지구 기온이 상승하고 극단적인 기상 현상이 더 흔해짐에 따라 유전자 편집이 식물이 변화에 대처할 수 있도록 조정하는 데 도움이 될 수 있습니까? 언뜻 보기에는 사무실 구석이나 대학 연구실 창턱에서 자라는 다른 식물처럼 보였습니다. 그러나 2018년 미네소타 대학교에서 재배된 이 특정한 토마토 식물은 달랐습니다. 길쭉한 잎사귀와 작은 붉은 열매가 덥수룩하게 얽혀 있는 것은 페루와 에콰도르가 원산지인 야생 토마토 식물인 Solanum pimpinellifolium( 붉은 건포도 토마토라고도 함)의 특징이었습니다. 그러나 자세히 살펴보면 식물의 독특함이 더욱 분명해졌습니다.
이 특정 식물은 야생 토마토보다 가지 가 더 적지만 열매 가 더 많은 더 컴팩트했습니다 . 과일도 평소보다 약간 더 어둡게 나왔는데, 이는 암과 심장병의 위험을 낮추는 항산화제인 라이코펜 증가의 신호였습니다 . 실제로 그렇게 설계되었습니다.
이 식물은 유전 물질에 대한 "잘라내기 및 붙여넣기" 도구처럼 작동 하는 노벨상을 수상한 기술인 Crispr 유전자 편집을 사용하여 유전학자 Tomas Cermak과 그의 동료들에 의해 만들어졌습니다 . 이 기술은 이제 농업에 혁명을 일으키고 미래를 위한 작물을 만드는 데 도움이 됩니다.
Cermak 자신은 재배하기 쉽고 영양가 있고 맛있으면서도 변화하는 기후에 더 잘 적응할 수 있는 완벽한 토마토를 찾는 임무를 수행하고 있습니다. "이상적인 식물은 더위, 추위, 염분, 가뭄, 해충 등 모든 형태의 스트레스에 강할 것입니다."라고 그는 말합니다.
기후 변화는 많은 작물에 문제를 일으키고 토마토도 예외는 아닙니다. 토마토는 열을 좋아하지 않으며 18C(64F)와 25C(77F) 사이에서 가장 잘 자랍니다. 그 문턱의 양쪽을 건너면 상황이 내리막길을 걷기 시작합니다. 꽃가루가 제대로 형성되지 않고 꽃이 제 대로 열매 로 형성되지 않습니다 . 수은이 35C(95F)를 넘으면 수확량이 붕괴되기 시작합니다 . 2020년 연구에 따르면 21세기 중반까지 역사적으로 토마토 재배에 사용되었던 캘리포니아 토지의 최대 66%가 더 이상 작물에 적합한 온도 가 아닐 수 있습니다 . 다른 모델링 연구에 따르면 2050년까지 브라질, 사하라 사막 이남의 아프리카, 인도, 인도네시아의 넓은 땅 도 더 이상 토마토 재배에 최적의 기후를 가지지 못할 것이라고 합니다.
물론, 평균 기온이 올라가면 이전에 너무 추웠던 다른 지역이 토마토 친화적으로 변할 수 있습니다. 그러나 이탈리아의 관측에 따르면 극단적인 날씨도 고려해야 할 사항입니다. 북부 이탈리아의 2019년 재배 시즌은 우박, 강한 바람, 비정상적으로 높은 강우량, 예외적인 서리와 예외적인 열로 인해 피해를 입었습니다. 결과는 스트레스를 받은 토마토 식물과 수확량 저하였습니다 .
그리고 더 있습니다. 농부들이 종종 소금을 함유한 낮은 품질의 관개용수를 사용하도록 하는 물 부족은 토양 염분의 증가로 이어집니다. 이는 상업용 토마토 품종이 좋아하지 않는 것 입니다. 한편, 높은 오존 수치는 토마토 를 세균성 잎반점과 같은 질병에 더 취약 하게 만듭니다.
특히 토마토가 현재 세계에서 가장 큰 원예 작물이라는 점을 고려하면 인류는 매년 1 억 8200만 톤 의 과일을 생산하는데 , 이는 거의 기자의 대피라미드 32개 무게에 해당합니다. 뿐만 아니라 토마토에 대한 우리의 욕구가 빠르게 증가하고 있습니다. 지난 15년 동안 전 세계 토마토 생산량이 30% 이상 증가했습니다 .
