세포 간 유전자 모듈 교환을 통해 작물이 진화함

곡물 전체의 단일 세포 서열 비교는 식물을 기후 변화에 적응시키는 데 중요한 농업 특성에 대한 단서를 제공합니다

뉴욕대학교 연구진이 주도한 새로운 연구에 따르면 옥수수, 수수, 기장의 개별 세포를 비교하면 중요한 곡물 사이의 진화적 차이가 드러납니다.

네이처(Nature)에 발표된 이번 연구 결과는 연구자들이 가뭄 내성과 같은 중요한 농업 특성을 제어하는 ​​유전자가 무엇인지 정확히 찾아내는 데 더 가까워졌으며, 이는 변화하는 기후에 직면한 과학자들이 더 건조한 환경에 작물을 적응시키는 데 도움이 될 것입니다.

옥수수, 수수, 기장은 전 세계의 인간과 동물에게 식량을 제공합니다. 옥수수와 수수는 약 1200만년 전에 서로 다른 두 종으로 진화한 고대 친척이며, 기장은 더 먼 친척입니다.

동일한 조상에도 불구하고 작물은 주요 특성에서 상당한 차이를 가지고 있습니다. 예를 들어 수수는 옥수수보다 가뭄에 훨씬 더 잘 견디며 식물은 뿌리에서 독특한 끈끈한 물질을 방출하여 주변 토양과 상호 작용하는 방식을 형성합니다. 이러한 차이는 옥수수가 수수에서 분리된 후 전체 게놈 복제를 겪는 것으로 거슬러 올라갈 수 있습니다.

NYU 생물학과 박사후 연구원이자 이번 연구의 제1저자인 Bruno Guillotin은 "이러한 작물의 중요성, 진화적 근접성 및 기능적 차이는 세포 수준에서 유전자 발현 패턴을 비교할 수 있는 흥미로운 기회를 제공합니다"라고 말했습니다. "이 세 가지 작물은 유사하지만 가뭄 저항성과 같이 서로 전달하려는 특성을 갖고 있기 때문에 서로 어떻게 다른지가 중요합니다."

연구진은 옥수수, 수수, 기장의 뿌리에 대한 단일 세포 mRNA 프로파일링을 수행하여 뿌리를 해부하여 세포를 개별적으로 관찰하고 특정 세포에서 유전자가 발현되는 위치를 정확하게 관찰했습니다. 그런 다음 그들은 세 가지 작물에 걸쳐 동일한 특수 세포를 비교했습니다.

"뿌리는 가뭄과 열에 대한 첫 번째 방어선입니다. 뿌리는 많은 작동 부품(이 경우 세포 유형)이 있는 기계로 생각할 수 있습니다. 따라서 기계가 어떻게 물을 모으고 가뭄과 열에 대처하는지 알 수 있습니다. 정말 중요합니다.”라고 NYU 생물학과 교수이자 유전체학 및 시스템 생물학 센터의 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 Kenneth Birnbaum이 말했습니다. "서로 다른 종을 비교하는 것은 어떤 유전자가 주요 농업적 특성을 가져오는지 알아내는 데 도움이 됩니다."

세포가 다양한 종에서 어떻게 진화하고 분화했는지 조사하면서 연구자들은 시간이 지남에 따라 세포의 "개조"(또는 기존 요소의 재배열)를 가리키는 몇 가지 추세를 확인했습니다. 첫째, 그들은 세포가 진화 과정에서 세포 유형 간에 유전자 발현 모듈, 즉 조정된 기능을 가진 10개 또는 50개 유전자 그룹을 교환하는 경우가 많다는 사실을 관찰했습니다.

Birnbaum은 “이러한 유전자 모듈 교환은 동물 시스템에서 나타났지만 우리가 생성한 데이터는 식물에서 대규모 수준으로 설명된 최초의 데이터입니다.”라고 덧붙였습니다.

이러한 모듈 교체는 뿌리가 토양으로 방출하는 영양분으로 가득 찬 끈끈한 물질인 뿌리 점액에 대한 발견에서 입증되었습니다. 점액은 토양을 윤활하는 데 유용하므로 뿌리가 통과할 수 있고 식물을 보호하거나 얻기 어려운 영양분을 제공하는 유익한 박테리아를 끌어들일 수 있습니다.

연구진은 뿌리 점액 생성을 돕는 유전자가 옥수수, 수수, 기장 뿌리의 서로 다른 부분에 위치한다는 사실을 발견했습니다. 수수에서는 점액 유전자가 뿌리의 외부 조직에서 발견된 반면, 옥수수에서는 이러한 유전자가 뿌리 뚜껑의 새로운 세포 유형으로 교환되었습니다. 이는 옥수수가 식물이 질소를 얻는 데 도움이 되는 박테리아를 유인할 수 있는 진화적 변화일 수 있습니다. 그들은 또한 작물에 따라 다른 세포 유형에서 전환되는 다른 유전자 조절자를 확인하여 연구자에게 특정 특성을 전달하는 유전자를 테스트하기 위한 주요 후보를 제공했습니다.

또한 연구진은 1200만년 전 수수에서 분리된 옥수수의 전체 게놈 복제가 특정 유형의 세포에 영향을 미쳐 옥수수 세포가 빠르게 특화되도록 한다는 사실을 발견했습니다. 그들은 또한 특정 종류의 세포가 새로운 유전자의 기증자 역할을 하는 반면 다른 세포는 새로운 유전자 복제물을 수집하는 것으로 관찰했는데, 이는 유전자 복제가 특정 세포의 진화를 가속화했음을 시사할 수 있습니다.