기후변화로 인한 고온, 가뭄, 이산화탄소 농도 변화 등은 식물의 광합성 능력과 수분 이용 효율을 저하시켜 전 세계 식량안보를 위협하고 있다. 이런 가운데, 영국 에식스대학교 연구팀이 미세조류에서 유래한 사이토크롬 c₆ 단백질을 식물에 발현시켜 광합성과 수분 이용 효율을 동시에 높이는 데 성공해 주목받고 있다.
(AI로 생성된 이미지로, 기사 내용과 무관합니다)
| 기후변화, 식물의 광합성 효율을 떨어뜨린다
기후변화는 식물의 광합성 능력에 다양한 방식으로 타격을 준다. 기온 상승은 광합성에 핵심적인 역할을 수행하는 '전자전달계'의 안정성을 떨어뜨려 광합성 효율을 낮춘다. 또한, 폭염과 가뭄으로 발생한 수분스트레스는 식물이 기공(잎에 나 있는 작은 구멍)을 닫게 만드는데, 이는 이산화탄소 흡수를 억제시켜 광합성 효율이 낮아지게 된다. 이러한 이유로 기후변화에 대응하여 광합성 효율이 증가된 새로운 작물을 육종하는 것이 중요한 과제로 논의된다.
| 미세조류 유래 효소, 식물 광합성 증대 효과 입증
연구팀은 담배(Nicotiana tabacum)에 유전자조작을 통해 미세조류의 사이토크롬 c₆ (cytochrome c₆)을 도입했다. 담배는 식물의 유전자를 연구할 때 주로 사용되는 모델(model)식물이다. 사이토크롬 c₆ 은 미세조류의 전자전달계에서 기능하는 효소로, 기존 식물의 효소인 플라스토사이아닌(PC)을 대체하여 보다 빠른 전자 이동을 가능하게 만든다. 이 결과, 사이토크롬 c₆ 을 도입한 담배는 광합성 전체 효율 상승이 관찰되었다.
| 다른 광합성 효소와 이중 발현 시 시너지 효과 확인
특히 이번 연구는 사이토크롬 c₆의 단독 발현뿐만 아니라, 탄소고정의 핵심 단계인 RuBP 재생 과정을 촉진하는 다른 광합성 효소(FBP/SBPase)와의 이중 발현 시 시너지 효과가 발생한다는 것을 규명한 점에서 의미가 크다. 이중 발현 식물은 사이토크롬 c₆ 만 도입된 단일 발현 식물보다 광합성 속도, RuBP 재생속도, 탄소고정효율 모두에서 더 높은 값을 보인 것이다. 이에 따라 온실 실험과 야외 실험 모두에서 지상부 생체량이 최대 52%까지 증가한 결과를 얻었다. 연구진은 이러한 결과를 "탄소 고정 회로에서 생성된 동화산물을 처리하는 능력(sink capacity)이 동시에 증가했기 때문에 광합성 과정이 병목 없이 유지되었기 때문"이라고 설명했다.
| 고광도 환경에서 수분 이용 효율 향상도 확인
기후 변화가 심화되면 고온과 함께 고광도 조건이 빈번해지는데, 이 조건에서 수분 증발을 최소화하며 광합성을 유지하는 능력은 중요하다. 사이토크롬 c₆ 와 FBP/SBPase 를 이중 발현한 식물은 고광도에서 기공전도도는 낮추면서도 이산화탄소 흡수는 유지하여 결과적으로 내재적 수분이용효율(intrinsic Water-Use Efficiency, iWUE)이 유의하게 향상되는 것이 관측되었다. 식물이 기공을 닫아 수분을 유지하면서도 이산화탄소의 이용 효율이 크게 감소하지 않은 것이다. 이는 고온·건조한 기후조건에서 생장 가능한 작물 개발에 유리한 특성으로 작용할 수 있다.
| 미세조류 유래 효소, 식물의 진화적 한계 보완
사이토크롬 c₆은 식물계에서는 진화 과정에서 소실된 단백질이다. 녹조류 및 남세균(시아노박테리아)에서만 여전히 존재해 광합성 과정을 돕는 역할을 한다. 사이토크롬 c₆은 특히 미량원소인 구리(Cu)가 결핍된 환경에서 전자전달 효율을 높이고, 광합성 반응 중심 (P700)에 전자를 빠르게 제공할 수 있는 능력이 있는 것으로 밝혀졌다. 이를 통해 미세조류에서 발견한 생체 분자가 기존 식물 광합성계의 한계를 보완하고, 미래의 스트레스 저항성 작물 개발에 활용될 가능성을 열었다.
| '지구 가열' 시대의 농업, 광합성 향상 식물이 책임질까
이번 연구는 유전자 조작 기술이 기후변화 시나리오에 적응할 수 있는 품종개량에 활용될 수 있는 가능성을 제시한다. 연구진은 “이러한 다유전자 기반의 광합성 향상 전략은 온실 뿐만 아니라 실제 야외 환경에서도 효과를 보였다”며, “장기적으로는 고온, 수분 부족, 기후 변동성이 커지는 미래 환경에서도 안정적인 작물 생산을 가능하게 하는 데 기여할 것”이라고 설명했다.
| 참고문헌
López-Calcagno, P. E., Brown, K. L., Simkin, A. J., et al. (2020). Stimulating photosynthetic processes increases productivity and water-use efficiency in the field. Nature Plants, 6, 1054–1063. \
기후변화로 인한 고온, 가뭄, 이산화탄소 농도 변화 등은 식물의 광합성 능력과 수분 이용 효율을 저하시켜 전 세계 식량안보를 위협하고 있다. 이런 가운데, 영국 에식스대학교 연구팀이 미세조류에서 유래한 사이토크롬 c₆ 단백질을 식물에 발현시켜 광합성과 수분 이용 효율을 동시에 높이는 데 성공해 주목받고 있다.