토마토는 인류가 가장 좋아하는 과일일 뿐만 아니라 모델 작물이기도 합니다. 토마토는 빨리 자라고 번식하기 쉬우며 상대적으로 유전자 수준에서 조작하기 쉽습니다. 뉴욕 코넬 대학의 식물 유전학자인 조이스 반 에크(Joyce Van Eck)는 "유전체 서열, 유전 공학, 토마토 유전자 편집과 같은 자원을 개발하기 위한 다른 식물 종보다 연구에 사용할 수 있는 자금이 더 많다"고 말했다. 이를 종합하면 토마토는 가까운 장래에 많은 기후 적응 작물을 가져올 수 있는 Crispr과 같은 새로운 유전자 편집 기술에 대한 연구에 완벽합니다.
이러한 기후 똑똑한 유전자가 식별되면 Crispr을 사용하여 특정 원치 않는 유전자를 삭제하거나 다른 유전자를 조정하거나 새로운 유전자를 삽입하도록 표적화할 수 있습니다.
Crispr은 과학자들이 박테리아에서 용도를 변경한 분자 도구 상자입니다. 박테리아가 바이러스의 공격을 받을 때 공격자가 복제할 수 없도록 하기 위해 바이러스 DNA를 캡처하고 잘라냅니다. 2013년부터 식물에서 사용하고 있는 Crispr은 이제 연구자들이 원하는 형질을 얻기 위해 극도로 정확하고 정확하게 게놈을 수정할 수 있도록 합니다. 유전자를 삽입하고 삭제하고 표적 돌연변이를 생성할 수 있습니다. 인간이 아닌 동물에서 Crispr은 인간 질병 모델 연구, 가축 개선에 사용되며 잠재적으로 멸종된 종을 부활시키는 데 사용될 수도 있습니다 . 식물에서는 더 좋고, 더 맛있고, 더 영양가 있고, 더 저항력이 있는 작물을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
첫 번째 단계는 표적에 적합한 유전자를 찾는 것입니다. 네덜란드 Wageningen University의 식물 유전학자인 Richard Visser는 "우리는 유전자 편집을 사용하여 유전자를 변경, 수정 또는 녹아웃할 수 없기 때문에 비생물적 및 생물적 스트레스를 견딜 수 있는 책임이 있거나 관여하는 유전자를 식별해야 합니다."라고 말했습니다.
토마토를 포함한 작물을 길들이는 것은 유전적 다양성의 엄청난 손실을 가져왔습니다. 현대의 상업용 품종은 성장이 빠르고 수확이 쉬울 수 있지만 유전적으로 말해서 그들은 평범한 바닐라입니다. 그냥 네 개의 균질화 작물 - 콩, 쌀, 밀, 옥수수 - 지배 글로벌 농업, 세계의 농업 토지의 절반 이상을 차지한다.
대조적으로, 그들의 야생 사촌과 소위 랜드레이스(특정 위치에 적응한 전통적 품종)는 유전적 다양성의 보물 상자입니다. 이것이 바로 과학자들이 상업용 식물에 재도입할 수 있는 형질을 식별하기 위해 현재 이 유전자 풀을 검색하는 이유입니다. 이 과정은 DNA 시퀀싱 기술의 급격한 비용 하락으로 많은 도움이 됩니다.
2021년 한 연구 에서는 칠레 아타카마 사막의 극도로 혹독한 환경에서 자라며 3,300m(10,826피트)의 높은 고도에서 발견될 수 있는 야생 토마토 종인 솔라눔 시티엔스 의 게놈을 조사했습니다. 연구는 적절하게 명명된 YUCCA7(유카는 관엽식물로 인기 있는 외풍 저항성 관목 및 나무 임 )을 포함하여 Solanum sitiens의 가뭄 저항성과 관련된 여러 유전자를 확인했습니다 .
그것들은 겸손한 토마토에 활력을 불어넣는 데 사용할 수 있는 유일한 유전자와는 거리가 멉니다. 2020년에 중국과 미국 과학자들은 369개의 토마토 품종, 육종 계통 및 토종에 대한 전체 게놈 연관 연구를 수행했으며 SlHAK20이라는 유전자가 염분 내성에 결정적인 역할을 한다고 지적했습니다 .
이와 같은 기후 똑똑한 유전자가 식별되면 Crispr을 사용하여 특정 원치 않는 유전자를 삭제하거나 다른 유전자를 조정하거나 새로운 유전자를 삽입하도록 표적화할 수 있습니다. 이것은 최근에 염 저항성 , 다양한 토마토 병원체에 대한 저항성 , 강풍(기후 변화의 또 다른 부작용)을 견딜 수 있는 왜소한 식물 을 만들기 위해 수행되었습니다 . 그러나 Cermak과 같은 과학자들은 더 나아가 뿌리에서 시작합니다. 그들은 Crispr을 사용하여 처음부터 야생 식물 종을 길들여지고 있습니다. 이전에 수천 년이 걸렸던 것을 한 세대만에 달성할 수 있을 뿐만 아니라 훨씬 더 정밀하게 달성할 수 있습니다.
