물 없이 농작물을 키우는 방법

세계 인구가 증가하고 기후변화의 영향이 더욱 부각됨에 따라 우리는 더 많은 사람을 더 부적합한 경작지로 먹여살려야 할 겁니다. 분자생물학자 질 파란트는 여기에 도움이 될 만한 희귀한 현상을 연구합니다. 죽음에서 부활하는 것처럼 보일만큼 회복력이 매우 높은 식물인 부활초입니다. 부활초가 앞으로 더 더워지고 건조해질 지구에 식량 재배를 보장해 줄 수 있을까요?

전세계에 식량안보를
어느 정도 제공할 수 있는

가뭄을 견딜 수 있는 농작물을
생산할 수 있는 비밀은

부활초에 있습니다.

사진을 보시면,
가뭄이 심각한 상태입니다.

식물이 죽은 것처럼 보일 수도 있지만

죽은 게 아닙니다.

물을 주면

12-48시간 안에 다시 살아나서
파릇해지고, 자라기 시작합니다.

가뭄을 견딜 수 있는 농작물을

생산하는 것이 식량 안보에
도움이 된다고 제가 왜 주장할까요?

현재 세계 인구는 약 70억 입니다.

2050년도가 되면

90-100억명이
될 것으로 예상됩니다.

주로 아프리카의 인구 증가 때문이죠.

세계의 식량 및 농산물 기구들은

이 수요를 충족시키기 위해서는

현재 농산물 생산에서 70%를
증가시켜야 한다고 했습니다.

식물이 먹이사슬의 가장 밑바닥에
있다는 것을 고려할 때

그 중 대부분은 식물에서 나와야겠지요.

70%라는 수치는

기후변화로 초래될 수 있는
영향을 고려하지 않은 것입니다.

이건 다이(Dai)의 연구 결과를
가져온 겁니다.

기후변화의 잠재적 영향을 모두 고려해서

강우량 부족이나 불규칙한 강우로 인해

심해진 건조도같은 다른 요소들과
같이 표시한 것입니다.

빨간색으로 칠해진 지역은

최근까지도

매우 성공적으로 농업에
이용되었던 지역이지만

더 이상 강우량 부족으로
그럴 수 없게 된 곳입니다.

이게 2050년이 되면 일어날 것으로
예측되는 상황입니다.

아프리카의 대부분은,
아니 사실 지구의 대부분은

큰 곤경에 빠질 겁니다.

식량을 생산할 수 있는 매우 영리한
방법을 생각해내야 할 겁니다.

그 중에 가뭄에 내성이 있는
작물들이 가장 낫습니다.

아프리카에 대해
기억해야 할 또 다른 사실은

농업의 대부분이 비에
의존한다는 겁니다.

가뭄에 내성이 있는 농작물을
만드는 것이 쉬운 일은 아닙니다.

물 때문에 그렇습니다.

물은 지구 상의 모든 생명에게
필수적입니다.

물질대사가 활발한 모든 생물은

미생물에서부터 저와 여러분들까지도

거의 물로 구성되어 있습니다.

모든 생물 반응은
물 속에서 일어납니다.

소량의 물을 잃어도 죽게 됩니다.

우리는 65%가
물로 이루어져 있습니다.

그 중에 1%를 잃으면 죽습니다.

하지만 그걸 행동을 바꿔서
피할 수 있습니다.

식물은 그렇게 못합니다.

땅에 묶여있어요.

우선 식물은 우리보다 물을
조금 더 많이 보유하고 있습니다.

95%가 물로 이루어져 있어요.

그리고 우리보다 조금 더 많이
물을 잃을 수 있습니다.

종에 따라 10%에서 70%까지도요.

하지만 잠깐 동안만 입니다.

대부분은 저항하거나 물 손실을
피하려고 노력할 겁니다.

저항하는 식물들의 극단적인 예에는
다육 식물이 있습니다.

다육 식물은 주로 작고
매우 매력적입니다.

하지만 많은 희생을 치르면서
물을 지키기 때문에

매우 천천히 성장합니다.

수분 손실을 피하는 예에는
나무와 관목이 있습니다.

그들은 뿌리를 매우 깊게 내려서
지하수를 이용합니다.

