식물이 자연환경에서 어느 정도 변화하는 온도에 적응해 생장하는 것은 아주 자연스러운 현상이다.
그러나 올해와 같이 더운 여름 동안 극도로 높아진 기온은 식물이 적응하는 것의 한계를 넘을 수 있다. 고온은 식물 발달이나 결실 등에 심각한 영향을 줘 작물의 생산량 감소를 초래한다.
식물의 고온에 대한 민감성은 영양생장부터 생식단계까지 식물 발달 단계에 따라 다양하게 나타난다. 고온은 식물의 광합성, 물질대사, 호르몬 신호 전달 등을 포함한 여러 가지 생리적 과정들을 저해할 뿐만 아니라 단백질, 세포막, 세포 골격 구조 등의 안정성을 파괴한다.
이런 부정적인 영향은 잎과 줄기가 타들어가는 것, 잎의 노화와 떨어짐, 신초와 뿌리 생장의 억제, 과실 피해 등으로 나타나 결국 작물의 생산성과 품질을 떨어뜨린다. 고온으로 인한 이러한 작물 피해는 지구 온난화 영향으로 해마다 증가하고 있는 현실이다.
지구 온난화로 인한 온도 상승은 미래 작물 생산량에 예상보다 상당히 심각한 영향을 줄 것이다. 향후 인구 증가에 따른 식량 요구도가 높아진다고 볼 때 환경 스트레스에 적응하는, 특히, 고온에 내성을 갖는 작물 개발은 매우 중요하다.
유전적으로 고온에 내성을 나타내는 식물체들은 그들 자체 유전물질의 전사체, 단백질들의 단백체, 대사물질의 대사체를 다시 재조정함으로써 비교적 넓은 범위의 온도에 적응할 수 있는 시스템을 가지고 있다.
가장 중요한 특징 중의 하나는 열충격 단백질(HSP)을 대량 만들어 내는 것이다. 이외에도 많은 생화학적, 대사학적 특성이 고온 내성에 관여하게 된다. 따라서 이들 식물 자체가 보유하고 있는 온도 적응성 기작을 이해하고 응용하는 것이 필요하다.
예를 들어, 식물이 고온 스트레스를 받게 되면 프롤린이나 글라이신 베타인 같은 삼투 보호 물질을 축적해 세포내 수분 균형과 세포막 안정성 등을 유지시킴으로써 고온으로부터 세포내 구조를 보호한다. 실제로 프롤린을 과다 생성하도록 형질을 변형시킨 식물체가 고온 내성을 나타냈다.
궁극적으로 이런 고온 내성 작물을 개발하기 위해서는 전통적인 육종 방법이외에도 최신의 생명공학적 방법을 사용한 연구개발이 절실히 요구된다. 즉, 고온 내성을 갖고 있는 유전자원을 적극 선발해 이들 자원들에 대한 유전체 해독과 단백체 및 대사체 분석을 통해 고온 내성에 대한 분자생물학적, 생리학적 기작을 구명하는 연구가 필요하다.
또한 유전체 해독 정보에 기초한 생물정보학을 적극 활용해 고온내성과 직접적으로 연관돼 있는 분자마커를 개발해 품종개발에 활용하는 연구가 필요하다. 이와 더불어 고온 내성을 유도할 수 있는 유전자들을 탐색 발굴해 작물에서 이들 유전자들의 발현을 조절함으로써 고온 내성 작물을 개발하는 연구도 지속적으로 추진해야할 과제라고 할 수 있다.
갈수록 심각해지는 기후변화에 따라 여름철 고온 피해는 앞으로 더 증가할 전망이다. 따라서, 인류의 지혜를 집약해 발전시킨 생명공학을 적극적으로 활용해 고온 내성 작물을 개발하는 것이 절실히 요구된다.
-이연희 농촌진흥청 농업생명자원부 유전자공학과 농업연구관 님의 글-
