식물들이 독성 금속과 해충에 견디기 위해서, 염과 가뭄 내성을 늘리기 위해서, 물 손실을 통제하기 위해서, 당을 저장하기 위해서 그들의 생물학적 막을 통해서 중요한 물질들을 수송하는 방식에 대한 새로운 발견들이 우리의 빠르게 증가하는 지구 인구을 위해 식량과 에너지 공급을 늘리는데 큰 의미를 가질 수 있다.
식물이 독성 금속과 살충체에 저항하고, 염과 가뭄 내성을 늘리며, 물 손실을 조절하고 당을 저장하기 위해서 물질들을 그것들의 생물학적 막을 통해서 수송하는 방법에 대한 새로운 발견들은, 빠르게 늘어나는 지구 인구를 위한 식품과 에너지의 공급을 늘리는데 큰 의미를 가질 수 있을 것이다.
이것은 총체적으로 지구 농업에 큰 영향을 줄 수 있는 식물 수송 단백질들의 중요한 성질들을 최근에 발견한 12명의 주요 식물 생물학자들-세계 여러 나라들로부터 온 과학자들-의 결론이다. 그들은 저널 네이처 5월 2일 호에서 이번 발견들의 응용이 지구 인구가 70억에서 2050년까지 90억으로 증가하면서 세계가 증가하는 식품 및 연료에 대한 수요를 맞추는 것을 도울 수 있을 것이라고 보고했다.
“이 막 수송체들은 땅으로부터 영양분들을 취하고, 당을 수송하고 염과 알루미늄과 같은 독성 물질에 저항하기 위해서 식물들이 사용하는 특화된 단백질 군”이라고 그들은 발견했다. 이번 발견들이 종합적으로 지속가능한 식량과 연료 생산을 향상시키기 위해서 어떻게 사용될 수 있을지를 기술하는 논문에서 호주와 일본, 멕시코, 대만, 미국 영국으로부터 온 11명의 다른 과학자들과 캘리포니아대 샌디에이고에 있는 생물학 교수인 Julian Schroeder는 협력했다.
지속가능한 식품 및 생물연료 생산에 식물에 대한 기초 연구를 적용하기 위해서 고안된, 21세기를 위한 식품 및 연료(Food and Fuel for the 21st Century)라고 불리는 캘리포니아대 샌디에이고 캠퍼스에 있는 새로운 연구 단위의 공동 책임자이기도 한 Schroeder는, 그와 세계 여러 곳의 다른 실험실들에서의 많은 새로운 발견들이 이전에는 “아무도 모르는”?소그룹의 식물 생물학자들에게만 알려지는?일이었지만, 이들 발견들을 널리 퍼뜨림으로써, 생물학자들은 정책 입안자들을 교육하고 궁극적으로 그들의 발견들을 빠르게 세계 농업에 응용하기를 바라고 있다고 말했다.
“70억 명의 현재 지구 인구 중에서, 거의 10억 명이 영양결핍이고 그들의 식이에서 충분한 단백질과 탄수화물이 부족하다”고 이 생물학자들이 논문에 썼다. “추가적인 10억 명은 그들의 식이에서 철과 아연, 비타민 A와 같은 필요한 미량요소들이 부족하기 때문에 영양결핍을 겪고 있다. 이 식이 결핍은 세계 건강에 큰 부정적인 영향을 주어서, 결과적으로 감염과 질병들에 취약성을 높일 뿐만 아니라 상당한 정신적인 장애의 위험을 늘린다. 다음 4 세기 동안에, 예측되는 추가적인 20억 명의 사람들이 영양가 있는 식량을 필요로 하게 될 것이다. 도시화의 가속과 함께, 인구 증가와 기후 변화의 임박과 맞물려 개발도상국들에서 단백질에 대한 수요 증가는 농업 생산에 더 많은 압력을 가하게 될 것”이라고 그들은 말했다.
“단순히 무기 비료 사용과 물 공급을 증가시키는 것이나 유기 농장 시스템을 농업에 적용하는 것은 수득률 증가와 환경 지속가능성의 합동 요구사항을 만족시킬 수 없을 것이다. 제한된 토지 자원에서 식량 생산을 증가시키는 것은 곡물들의 유전적인 향상과 함께 혁신적인 농경제 실행에 의존할 것”이라고 이 과학자들은 덧붙였다.
Schroeder의 연구 발전들 중 하나는 캘리포니아 중앙 계곡에서와 같이, 물을 대는 밭에서 큰 작물 손실을 일으켰던, 염 스트레스로부터 식물들을 보호하는데 중요한 역할을 하는 나트륨 수송체의 발견으로 이어졌다. 공저자인 Rana Munns와 그녀의 동료들이 이끈, 호주에 있는 농업 과학자들은 이제 토양에 있는 염에 더 내성을 가지는 밀 식물을 유전 조작하기 위해서 육종 연구에서 이 종류의 나트륨 수송체를 이용해서, 현장 시험에서 크게 25퍼센트만큼 밀 생산량을 늘렸다. 이 최근의 개발은 이전에는 생산적이었지만, 지금 휴한하는 땅을 가진 농장에서 그것들을 키울 수 있도록, 작물의 염 내성을 향상시키는데 사용될 수 있을 것이다.