언제든지 지하수를 이용해
싹을 틔우고 수분을 유지합니다.

오른쪽에 있는 것이 바오밥 나무입니다.

거꾸로 선 나무라고도 부릅니다.

뿌리에서부터 싹까지의 비율이 너무 커서

거꾸로 심어진 나무처럼
보이기 때문이죠.

물론 뿌리는 수분 유지를 위해
필요합니다.

가장 흔한 회피 전략은
한해살이 식물에서 볼 수 있습니다.

한해살이 풀은 우리의 식량 공급의
대부분을 차지합니다.

우리나라의 서부해안은

일년 중 대부분은
초목이 자라지 않습니다.

하지만 봄비가 오면 이렇게 됩니다.

사막에 꽃이 피어나요.

한해살이의 전략은

우기에만 자라는 것입니다.

계절 막바지에 한해살이 풀은
씨앗을 만듭니다.

씨앗은 8%-10%만 물로
이루어져서 마른 상태입니다.

그래도 살아있습니다.

이렇게 건조한데도 살아있는 것을

우리는 건조내성이라고 부릅니다.

마른 상태로

씨앗은 오랜 시간동안 극한의 환경에서

가만히 있을 수 있습니다.

다음 우기가 오면

씨앗은 싹을 틔우고 자랍니다.

다시 순환되는 것이죠.

건조내성이 있는 씨앗의 진화는
꽃 피는 식물, 즉 속씨식물의

식민지화와 발산을 가능하게 했다고
많은 사람들은 믿습니다.

어쨌든, 한해살이 식물이 식량의
주공급원이라는 얘기로 돌아가서

밀과 쌀, 옥수수는 우리의
식물 식량 공급의 95%를 차지합니다.

그리고 매우 좋은 전략을 쓰고 있죠.

단시간에 많은 씨앗을
생산할 수 있으니까요.

씨앗은 열량이 높아서
칼로리가 높기 때문에

기근을 대비해
많이 저장해 둘 수 있습니다.

하지만 단점이 있죠.

영양조직이

그러니까 한해살이의 뿌리와 잎은

선천적 저항이나 회피,
내성의 성질이 별로 없습니다.

필요가 없으니까요.

우기에 자라서

남은 해를 살아남을 수 있는
씨앗을 갖고 있잖아요.

그래서 농업 분야에서
농작물의 저항, 회피, 내성의 성질을

특히, 그 중에도 우리가

어떻게 작용하는지 알 수 있는

좋은 표본이 있는
저항과 회피의 성질을

향상시키려고 혼신의 힘을 다하는데도

여전히 이런 결과물을 얻습니다.

아프리카에서 옥수수가

2주동안 비가 내리지 않자 죽었습니다.

해결책은 있습니다.

부활초입니다.

부활초는 세포수분의
95%가 손실되어도

몇 달에서 몇 년까지도
말라 죽은 것 같은 상태로 있습니다.

물을 주면

다시 푸른색으로 변해서 자라납니다.

씨앗처럼 건조내성을 갖고 있죠.

씨앗처럼 극한의 환경도
견딜 수 있습니다.

이건 정말 희귀한 현상입니다.

이런 일을 할 수 있는 꽃식물은
135종밖에 없습니다.

이 세 종의 식물이

부활하는 과정을 순서대로
보여주는 영상을 보여드릴게요.

맨 밑에 있는 것은

얼마나 빠른 속도로 일어나는지를
보여주는 시간 축입니다.

(박수)

꽤 놀랍죠?

저는 지난 21년동안 이것이
어떻게 가능한지를 연구했습니다.

어떻게 죽지 않고 마를까?

그리고 여기 수분이 있는 상태와
건조한 상태가 사진으로 나와있는

다양한 종의 부활초를

갖가지 이유로 연구해 왔습니다.

그 중 하나는 이 식물들이 각각
제가 가뭄 내성으로 만들고 싶어하는

작물들의 견본 역할을 하기 때문입니다.

일례로, 맨 위의 왼쪽 끝에
있는 것은 풀입니다.

에라그로스티스 닌덴시스예요.

많은 분들이 테프로 알고 계시는
에라그로스티스 테프의

가까운 친척이죠.

