스스로 비료가 되는 식물: 미래 식량 생산의 해답 (TED 강연 요약)

 

농업의 혁신적인 변화가 바로 눈앞에 있습니다. 질스 E.D. 올드로이드 교수의 TED 강연은 우리의 식량 생산 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 놀라운 연구를 소개합니다. 농업의 미래가 식물과 미생물의 공생 관계에 있다고 말하는 이 연구를 함께 살펴보겠습니다.

콩 식물이 가진 놀라운 비밀

올드로이드 교수가 들고 있는 콩 식물의 뿌리에는 특별한 혹(nodule)이 있습니다. 이 작은 혹 안에는 수백만 개의 박테리아가 살고 있는데, 이 박테리아들은 정말 놀라운 일을 합니다. 바로 공기 중의 질소를 포집해 식물이 사용할 수 있는 형태로 변환하는 것이죠.

모든 식물은 DNA, RNA, 단백질을 만들기 위해 질소가 필요합니다. 하지만 우리가 숨쉬는 공기의 78%를 차지하는 질소는 식물이 직접 사용할 수 없는 형태입니다. 오직 '질소고정효소'를 가진 박테리아만이 이 불활성 질소를 식물이 사용할 수 있는 암모니아로 전환할 수 있습니다.

콩 식물의 뿌리 혹 안에 있는 박테리아는 공기 중의 질소를 암모니아로 전환하여 콩 식물에게 제공합니다. 그 대가로 콩 식물은 광합성을 통해 얻은 당분을 박테리아에게 공급합니다. 이것이 바로 '상호 공생 관계'입니다. 콩 식물과 박테리아 모두에게 이익이 되는 관계죠.

식물 뿌리의 또 다른 놀라운 능력

콩 식물의 뿌리는 또 다른 놀라운 일을 합니다. 현미경으로 들여다보면 뿌리가 '미코리자 균류'라는 유익한 곰팡이로 가득 차 있는 것을 볼 수 있습니다. 이 균류는 토양에 깊숙이 침투하여 식물 뿌리 혼자서는 도달할 수 없는 넓은 영역과 접촉합니다.

이를 통해 인산염, 질산염, 칼륨, 물과 같은 영양소를 훨씬 효율적으로 흡수할 수 있게 해줍니다. 이 균류는 토양에만 있는 것이 아니라 콩 식물의 뿌리 내부에도 존재하며, 뿌리 세포 안에 '아르부스큘'이라 불리는 고도로 분지된 균류 침입체를 형성합니다.

균류는 토양에서 영양소를 포집하여 이 아르부스큘을 통해 콩 식물에게 공급합니다. 그 대가로 콩 식물은 광합성을 통해 얻은 탄소를 균류에게 공급합니다. 이 역시 상호 공생 관계입니다.

자연의 지혜, 농업의 미래

이렇게 콩 식물은 인산염과 질소 필요량의 거의 전부를 이러한 유익한 미생물 관계를 통해 얻을 수 있습니다. 이것은 무료이며 지속 가능한 방식으로 작물 생산을 지원하는 방법입니다.

자연에서 대부분의 식물은 이러한 유익한 미생물과 상호작용하며 환경에서 제한된 영양소를 포획하는 데 도움을 받습니다. 하지만 현대 농업에서는 상황이 매우 다릅니다. 우리는 작물 생산을 지원하기 위해 무기 비료 형태로 고농도의 영양소를 적용하고 있습니다.

무기 비료는 지난 60년 동안 전 세계 식량 안보의 근간이 되었지만, 심각한 환경 오염을 유발하고, 온실가스 배출에 상당히 기여하며, 작물 생산 비용의 많은 부분을 차지합니다. 또한 소규모 농민들은 이러한 비료에 접근하지 못해 생산성이 저하됩니다.

ENSA 프로젝트: 무기 비료 의존도 줄이기

이러한 이유로 올드로이드 교수와 ENSA 프로젝트의 동료들은 무기 비료에 대한 의존도를 크게 줄이거나 제거하기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 모든 작물, 특히 곡물 작물이 콩 식물처럼 유익한 미생물 관계를 통해 영양소를 얻을 수 있도록 만들고자 합니다.

균류와의 공생은 콩과 같은 콩과 식물에 국한되지 않고 식물계에 널리 퍼져 있으며, 이미 우리의 곡물 작물에도 존재합니다. 그러나 우리가 밭에 비료를 줄 때, 작물은 균류와 상호작용하지 않습니다. 영양소가 제한적이지 않다면 균류에게 탄소를 제공할 이유가 없기 때문입니다.

자연 생태계의 토양은 숙주 식물이 먹이는 이러한 미코리자 균류의 복잡한 네트워크로 가득 차 있지만, 농업 토양에는 이러한 유익한 균류가 크게 감소되어 있습니다.

식물과 미생물의 상호작용을 조절하는 유전자 발견

연구팀은 식물이 이러한 유익한 균류와 상호작용할 때를 제어하는 유전적 조절자를 식별하기 시작했습니다. 그들은 이러한 단백질 조절자가 식물이 영양소가 부족할 때만 존재한다는 것을 발견했고, 그 시스템을 재구성하여 식물이 균류와 더 적극적으로 상호작용하도록 만들었습니다.

