성한다”고 말했다.

Wan Li는 특히 “이번에 발견한 소분자는 이미 특허를 받았고 생산에 들어갔다”며 “다음 단계는 실제 현장에서 광범위 질병 저항성을 계속 입증하는 것이며, 곧 실용화될 수 있기를 희망한다”고 덧붙였다.

한편, Science 11월호에 동시 게재된 또 다른 논문인 ‘표준 단백질 복합체의 면역 항상성(恒常性) 및 다중 병원체 내성 제어(A canonical protein complex controls immunity homeostasis and multipathogen resistance)’ 연구에서는 벼에서 이 면역 경로의 광범위한 효과를 확인했다.

이 연구는 중국과학원 분자식물과학 우수혁신센터(Molecular Plant Science Excellence Innovation Center of the Chinese Academy of Sciences)의 허 주화(He Zuhua) 학자와 장 유(Zhang Yu) 교수, 푸단대학교(Fudan University)의 가오 밍준(Gao Mingjun) 교수, 저장대학교(Zhejiang University) 덩 이원(Deng Yiwen) 교수 연구팀이 공동으로 수행했다. 

연구 결과에 따르면, 식물은 질병에 저항하기 위해 두 겹의 면역 체계를 진화시켰다. 하나는 일반적으로 약한 식물 표면에서 작동하는 기본적인 질병 저항성이며, 다른 하나는 병원균을 만났을 때 센서 단백질에 의해 촉발되는 종족 특이적 저항성이다.
Deng Yiwen 교수는 “우리 공동 연구팀은 2021년 초에 벼의 특정 유전자인 ROD1 항체가 질병 저항성을 억제할 수 있다는 것을 입증했다”며 “그러나 면역 활성화를 억제하는 ROD1의 신호 전달 경로는 아직 밝혀지지 않았다”고 설명했다.

공동 연구팀은 추가 연구를 통해 식물 면역 항상성을 조절하는 5가지 신호 네트워크를 밝혀내 여러 병원체에 광범위한 저항성을 가진 작물을 육종하는데 중요한 이론적 근거와 표적 유전자를 제공했다.

또한, 벼의 세포 수용체 유전자인 OsTIR 단백질이 면역 저분자 pRib-AMP(포스포리보실-아데노신 모노포스페이트)를 생성하고 단백질(OsEDS1, OsPAD4, OsADR1)을 활성화시켜 면역 복합체인 EPA(에이코사펜타엔산)를 형성해 면역 반응을 활성화 할 수 있다는 것을 입증했다.

이들 공동 연구팀의 추가 연구에 의하면, 벼 면역 억제 단백질 ROD1은 OsTIR과 상호 작용해 소분자 pRib-AMP 생성을 억제하고 EPA 복합체가 면역 반응을 자극하는 것을 방지하며 면역 항상성을 유지하는 것으로 나타났다. 또 병원균의 공격을 받으면 ROD1이 분해되고 OsTIR 단백질이 방출되어 면역 복합체 EPA를 활성화하는 소분자가 만들어져 여러 병원체에 대한 광범위한 저항성을 생성한다.

Wan Li는 “과거에는 해충과 질병에 대한 농작물의 저항성을 주로 화학농약에 의존해 생태계에 해를 끼쳤을 뿐만 아니라 인간 건강에도 특정 위험을 초래했다”고 전제한 뒤 “두 팀의 중국 과학자들이 강화된 면역 반응과 생물농약의 관점에서 농작물의 광범위한 질병 저항성에 획기적인 진전을 이뤄냈다”며 “두 솔루션 모두 환경과 인간 건강에 대한 피해 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.