에티오피아에서 주식으로 쓰이는데

글루텐이 없습니다.

우리가 가뭄을 견딜 수 있게
만들고 싶어하는 작물입니다.

다양한 종을 연구하는 또 다른 이유는

적어도 저는 초반에는
알아내고 싶었습니다.

다들 하는 게 똑같을까?

그 많은 수분을 잃고서도

죽지 않기 위해 쓰는 방법이 똑같을까?

그래서 시스템생물학이라는
접근법을 사용했습니다.

건조내성을 종합적으로
이해하기 위해서요.

생태생리학적 수준에서

분자에서부터 식물 전체까지
모두 들여다보았습니다.

예를 들어, 우리가 주의깊게 본 것들은

말라가면서 나타나는 식물의
해부학적, 초미세 구조의 변화였습니다.

그리고 전사체 구조를 봤어요.
그냥 기술적인 용어인데

건조되는 것에 대응하여

켜지고 꺼지는 유전자를 본 겁니다.

대부분의 유전자는 단백질에 유전 암호를
지정하기에 단백질 유전 정보를 봤어요.

건조될 때 생성되는
단백질은 어떤 것일까요?

어떤 단백질은 대사 물질을 생성하는
효소에 유전 암호를 지정합니다.

그래서 대사체를 들여다 봤습니다.

식물은 땅에 박혀있기 때문에
이게 중요합니다.

식물은 제가 쓰는 말로 고도로 준비된
화학적 무기고를 사용합니다.

환경이 주는 모든 스트레스로부터
자신을 보호하기 위해서죠.

그렇기 때문에 건조 과정에서

일어나는 화학적 변화를 보는 것이
매우 중요합니다.

우리는 분자 단위를 관찰하는
지난번 실험에서는

리피돔을 관찰했습니다.

건조되면서 일어나는 지방질의 변화죠.

이것도 중요한 변화인데

모든 생체막은 지방질로
이루어져 있기 때문입니다.

물 속에 있기 때문에
막을 이루고 있죠.

물을 빼면 생체막은 무너집니다.

지방질은 유전자를 키는
신호 역할도 합니다.

우리는 생리학적, 생화학적 연구를 통해

다른 연구에서 우리가 발견했던
보호제로 추정되는 것들의

기능을 이해하려고 노력합니다.

그리고 이 모든 걸 가지고
식물이 어떻게 자연환경에

적응하는지를 이해하려고 노력합니다.

저는 언제나 생물적 적용에 대해
의미있는 제안을 하기 위해서는

건조 내성의 작용 원리에 대한

종합적 이해가 필요하다는
철학을 갖고 있었습니다.

분명 몇몇 분들은 이렇게 생각하시겠죠.

"생물에 적용한다는 건

유전자 변형 작물(GMC)을
만들 거라는 건가?"

그 질문에 대한 답은

유전자 변형에 대한 여러분의
정의에 달려있습니다.

밀, 쌀, 옥수수처럼
우리가 오늘날 먹는 모든 작물들은

그 조상들로부터 유전자 변형이
많이 이루어져 있습니다.

하지만 우린 그들을
GMC로 보지 않아요.

전통적인 기법으로 재배되기 때문입니다.

여러분이 부활초 유전자를 농작물에
넣을 거냐고 제게 물으신다면

답은 "네" 입니다.

시간은 소중하기에 우리는
이 방식을 시도해보았습니다.

더 정확히 말하자면
UCT에 있는 제 협력자인

제니퍼 톰슨, 수하일 라푸딘이

선봉에 서서 이 방식을 시도했습니다.

조금 있다가 그 데이터를
보여드리겠습니다.

우리가 적용하려는 방식은
매우 야심찬 겁니다.

모든 작물에 존재하는
유전자 세트 전체를

켜려고 하고 있기 때문이죠.

극심한 가뭄에 절대로 켜지지 않는
유전자들을 말입니다.

이걸 유전자 변형이라고

불러야 하는지에 대한 판단은
여러분께 맡기겠습니다.

이제 첫 번째 시도에서 얻은
데이터를 일부 보여드리겠습니다.