Solanum pimpinellifolium 의 새로운 가축화는 미네소타 대학의 Cermak과 그의 동료들이 2018년 공장에 도착한 방법이었습니다. 그들은 다양한 스트레스에 여전히 저항력이 있으면서도 현대 상업 농업에 더 잘 적응할 수 있는 토마토를 얻기 위해 야생 종의 5개 유전자를 표적으로 삼았습니다 . 새 식물은 또한 야생의 원래 식물보다 더 큰 열매를 맺었습니다.
"크기와 무게는 약 두 배였습니다."라고 Cermak은 말합니다. 그러나 이것은 여전히 그가 얻으려고 애쓰는 이상적인 토마토가 아니었습니다. 더 많은 작업이 필요하기 때문입니다. "추가 유전자를 추가함으로써 우리는 과일을 더 크고 풍부하게 만들 수 있었고 맛을 개선하기 위해 설탕의 양을 늘리고 항산화제, 비타민 C 및 기타 영양소의 농도를 높일 수 있었습니다."라고 그는 말합니다. 그리고 물론 더위와 해충에서 외풍과 염분에 이르기까지 다양한 형태의 스트레스에 대한 저항력이 있습니다.
새로운 가축화는 또한 고아 작물을 더 매력적으로 만들 수 있습니다. 이들은 제한된 규모로 재배되지만 식량 안보에 도움이 되는 큰 잠재력을 지닌 식물입니다. 미묘하게 달콤한 열매를 생산하는 토마토의 야생 사촌인 그라운드체리는 최근에 Crispr 기술로 길들여진 작물 중 하나입니다. 가까운 장래에 새로운 가축화는 아프리카 토종 곡물인 동백, 수수, 테프와 같은 작물을 전 세계의 훨씬 더 많은 사람들에게 제공할 수 있습니다. Crispr은 현재 바나나와 포도에서 쌀과 오이에 이르기까지 다양한 식물을 개량하는 데 사용되고 있습니다.
일부 과학자들은 Crispr 유전자 편집 이 빠르게 성장하는 인구를 먹여 살리는 데 도움 이 되는 두 번째 녹색 혁명 의 시작을 표시한다고 믿습니다 . 그러나 이 기술이 작물 개선에 대한 큰 약속을 갖고 있지만 "기적의 묘약"이 아니라고 Visser는 말합니다. 아직 해결해야 할 기술적인 장애물이 있습니다.
Van Eck은 "편집의 효율성은 일부 작물 종에서 문제가 될 수 있습니다."라고 말합니다. 토마토와 같은 이배체 식물(염색체 쌍을 가짐)과 달리 염색체 쌍이 두 개 이상 있는 식물(밀과 같은 배수체라고 함)은 작업하기가 훨씬 어렵습니다. Van Eck는 "기본적으로 Crispr의 영향을 받아야 하는 배수체에는 이배체보다 유전자 사본이 더 많습니다."라고 덧붙였습니다.
규제와 사회적 수용도 문제다. Crispr 변형 식물은 " 유전자 변형 식물"이 될 수 있습니다. 즉, 전통적인 유전자 변형(GM) 작물과 달리 Crispr 기술로 생성된 작물에는 다른 종의 DNA(즉, 형질전환)가 포함되어 있지 않습니다. 이는 기술 중 하나가 단순히 유전자 삭제, 또는 동일한 종의 다른 품종에서 유전자를 삽입하는 것을 포함할 수 있습니다(토마토와 마찬가지로).
그러나 Crispr 편집 식품의 수용에 대한 몇 가지 기존 연구는 엇갈린 그림을 보여줍니다. 미국, 캐나다, 벨기에, 프랑스 및 호주에서 실시된 크로스 컨트리 설문조사에서 사람들은 크리스퍼 편집 식품과 GM 식품을 유사하게 인식했습니다. 그러나 2020년 캐나다 연구에서 소비자들은 Crispr 편집 식품을 더 기꺼이 받아들였습니다.
그리고 법이 있습니다. 2016년 크리스퍼 편집 버섯이 미국에서 법적 허점에 빠져 규제를 벗어 났지만 , 유럽 최고 법원은 2018년 유전자 편집 작물에 기존 GM 유기체를 관리하는 것과 동일한 엄격한 규정을 적용해야 한다고 결정했습니다.
Cermak의 기후 똑똑한 "이상적인 토마토"의 경우 이러한 법적 장애물과 소비자의 망설임이 주요 장애물이 될 수 있습니다.
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