농촌진흥청(청장 권재한)은 유전자가위 기술을 적용해 구축한 삼광벼 전사인자 편집체 집단에서 벼 흰잎마름병과 키다리병 저항성을 증진하는 유전자를 발굴했다고 밝혔다.

유전자가위 기술은 특정 유전자 염기 서열을 인식하고 그 부위의 염기 서열에 변이를 일으키는 기술이다. 식물 형질에 관여하는 유전자를 제거·수정·삽입함으로써 형질의 변화를 일으키는 데 활용되고 있다.

최근 기후변화로 인한 이상기상으로 벼 흰잎마름병과 키다리병 등의 발생이 늘어 벼 생산량에 영향을 주고 있다.

벼 흰잎마름병 국내 피해 면적은 2021년 6258헥타르에서 2022년 2332헥타르로 줄었으나 지난해 8619헥타르로 급증했다. 모판 키다리병의 발병(2021년 1.2%→2022년 2.8%→2023년 2.5%)도 늘고 있는 추세이다.

벼 흰잎마름병은 잔토모나스 오리제(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)가 일으키는 세균병이며, 벼 키다리병은 푸사리움 푸지쿠로이(Fusarium fujikuroi)가 일으키는 곰팡이병이다.

이번 연구는 유전자가위 기술을 적용해 벼 스트레스 특이 발현 유전자와 56종 2400여 개의 전사인자(유전자의 특정 부위에 결합해 유전자 발현을 촉진하거나 억제하는 단백질) 등 총 2600여 종의 유전자 편집을 목표로 집단을 구축하던 중 먼저 구축된 146개 NAC 전사인자 편집체의 병 저항성 기능을 검정하며 이뤄졌다.

이번에 발굴한 유전자는 OsNAC30와 OsNAC59다. OsNAC30을 편집한 삼광벼는 일반 삼광벼보다 병징이 51.9% 줄었다. 이는 잔토모나스 오리제에 감염됐을 때 방어와 관련한 유전자 발현이 늘고 병 감수성 관련 유전자 발현은 줄면서 병 저항성이 증진했기 때문이다.

OsNAC59를 편집한 삼광벼는 푸사리움 푸지쿠로이에 감염됐을 때의 고사율이 일반 삼광벼보다 24.5% 낮았다. 키다리병 감수성과 관련한 지베렐린 호르몬, 자스몬산 연관 유전자들의 발현이 감소해 병 저항성이 높아진 것으로 보인다.

<유전자가위 기술 이용 벼 유전자 편집체 집단 구축 과정>

이번 연구 결과는 국제학술지 Plant Physiology(IF=7.4)에 논문으로 게재됐으며, 관련 특허출원도 완료했다.

연구진은 이번 연구 결과를 바탕으로 유전자 기반 분자표지를 개발하고 병 저항성이 높은 고품질 벼를 개발하는 데 활용할 계획이다.

김경환 농진청 유전자공학과 과장은 “유전자가위 기술 등 첨단기술을 적극적으로 활용한 병 저항성 유전자 발굴과 기능검정, 소재 발굴은 지속 가능한 농업을 위한 매우 중요한 과제”라며 “앞으로도 기후변화에 대응하기 위한 연구를 강화해 나갈 예정”이라고 말했다.