그러기 위해서는

먼저 유전자가 어떻게 작동하는지
조금만 설명드릴게요.

모든 유전자가 이중 가닥의

DNA로 이루어져있다는 건
다들 아실 거예요.

여러분의 신체나 식물의 본체의

모든 세포에 존재하는 염색체에
단단히 엮여 있습니다.

그 DNA를 풀어내면
유전자가 나옵니다.

모든 유전자에는
촉진 유전자가 있습니다.

점멸 스위치이며

유전자가 암호화 되는 부위이고

이 유전자의 끝이 여기이고

다음 유전자가 시작될 거라는 걸
나타내는 종결 부위입니다.

촉진 유전자는 단순한
점멸 스위치가 아닙니다.

보통은 스위치를 켜기 전에
정교한 조율이 많이 이루어져야 하고

많은 것들이 존재해야 하며
올바른 상태로 있어야 합니다.

그렇기에 생물 공학에서 흔히 하는 것이

어떻게 켜는지를 우리가 알고 있는

유도 가능한
촉진 유전자를 쓰는 겁니다.

관찰 대상인 유전자에 이걸 붙여서

식물에 넣어 어떤 반응을
보이는지 관찰합니다.

여러분께 말씀드릴 연구에서

제 공동연구자들은 부활초에서 발견한

가뭄 반응 촉진 유전자를 썼습니다.

이 촉진 유전자의 장점은
우린 아무것도 안 한다는 거예요.

식물이 스스로 가뭄을 감지합니다.

그걸로 우리는 부활초에서
산화 방지제 유전자를 없앴습니다.

어째서 산화 방지제 유전자냐고요?

모든 스트레스는,
특히 가뭄으로 인한 스트레스는

유리기, 또는 활성 산소를 생성합니다.

매우 유해하고 작물을 죽음에
이르게까지 할 수 있죠.

산화 방지제는 그 피해를 막습니다.

아프리카에 매우 흔한 옥수수종에서
얻은 데이터입니다.

화살 왼쪽이 산화 방지제
유전자가 없는 식물이고

오른쪽이 있는 식물입니다.

3주 동안 물을 주지 않은 결과

산화 방지제 유전자가 있는 식물이
상태가 훨씬 더 좋았습니다.

이제 마지막 방식을 보겠습니다.

제 연구는 부활초와 씨앗의
건조내성 작용원리 사이에

상당한 유사성이 있다는 것을
보여주었습니다.

그래서 저는 물었습니다.

이들이 같은 유전자를
쓰고 있는건가?

다른 말로 하자면

부활초가 씨앗의 건조내성으로 진화한
유전자를 자기 뿌리와 잎에

사용하고 있는건가?

부활초의 뿌리와 잎에 있는
씨앗 유전자들에

새로운 작업을 준 것인가?

그리고 저는 답했어요.

제 팀이 한 수많은 연구와

네덜란드의 헹크 힐호스트 팀과
미국의 멜 올리버와

프랑스의 줄리아 뷔팅크와

최근에 함께 한 공동 연구에
기반해서 말이죠.

답은 그렇다는 것이었어요.

둘 다에 간섭하는 핵심적인
유전자 세트가 있다고요.

옥수수로 이걸 대강 설명드리겠습니다.

점멸 스위치 아래에 있는 염색체가

건조내성에 필요한
모든 유전자를 나타냅니다.

성장의 막바지에 이르러
옥수수 씨앗은 건조되면서

이 유전자를 작동시킵니다.

부활초도 건조되면서
똑같은 유전자를 작동시킵니다.

그렇기에 모든 현대 작물들은

뿌리와 잎에 이 유전자들을
가지고 있습니다.

그냥 절대 작동시키지 않을 뿐이죠.

씨앗 조직에서만 작동시킵니다.

그래서 우리가 지금 하려는 것은

부활초에서 이 유전자를 작동시키는

환경과 세포의 신호를 이해하는 겁니다.

그 과정을 모방하기 위해서요.

마지막으로

우리가 신속히 하려는 일은

약 1,000만년에서 4,000만년 전에
자연이 부활초의 진화 과정에 했던 것을

반복하려는 것입니다.

들어주셔서
제 식물들과 제가 감사합니다.

(박수)