(AI로 생성된 이미지로, 기사 내용과 무관합니다)
| 기후변화, 식물의 광합성 효율을 떨어뜨린다
기후변화는 식물의 광합성 능력에 다양한 방식으로 타격을 준다. 기온 상승은 광합성에 핵심적인 역할을 수행하는 '전자전달계'의 안정성을 떨어뜨려 광합성 효율을 낮춘다. 또한, 폭염과 가뭄으로 발생한 수분스트레스는 식물이 기공(잎에 나 있는 작은 구멍)을 닫게 만드는데, 이는 이산화탄소 흡수를 억제시켜 광합성 효율이 낮아지게 된다. 이러한 이유로 기후변화에 대응하여 광합성 효율이 증가된 새로운 작물을 육종하는 것이 중요한 과제로 논의된다.
| 미세조류 유래 효소, 식물 광합성 증대 효과 입증
연구팀은 담배(Nicotiana tabacum)에 유전자조작을 통해 미세조류의 사이토크롬 c₆ (cytochrome c₆)을 도입했다. 담배는 식물의 유전자를 연구할 때 주로 사용되는 모델(model)식물이다. 사이토크롬 c₆ 은 미세조류의 전자전달계에서 기능하는 효소로, 기존 식물의 효소인 플라스토사이아닌(PC)을 대체하여 보다 빠른 전자 이동을 가능하게 만든다. 이 결과, 사이토크롬 c₆ 을 도입한 담배는 광합성 전체 효율 상승이 관찰되었다.
| 다른 광합성 효소와 이중 발현 시 시너지 효과 확인
특히 이번 연구는 사이토크롬 c₆의 단독 발현뿐만 아니라, 탄소고정의 핵심 단계인 RuBP 재생 과정을 촉진하는 다른 광합성 효소(FBP/SBPase)와의 이중 발현 시 시너지 효과가 발생한다는 것을 규명한 점에서 의미가 크다. 이중 발현 식물은 사이토크롬 c₆ 만 도입된 단일 발현 식물보다 광합성 속도, RuBP 재생속도, 탄소고정효율 모두에서 더 높은 값을 보인 것이다. 이에 따라 온실 실험과 야외 실험 모두에서 지상부 생체량이 최대 52%까지 증가한 결과를 얻었다. 연구진은 이러한 결과를 "탄소 고정 회로에서 생성된 동화산물을 처리하는 능력(sink capacity)이 동시에 증가했기 때문에 광합성 과정이 병목 없이 유지되었기 때문"이라고 설명했다.
| 고광도 환경에서 수분 이용 효율 향상도 확인
기후 변화가 심화되면 고온과 함께 고광도 조건이 빈번해지는데, 이 조건에서 수분 증발을 최소화하며 광합성을 유지하는 능력은 중요하다. 사이토크롬 c₆ 와 FBP/SBPase 를 이중 발현한 식물은 고광도에서 기공전도도는 낮추면서도 이산화탄소 흡수는 유지하여 결과적으로 내재적 수분이용효율(intrinsic Water-Use Efficiency, iWUE)이 유의하게 향상되는 것이 관측되었다. 식물이 기공을 닫아 수분을 유지하면서도 이산화탄소의 이용 효율이 크게 감소하지 않은 것이다. 이는 고온·건조한 기후조건에서 생장 가능한 작물 개발에 유리한 특성으로 작용할 수 있다.
| 미세조류 유래 효소, 식물의 진화적 한계 보완
사이토크롬 c₆은 식물계에서는 진화 과정에서 소실된 단백질이다. 녹조류 및 남세균(시아노박테리아)에서만 여전히 존재해 광합성 과정을 돕는 역할을 한다. 사이토크롬 c₆은 특히 미량원소인 구리(Cu)가 결핍된 환경에서 전자전달 효율을 높이고, 광합성 반응 중심 (P700)에 전자를 빠르게 제공할 수 있는 능력이 있는 것으로 밝혀졌다. 이를 통해 미세조류에서 발견한 생체 분자가 기존 식물 광합성계의 한계를 보완하고, 미래의 스트레스 저항성 작물 개발에 활용될 가능성을 열었다.
| '지구 가열' 시대의 농업, 광합성 향상 식물이 책임질까
이번 연구는 유전자 조작 기술이 기후변화 시나리오에 적응할 수 있는 품종개량에 활용될 수 있는 가능성을 제시한다. 연구진은 “이러한 다유전자 기반의 광합성 향상 전략은 온실 뿐만 아니라 실제 야외 환경에서도 효과를 보였다”며, “장기적으로는 고온, 수분 부족, 기후 변동성이 커지는 미래 환경에서도 안정적인 작물 생산을 가능하게 하는 데 기여할 것”이라고 설명했다.
| 참고문헌
López-Calcagno, P. E., Brown, K. L., Simkin, A. J., et al. (2020). Stimulating photosynthetic processes increases productivity and water-use efficiency in the field. Nature Plants, 6, 1054–1063. \