서울대학교 농업생명과학대학 양태진 교수팀은 인삼유전체 연구를 통해 인삼의 진화 비밀을 밝히는 2개의 우수 논문을 국제 우수 학술지 Scientific Reports (Nature 자매지) 에 2017년 7월 7일(금)과 8월 22(화)일 연이어 게재하였다. (김경희 제1저자, 이준기 제1저자)
- ○양태진 교수팀은 인삼 15 품종과 야생산삼의 유전체 정보 뿐 아니라, 인삼, 미국인삼 (화기삼), 전칠삼, 죽절삼, 베트남삼 등 인삼속 식물 5종과 두릅나무속 2종, 오가피속 2종, 황칠나무 등 10종의 식물에 대한 소규모 전장유전체 시퀀싱을 통해 식물 진화와 종 다양성 연구에서 핵심 정보로 이용되는 엽록체 유전체와 핵 리보솜 유전자를 완성하여 비교 분석하고 인삼과 근연식물들이 분화된 시기와 과정을 제시하고 7월 7일(금)자 온라인 논문으로 게재하였다.
- ○이어 8월 22일(화)에는 대표적인 5종의 주요 반복서열이 인삼속 (Panax) 식물 유전체의 약 50% 이상을 점유하며 인삼속 식물들의 분화와 진화 과정에 결정적인 역할을 하였다는 논문을 연이어 게재하였다.
- ○NGS (Next generation sequencing) 기술은 최근 유전체 분석에서 가장 중요한 수단이며 식물, 동물, 미생물 등의 연구에 활발하게 활용되고 있다. 하지만 NGS기술은 짧은 조각의 서열들을 대량으로 생성하기 때문에 이들을 재조립하여 완전한 유전체정보를 완성하고 이를 진화학적으로 해석하는 것이 매우 중요하다.
- ○ NGS기술을 이용하여 전장유전체를 해독하는 게놈프로젝트(genome project)는 많은 노력과 시간이 요구되며, 국내에서는 배추, 양배추, 고추, 녹두, 팥 등을 완성하였으며 양태진 교수팀은 인삼게놈프로젝트를 거의 완성하여 마무리단계에 있다. 본 연구에서는 전장유전체 정보를 이용하지 않고 소규모 정보를 이용하여 인삼과 인삼 근연식물이 분화된 이후 전세계에 어떻게 분포하고 진화해 왔는지에 대한 궁금점에 대한 답을 제시하고 있다.
- ○전세계적으로 인삼과 같은 속 식물은 15종 정도가 분포하지만 대부분 히말라야와 중국 운남성, 베트남 산악지역의 서늘한 지역에 주로 분포하고 있는데, 이런 베트남삼, 죽절삼, 전칠삼 등 인삼속 식물은 염색체수가 우리 고려인삼보다 1/2 밖에 되지 않는 12쌍을 가지고 있으며 겨울에 월동을 하지 못하는 반면, 더운 기후도 적응을 못하여 1500미터 이상의 연중 서늘한 산악지역에서만 겨우 생존하고 있으며 멸종해가고 있는 식물이다. 반면 고려인삼과 미국의 화기삼은 배수체현상을 통해 24쌍의 염색체를 가지며 월동하는 능력을 가지게 되었고 북아시아와 북아메리카 넓은 지역에 분포하고 있다.
- ○본 연구를 통해 고려인삼은 이배체 인삼속 식물들과 약 3백만년전에 분화가 되었으며 식물학적으로는 두릅나무와 가장 가까운데 지금으로부터 약 8백만년전에 분화가 이루어졌다고 판단되며, 거슬러 올라가 황칠나무, 오가피나무 등과 약 1천만년전에 분화가 이루어졌다고 판단된다.
- ○양태진 교수팀은 후속 연구로 인삼속식물의 소규모 NGS데이터를 이용하여 식물 유전체 크기에 중요한 영향을 미치는 반복서열의 정량 분석법을 개발하고 비교유전체 연구를 진행하였고, 이를 통해 인삼근연속 식물의 진화적 흐름을 추적하였다.
- ○유전체 배수성과 반복서열의 축적은 식물 유전체의 진화에 많은 영향을 주었다. 인삼속 식물들의 유전체 크기는 2.0Gb-4.9Gb (20억-49억쌍)로 그 차이가 매우 큰 편이다. 본 연구에서는 이러한 인삼속 식물의 유전체 중 39-50%가 오직 4개의 long terminal repeat retrotransposons(LTR-RTs)인 PgDel, PgTat, PgAthila, PgTork로 이루어져 있음을 발견하였다.
- ○특히 같은 사배체 식물임에도 인삼(P. ginseng: 3.6Gb)과 미국삼(P. quinquefolius: 4.9Gb)의 유전체 크기의 차이는 대부분 PgDel LTR-RT(0.9Gb)의 급속한 증가에 의한 것임을 밝혔는데, 이는 미국삼이 약 백 만년 전 아시아 대륙에서 북미 대륙으로 이주하며 새로운 환경에 적응하는 과정에 일어난 유전체내 급격한 변화 때문일 것으로 추정하였다. 또한 PgDel2 LTR-RT의 관찰을 통해 사배체 인삼속 식물의 한쪽 조상과 이배체 인삼속 식물의 공동조상이 매우 밀접한 관련이 있었을 것으로 추측하였다.
본 연구는 서울대학교 식물생산과학부 양태진 교수 연구팀에 의해 진행되었으며 농촌진흥청 바이오그린21 사업 (분자육종사업단, 농생물게놈활용사업단)의 지원을 받아 진행되었다.