필드 트라이얼에서 이렇게 재구성된 보리 식물은 뿌리 내부에 10배나 많은 균류를 갖게 되었습니다. 이는 작물 내부뿐만 아니라 필드 전체에 더 많은 균류가 있다는 것을 의미합니다.

질소 고정 박테리아 공생의 이전

무기 비료에 대한 의존도를 완전히 없애기 위해서는 질소 고정 박테리아 공생도 필요합니다. 그러나 불행히도 질소 고정 공생은 콩과 같은 콩과 식물과 그 친척들에게만 국한되어 있습니다.

연구팀은 지난 30년 동안 콩이 질소 고정 박테리아와 상호작용할 수 있게 하는 모든 유전자를 식별하기 위해 유전적 해부를 수행해 왔습니다. 그 과정에서 많은 유전자를 식별했지만, 놀랍게도 콩 식물에만 있는 새로운 유전자는 아직 하나도 발견하지 못했습니다. 사실 그 유전자들은 이미 우리의 곡물 작물에도 대부분 존재합니다.

예를 들어, '공생 신호 경로'는 콩 식물 뿌리 표면의 세포에 발현되는 일련의 단백질로, 콩 식물이 토양의 질소 고정 박테리아를 인식할 수 있게 합니다. 박테리아를 인식하면 핵 내의 칼슘이 진동하는데, 이것은 기본적으로 세포가 "토양에서 이러한 유익한 박테리아를 보았으니 이제 그 박테리아를 들어오게 하는 데 필요한 유전자 발현을 켜라"고 말하는 것입니다.

콩 식물에서 질소 고정 박테리아를 인식할 수 있게 하는 이 공생 신호 경로는 이미 우리의 곡물 작물에도 존재합니다. 그 이유는 이것이 모든 식물이 미코리자 균류를 인식할 수 있게 하는 것과 동일한 신호 변환 경로이기 때문입니다.

공생의 재설계: 질소 고정 곡물의 가능성

콩과 식물이 질소 고정 박테리아와 상호작용하는 능력을 진화시켰을 때, 그들은 새로운 것을 발명하지 않았습니다. 대신 유익한 균류와의 상호작용과 관련된 기존 유전적 구성 요소를 활용하여 유익한 박테리아와의 상호작용도 가능하게 했습니다.

본질적으로 질소 고정 공생은 미코리자 균류 공생의 수정된 형태일 뿐이며, 몇 가지 미세한 조정이 있을 뿐입니다. 중요한 조정 중 하나는 공생 신호 경로를 뿌리 기관 형성과 연결하여 질소 고정 박테리아를 수용할 수 있는 결절을 만드는 것입니다.

하지만 심지어 이러한 고유한 결절 구조조차도 그렇게 새롭지 않습니다. 그들은 이미 우리의 곡물 작물에 존재하는 기존 발달 유전자를 사용합니다. 본질적으로 질소 고정은 전체 세트의 기존 유전적 구성 요소를 사용하지만, 질소 고정의 외관상 새로운 것을 만들기 위해 새로운 방식으로 재구성합니다.

엔지니어링 관점에서 볼 때, 기존 유전적 구성 요소를 재구성하는 것이 처음부터 그 유전적 구성 요소를 구축하는 것보다 훨씬 쉽습니다. 이 지식을 사용하고 기존 유전적 구성 요소의 네트워킹을 올바르게 함으로써, 연구팀은 이제 비콩과 식물에서 결절을 엔지니어링할 수 있게 되었습니다.

현재는 그 결절이 질소 고정 박테리아에 감염되지 않는 단계이지만, 연구팀은 현재 그 단계에 대해 연구 중입니다. 올드로이드 교수는 질소 고정 곡물을 제공하는 데 잘 진행 중이라고 믿고 있으며, 기존 유전적 구성 요소를 처음부터 구축하는 대신 재구성하고 있기 때문에, 그의 경력 내에 질소 고정 곡물을 제공할 수 있다고 확신하고 있습니다.

미래의 녹색 혁명: 미생물 혁명

자연은 이미 이 행성을 지속 가능하게 먹이는 방법을 보여주었습니다. 올드로이드 교수는 다음 녹색 혁명이 미생물 혁명이 될 것이라고 믿습니다. 유익한 균류를 사용하여 인산염을 제공하고 유익한 박테리아를 사용하여 질소를 제공함으로써, 우리의 식량 생산 시스템을 지원하기 위한 훨씬 더 지속 가능한 수단을 제공하고, 세계 모든 농부가 접근할 수 있는, 진정으로 혁신적인 기술을 제공할 것입니다.

이 연구는 우리가 직면한 식량 안보와 환경 지속 가능성 문제에 대한 매우 유망한 해결책을 제시합니다. 자연의 지혜를 이용하여 인간의 필요를 충족시키는 이러한 접근방식이 앞으로의 농업 발전 방향을 보여주고 있습니다.