달콤한 성공: 사탕수수의 복잡한 유전암호 해독

현대 하이브리드 사탕수수는 지구상에서 가장 많이 수확되는 작물 중 하나이며 설탕, 당밀, 바이오에탄올 및 바이오 기반 재료를 포함한 제품을 만드는 데 사용됩니다. 또한 가장 복잡한 유전적 청사진 중 하나를 가지고 있습니다.

지금까지 사탕수수의 복잡한 유전적 특성으로 인해 사탕수수는 완전하고 매우 정확한 게놈이 없는 마지막 주요 작물이었습니다. 과학자들은 사탕수수의 유전자 코드를 성공적으로 파악하기 위해 여러 기술을 개발하고 결합했습니다. 그 지도를 통해 그들은 확인하지 않으면 설탕 작물을 황폐화시킬 수 있는 갈색 녹병에 대한 저항성을 제공하는 특정 위치를 확인할 수 있었습니다. 연구자들은 또한 유전자 서열을 사용하여 설탕 생산과 관련된 많은 유전자를 더 잘 이해할 수 있습니다.

이 연구는 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)의 DOE 과학 사무국 사용자 시설인 미국 에너지부 공동 게놈 연구소(JGI)에서 지역 사회 과학 프로그램의 일환으로 수행되었습니다. 이 연구는 오늘 저널에 게재되었습니다. 자연게놈은 JGI의 식물 포털인 Phytozome을 통해 이용 가능합니다.

JGI의 식물 프로그램 책임자이자 HudsonAlpha 생명공학 연구소의 교수진 연구원인 Jeremy Schmutz는 “이것은 우리가 지금까지 완성한 것 중 가장 복잡한 게놈 서열이었습니다.”라고 말했습니다. “그것은 우리가 얼마나 멀리 왔는지 보여줍니다. 이것은 10년 전에 사람들이 불가능하다고 생각했던 일입니다. 우리는 식물 유전체학에서는 불가능하다고 생각했던 목표를 이제 달성할 수 있습니다.”

사탕수수의 게놈은 크기가 크고 일반적인 식물보다 더 많은 염색체 사본을 포함하고 있기 때문에 매우 복잡합니다. 이러한 특징을 배수성이라고 합니다. 사탕수수에는 DNA의 구성 요소인 약 100억 개의 염기쌍이 있습니다. 비교를 위해 인간 게놈에는 약 30억 개가 있습니다. 사탕수수 DNA의 많은 부분은 서로 다른 염색체 내에서나 염색체 전체에서 동일합니다. 따라서 전체 유전 청사진을 재구성하면서 DNA의 모든 작은 부분을 올바르게 재조립하는 것이 어렵습니다. 연구자들은 DNA의 더 긴 부분의 서열을 정확하게 결정할 수 있는 PacBio HiFi 시퀀싱으로 알려진 새로 개발된 방법을 포함하여 여러 유전자 시퀀싱 기술을 결합하여 퍼즐을 풀었습니다.

완전한 “참조 게놈”을 가지면 사탕수수 연구를 더 쉽게 할 수 있으며, 연구자들은 사탕수수 유전자 및 경로를 수수나 스위치그래스 및 억새와 같은 관심 있는 기타 바이오 연료 작물과 같이 잘 연구된 작물의 유전자 및 경로와 비교할 수 있습니다. 이 참조를 다른 작물과 비교함으로써 설탕 생산 중에 어떤 유전자가 고도로 발현되는지, 어떤 유전자가 질병 저항성에 중요한지와 같이 각 유전자가 관심 특성에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것이 더 쉬워집니다. 이 연구에서는 이전에 사탕수수 작물에 수백만 달러의 피해를 입힌 곰팡이 병원체인 갈색녹병에 대한 저항성을 담당하는 유전자가 게놈의 한 위치에서만 발견된다는 사실을 발견했습니다.

논문 제1저자이자 HudsonAlpha 연구원인 Adam Healey는 “게놈 서열을 분석했을 때 갈색 녹병과 관련된 유전적 서열의 공백을 메울 수 있었습니다.”라고 말했습니다. “사탕수수 게놈에는 수십만 개의 유전자가 있지만 함께 작용하여 이 병원체로부터 식물을 보호하는 유전자는 단 두 개뿐입니다. 식물 전반에 걸쳐 보호가 유사한 방식으로 작용하는 것으로 알려진 사례는 소수에 불과합니다. 이 질병 저항성이 사탕수수에서 어떻게 작용하는지 더 잘 이해하면 향후 유사한 병원체에 직면한 다른 작물을 보호하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

연구자들은 사탕수수 유전학을 이해하기 위한 모델로 전 세계 수십 년 동안 사용되어 온 R570으로 알려진 사탕수수 품종을 연구했습니다. 모든 현대 사탕수수 품종과 마찬가지로, R570은 사탕수수(설탕 생산에 탁월함)의 길들여진 종과 질병 저항성을 위한 유전자를 보유한 야생 종을 교배하여 만든 잡종입니다.

“R570의 완전한 유전적 그림을 알면 연구자들은 어떤 유전자가 어느 부모로부터 유래했는지 추적할 수 있게 되어 육종가들이 향상된 생산을 위해 관심 형질을 제어하는 ​​유전자를 더 쉽게 식별할 수 있게 될 것입니다”라고 논문의 마지막 저자이자 사탕수수인 Angélique D’Hont는 말했습니다. 프랑스 국제개발농업연구센터(CIRAD) 연구원.

미래의 사탕수수 품종을 개선하는 것은 농업과 바이오에너지 모두에 잠재적으로 응용될 수 있습니다. 사탕수수에서 설탕을 생산하는 방법을 개선하면 농부가 작물에서 얻는 수확량을 늘려 동일한 재배 공간에서 더 많은 설탕을 제공할 수 있습니다. 사탕수수는 바이오 연료, 특히 에탄올 및 기타 바이오 제품을 생산하는 데 중요한 공급원료 또는 출발 물질입니다. 사탕수수를 압착한 후 남은 찌꺼기(바가스)는 분해되어 바이오 연료 및 바이오 제품으로 전환될 수 있는 중요한 농업 찌꺼기입니다.

DOE인 Joint BioEnergy Institute의 최고 과학 및 기술 책임자인 Blake Simmons는 “우리는 식물의 특정 유전자가 하류에서 얻는 바이오매스의 품질과 어떻게 관련되어 있는지 이해하기 위해 노력하고 있습니다. 이를 통해 바이오연료 및 바이오제품으로 전환할 수 있습니다.”라고 말했습니다. 버클리 연구소가 이끄는 바이오 에너지 연구 센터. “사탕수수 유전학에 대한 더 나은 이해를 통해 우리는 바이오 경제와 관련된 규모의 지속 가능한 사탕수수 전환 기술에 필요한 설탕 및 사탕수수 유래 중간체를 생산하는 데 필요한 식물 유전자형을 더 잘 이해하고 제어할 수 있습니다.”

이 연구에는 프랑스(CIRAD, UMR-AGAP, ERCANE); 호주(CSIRO 농업 및 식품, 퀸즈랜드 농업 및 식품 혁신 동맹/자연 및 농업의 식물 성공을 위한 ARC 우수 센터 – 퀸즈랜드 대학교, 호주 설탕 연구); 체코공화국(체코과학원 산하 실험 식물학 연구소); 및 미국(Corteva Agriscience, Joint BioEnergy Institute). 게놈은 JGI 파트너 실험실, 애리조나 유전체학 연구소 및 HudsonAlpha 생명공학 연구소에서 완료된 작업을 통해 JGI에서 서열 분석되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240327124802.htm