농촌진흥청(청장 이승돈)은 항산화 기능을 지닌 벼 유전자를 발견, 가뭄 등 환경 스트레스에 강한 작물 육종에 활용할 가능성을 확인했다.

식물은 다양한 환경에 적응하기 위해 세포대사부터 발달까지 생리적인 작용을 일으키는 여러 원인을 조절한다. 특히 비생물학적 스트레스와 관련한 생리작용 조절이 환경 적응에 매우 중요하다.

비생물학적 스트레스(abiotic stress)는 식물세포의 항상성을 방해해 식물 성장을 저해하는 기후나 토양 조건. 수분 과잉이나 부족, 독성 이온, 양분 부족, 고온, 저온 등이 있다.

가뭄, 염분, 극한 온도 등 비생물학적 스트레스 요인은 식물이 산화 스트레스를 받는 원인이 된다. 산화 스트레스를 받은 식물은 활성산소종의 생성과 소거 사이의 불균형이 일어나고 이로 인해 세포 구성성분 손상, 세포 신호전달 과정 이상이 나타난다.

활성산소종은 식물의 광합성, 대사 과정에서 생성되는 자유 라디칼, 과산화물을 총칭하며, 심각한 산화적 손상을 야기해 세포 내 단백질, 막 지질, 핵산 손상 등을 초래하며 이는 식물의 생장 저해, 수확량 감소로 이어진다.

연구진은 급격한 환경 변화로 유발되는 비생물학적 스트레스에 강한 작물을 개발하기 위해 벼 오믹스 빅데이터를 기반으로 비생물학적 스트레스에 관여하는 유전자를 탐색했다.

그 결과, 세포 내 산화 반응을 조절하고 이를 통해 벼의 비생물학적 스트레스 저항을 돕는 유전자 ‘OsDjC51’를 발견해 그 기능을 확인했다.

OsDjC51가 과발현된 벼는 고농도의 강력한 산화원인 과산화수소(H₂O₂)와 염분 처리 조건에서 잎의 백화 현상이 줄고 선명한 녹색을 유지해 생리적 스트레스 내성이 증가했음을 확인했다.

이를 통해 OsDjC51를 이용하면 다양한 외부 환경 스트레스와 연관된 산화 스트레스 저항성이 늘어 항산화능 증진, 작물 생산성 증대에 효과적으로 이용될 수 있음을 확인했다.

농촌진흥청은 연구 결과를 특허명 ‘항산화능이 증진된 벼 유래 OsDjC51 유전자 및 이의 용도(10-2024-019-0816)’로 특허출원 완료했으며, 연구 결과는 벼 산화 스트레스 저항성 관련 기초자료로 환경 스트레스 저항성 작물 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

농촌진흥청 이태호 슈퍼컴퓨팅센터장은 “잦은 이상기후로 안정적인 식량 생산이 더욱 중요해지고 있다. 이에 신속하게 대응하려면 슈퍼컴퓨터를 기반으로 빠르게 필요 유전자를 탐색‧발굴하고 그 기능을 검증해야 한다.”라며, “앞으로 슈퍼컴퓨터를 기반으로 한 농생명 연구의 디지털 전환에 속도를 내겠다.”라고 말했다.