공저자들인 코넬대에 있는 Leon Kochian과 호주에 있는 Emanuel Delhaize가 이끈 또 다른 최신의 발견은 지금은 농업 생산을 위해서 사용될 수 없지만, 그렇지 않다면 농업을 위해서 이상적일 수 있는 지구 산성 토양의 30퍼센트에서 작물을 키우는 잠재성을 열어준다. “토양이 산성이면, 알루미늄 이온이 토양에 자유롭게 풀려서, 결과적으로 식물에 독성을 나타낸다. 일단 토양에 들어가면, 알루미늄은 취약한 식물들의 뿌리 끝을 상하게 해서 뿌리 성장을 방해하는데, 이는 물과 영양의 흡수를 악화시킨다”고 이 과학자들을 썼다.
그들의 최신 발견들로부터, 이 식물 생물학자들은 이제 식물들이 어떻게 뿌리가 독성 알루미늄에 견디도록 하는 과정들을 통제하는지를 이해했다. 알루미늄 이온들을 독성이 없는 형태로 전환시키도록 작물들을 유전자조작함으로써, 농업 과학자들이 이제 사용할 수 없거나, 수득률이 낮은 산성 토양을 놀랍게도 생산적인 농토로 바꾸어 식량과 생물연료를 위한 작물들을 키울 수 있다.
이 생물학자들이 기술한 다른 최신 전송 단백질 개발은 식량 작물에서 철과 아연의 저장을 증가시켜서 영양의 질을 향상시키는 것으로 나타났다. “20억 이상의 사람들이 식물을 기반으로 하는 그들의 식이가 이들 필수 원소들의 풍부한 원천으로 충분하지 않기 때문에 아연과 철 결핍으로 고생하고 있다”고 이 과학자들을 썼다.
이 과학자들은 또한 식물과 공생 토양 진균에서 작물들이 생산하는데 비용이 드는 질소 비료의 흡수를 증가시키고 인-식물 성장과 작물 생산률에 필수적인 원소-을 더 효율적으로 얻게 하는 수송체들을 발견했다. “질소 비료 생산은 지구 에너지 사용의 1퍼센트를 소비해서 많은 작물들에서 최고 투입 원가가 된다. 그럼에도 불구하고 적용된 질소 비료의 30에서 50퍼센트와 인의 20에서 30퍼센트만이 식물에 의해 사용된다. 나머지는 온실 기체인 아산화질소의 생산이나 유거수를 통한 수생 생태계의 부영양화로 이어질 수 있다”고 이 과학자들은 썼다.
이 생물학자들은 증산을 통해서 식물들이 그들의 물의 90퍼센트 이상을 잃는, 잎의 상피에 있는 “기문 공들”을 조절하는 식물 수송 단백질들에서의 발견을 통해서 작물들이 물을 사용하는데 더 효율적으로 만들 수 있을 것이라고 말했다. 농업에서 두 가지 다른 주요 목표들은 작물의 탄수화물 함량과 해충에 대한 내성을 늘리는 것이다. 식물 전체에서 당을 이동시키는 단백질 수송체들의 최근의 발견은 작물에 해충 내성을 부여한 쌀 식물을 개발하는데 사용되어, 해충 내성을 가지고 생산율이 높은 작물들의 유전자조작을 단순화시키는 새로운 방법을 제공하는데, 이는 현장에서 살충제의 사용을 줄이도록 이끌어줄 수 있을 것이라고 이 생물학자들은 말했다.
“우리의 휴대폰이 더 많은 정보를 가지고 다닐 수 있게 더 발전된 기술을 필요로 하는 것처럼, 식물들도 기존의 농업용 땅에서 더 열심히 일하도록 만들기 위해서 더 낫거나 새로운 수송체들을 필요로 한다. 합성 비료와 살충제들이 현재 해법이지만, 우리는 식물들이 그들 자신의 화학적 원소들을 찾고 수송하는 것을 더 잘 하도록 만들 수 있다”고 영국에 있는 존인스센터(John Innes Centre)의 책임자이며 그 논문의 수신 공저자인 Dale Sanders가 말했다.
식물 수송체들의 생물학을 이해하는데 있어서 이들 새로운 개발들은 부정적인 환경에 덜 취약한 향상된 변종들로 이끌어 인간 건강을 향상시키고 있다. “더 많은 기초적인 지식과 기본적인 발견 연구가 필요하고 우리가 이들 발전들을 보다 더 완전히 활용할 수 있고 식량과 에너지 수요와 지속가능한 수확량 증가의 필요를 고려하여 식물 향상의 새로운 전망 있는 길들을 추구할 수 있게 해줄 것”이라고 Schroeder가 말했다.
Schroeder와 Sanders 외에, 호주 캔버라(Canberra)에 있는 CSIRO의 Emmanuel Delhaize, 카네기과학연구소(Carnegie Institution of Science)의 Wolf Frommer, 다트머스대(Dartmouth College)의 Mary Lou Guerinot, 뉴욕 이타카(Ithaca)에 있는 보이스톰슨식물연구소(Boyce Thompson Institute for Plant Research)의 Maria Harrison, 멕시코 이라부토(Iraputo)에 있는 국립폴리테크닉연구소(National Polytechnic Institute)의 연구고등학문센터(Center for Research and Advanced Studies)의 Luis Herrera-Estrella, 일본 나가노(Nagano)에 있는 신슈대(Shinshu University)의 Tomoaki Horie, 코넬대(Cornell Unversity)의 Leon Kochian, 퍼스(Perth)에 있는 웨스턴오스트레일리아대(University of Western Australia)의 Rana Munns, 일본에 있는 이시카와도립대(Ishikawa Prefectural University)의 Naoko Nishizawa, 대만 국립학술원의 Yi-Fang Tsay가 이 논문의 공저자들이다.
Source : 녹색기술정보포털
