식물에는 인간의 장내 미생물처럼 뿌리 주변과 식물 안에 다양한 미생물이 존재한다. 이처럼 식물을 둘러싼 미생물 군집 및 유전체 정보를 식물 마이크로바이옴이라 한다.

식물과 상호작용을 하는 마이크로바이옴은 식물의 생장 촉진 및 병원성 미생물에 대한 저항성 부여 등 식물의 생리적 활성 및 발달에 중요하다. 특히, 품종의 기원이 되는 야생형 종으로부터 유용한 마이크로바이옴을 도입해 새로운 품종을 만들고자 하는 시도가 활발히 이루어지고 있다.

마이크로바이옴 관련 연구는 기존에 식물 뿌리 주변으로 이뤄졌는데, 이는 뿌리 주변의 환경 요인에 많은 영향을 받아 식물과 마이크로바이옴간의 상관관계를 유추하는 데는 한계가 있었다.

이에, 식물과 마이크로바이옴의 직접적인 상관관계를 규명하기 위해 농림축산식품부(장관 김현수)와 농림식품기술기획평가원은 농식품 연구개발 과제로 2018년부터 ‘벼 마이크로바이옴 분석 및 상호작용 기능 연구(서울대학교 이용환 교수, 사진)’를 지원했다.

이번 연구를 주관한 서울대 이용환 연구팀은 “본 연구는 기존에 뿌리 주변 마이크로바이옴을 분석한 연구들과 달리 종자 껍질 안에 있는 마이크로바이옴을 대상으로 연구를 진행했으며, 기존 교배 방식이 유전 형질에만 집중했다면 본 연구는 그동안 주목되지 않았던 마이크로바이옴에 초점을 맞추어 연구를 진행했다”라고 말했다.

연구는 식물 중에서도 전세계 인구의 절반 이상이 주식으로 하는 벼를 이용해서 분석했으며, 연구 결과, ‘벼의 진화에 종자의 유전자 외에도 세균이나 곰팡이와 같은 마이크로바이옴이 큰 영향을 미친다.’는 결과를 세계 최초로 확인했다고 밝혔다.

이를 분석하면서 연구진은 △자연 교배된 종자(야생종)와 육종의 과정을 거친 육성 품종의 벼를 비교 분석했고, △벼 종에 따른 종자의 마이크로바이옴(세균 및 곰팡이) 군집과 벼 진화와의 영향을 분석했다. 그 결과, △야생종 벼의 핵심 미생물은 곰팡이지만, 육성 품종에서는 세균이라는 것과, △벼의 진화에 세균류 마이크로바이옴이 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

이 결과는, 식물의 진화 과정에 마이크로바이옴이 영향을 준다는 상관관계를 세계 최초로 밝혀 마이크로바이옴 분야에서 가장 권위 있는 학술지인 마이크로바이옴(Microbiome; 2018 JCR IF=10.465)에 2월 14일 자로 게재됐다.

야생종과 육성품종에 공통으로 존재하는 마이크로바이옴이 모계 유전으로 다음 세대로 전파될 수 있음을 확인함으로써 마이크로바이옴 기반의 육종 기술 개발 가능성을 보여주었으며, 이를 위해 배양 가능한 핵심 마이크로바이옴 미생물의 균주를 확보했다고 서울대학교 이용환 교수 연구팀은 덧붙였다.

연구팀은 “해당 마이크로바이옴은 스프레이 형식이나 종자 코팅 등의 방식으로 식물에 접종할 수 있으며, 마이크로바이옴이 식물에 붙어있도록 잡아주는 역할을 하는 유전 형질을 통해 신품종 개발이 가능하다는 것을 확인했다”고 설명했다.

농기평 오병석 원장은 “이번 연구는 식물의 진화과정과 식물 마이크로바이옴의 구조와 기능에 대한 상관관계를 최초로 밝힌 데 큰 의의가 있으며, 야생종의 유용한 마이크로바이옴을 활용한 신품종의 개발 가능성을 제시함으로써 지속가능한 농생명산업 발전에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.