생명공학

가뭄은 세계의 많은 지역에서 주요한 농작물 손실을 초래하고 기후 변화는 건조 지역뿐만 아니라 온대 지역의 가뭄 발생을 악화시킬 위험이 있다. 플랜트셀에 실린 신작에서 영국 옥스퍼드대 동료들과 함께 라이프니즈 식물유전 및 작물식물연구소의 나딘 뢰퍼 박사가 크라술라산 대사(CAM)의 도입을 통해 가뭄에 강한 식물 공학의 가능성을 분석했다. 이들은 정교한 수학적 모델링 접근법을 이용해 건조한 조건에서 번성할 수 있는 식물들이 사용하는 CAM 광합성을 C3 식물에 도입하는 효과를 연구했는데, C3 식물은 햇빛의 강도와 온도가 적당하고 물이 풍부한 지역에서만 번성하는 경향이 있다. 쌀, 밀, 귀리, 보리 등 일부 주요 작물을 포함한 대부분의 식물들은 C3 탄소 고정법을 사용하는데, 이 탄소 고정법은 잎의 기공 모공을 통해 낮에 섭취한 CO2가 광합성 반응에 즉시 사용된다. 불행하게도, 이것은 뜨겁고 건조한 환경에서 이러한 모공을 통해 상당한 수분 손실을 초래한다. CAM은 이산화탄소 흡수량을 탄소 고정으로부터 일시적으로 분리하는 대체 탄소 고정 경로로, 발전소가 CO2 흡수를 위한 기공을 한밤중에 시원하게 열고 탄소를 내부에 저장할 수 있도록 한다. 그런 다음 CAM 공장은 하루의 더위 동안 기공을 닫아 수분 손실을 최소화하고, 잎 세포 안에 저장된 CO2를 방출하여 낮 동안 빛에 의한 광합성에 이용된다. 저자들은 다양한 온도 조건과 상대 습도 조건에서 시뮬레이션을 사용하여 다음과 같이 물었다. 일반적으로 C3 작물이 재배되는 환경에서 전체 CAM 또는 대체 절수 방법이 더 생산적일 것인가? 그들은 나뭇잎의 황극 저장 용량은 CAM 동안 물 사용 효율을 제한하는 주요 요소라는 것과 환경 조건이 CAM 사이클의 다른 단계의 발생을 형성한다는 것을 발견했다. 수학적 모델링은 또한 야간 초기 탄소 고정의 잠재적 기여자로 미토콘드리아 이산화물 탈수소효소를 포함하는 대체 CAM 사이클을 식별했다. 이 스위트러브 교수 그룹의 마리 퀴리 포스트닥터 펠로우십 재직 시절 이 작품을 쓴 수석 작가 나딘 뢰퍼는 “모델링은 복잡한 시스템을 탐구하는 강력한 도구로 연구소와 현장 기반 작업을 안내할 수 있는 통찰력을 제공한다”고 말했다. 나는 우리의 결과가 CAM 식물의 수분 보존 특성을 다른 종으로 옮기는 것을 목표로 하는 연구자들에게 격려와 아이디어를 제공할 것이라고 믿는다.” 그들의 결과는 CAM 광합성의 절수 잠재력이 밤에 그것보다 더 중요한 낮 환경을 가지고 있을 뿐만 아니라 자연적으로 발생하는 CAM 사이클의 그것과 구별되는 대체 대사 모드가 쇼르와 같은 특정 조건 하에서 유익할 수 있다는 것을 보여주었다.극한의 온도가 낮은 테르 데이 이 시기적절한 작품은 점점 더워지고 건조한 온대 환경에서 식량작물을 재배하는 도전에 대비하는 데 도움이 될 귀중한 통찰력을 제공한다. 스트레스를 받고 있다고 믿도록 후생적으로 변형된 뿌리 원료를 결합하여 수정되지 않은 사이온이나 지상 촬영과 결합하면, 부모 식물에 비해 더 활력 있고 생산적이며 탄력 있는 생식을 낳는다. 그것은 여러 식물 세대에 걸쳐 널리 분리된 세 곳의 장소에서 토마토 식물을 가지고 대규모의 현장 실험을 한 연구팀의 놀라운 발견이다. 이들은 펜 주와 플로리다 대학, 네브라스카에 있는 소규모 신생기업과의 협력에서 나온 이번 발견이 식물 번식에 큰 영향을 미친다고 주장하고 있다. 이 기술은 후생유전자를 포함하기 때문에(기존 유전자의 발현을 조작하고 다른 식물에서 새로운 유전 물질을 도입하는 것이 아니라) 이 기술을 사용하여 번식한 세포들은 유전자 변형 유기체 및 식품과 관련된 논란을 피할 수 있다. 농업과학대학 식물과학과 교수, 펜실베이니아주 에벌리과학대학 생물학과 교수인 샐리 매켄지 연구팀장의 희망이다. “우리가 토마토로 이 일을 했지만, 그것은 어떤 식물으로도 할 수 있습니다,”라고 그녀는 말했다. “우리는 이 연구가 후생유전자의 농작물 번식 가능성을 보여주는 중요한 돌파구를 제시한다고 생각한다. 그리고 나중에는 기후변화에 직면한 나무와 숲에 큰 영향을 미칠 것이다.” 최근 박사학위 요건을 마친 양샤오둥(왼쪽) 생물학과 조교수(왼쪽)와 하딕 쿤다리야(Hardik Kundariya)가 매켄지 연구소에서 프로젝트를 주도해 후생유전 조작이 식물 성능에 미치는 영향을 실증했다. 여기서 그들은 성장 변화를 위해 후생유전적으로 변형된 아라비도시스 식물을 평가하는 것을 보여준다. 펜실베이니아주 매켄지 연구팀이 실시한 이전 연구를 바탕으로, 그 뿌리는 토마토 식물에서 나왔으며, 이 식물에서 연구원들은 MSH1이라는 유전자의 발현을 조작하여 ‘스트레스 메모리’를 유도했다. 그 기억은 어떤 자손에 의해 유전되어, 그들에게 더 활기차고, 강인하고, 생산적인 성장을 위한 잠재력을 준다. MSH1 유전자는 연구자들에게 광범위한 식물 복원 네트워크를 제어하는 경로에 접근할 수 있게 해 주었다고 기능 유전체학의 로이드와 도티 허크 체어 겸 펜 스테이트의 플랜트 연구소 소장인 매켄지는 설명했다. 그녀는 “식물이 가뭄이나 장기화된 극한열과 같은 스트레스를 경험할 때, 식물은 표현적으로 ‘플라스틱’, 즉 유연해질 수 있는 환경에 빠르게 적응할 수 있는 능력을 가지고 있다”고 말했다. 매켄지는 이러한 “기억된” 특성이 이식편을 통해 식물 꼭대기로 전달되었다는 발견은 대단히 중요하다고 지적했다. 연구에 참여한 접목 토마토 식물은 평균 35% 더 생산적인 종자를 만들어냈다고 그녀는 말했다. 그리고 그 성장 활력은 연구에서 5대에 걸쳐 자손에게 지속되었다.

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