서울대학교

- 고추역병 등 난치식물병 저항성 품종개발 길 열려 -
- Nature Communications에 논문게재 -

[연구필요성]

식물역병균(Phytophthora 속)은 약 100종 이상이 존재하며 각 종은 다양한 주요 농작물에 역병을 일으키며 전 세계적으로 커다란 문제를 일으키고 있음(고추, 감자 및 토마토를 침해하는 감자역병균의 경우 경제적 손실 〉200 억불/년). 그러나, 대부분의 역병균에 대한 저항성 유전자는 아직까지 동정되지 않고있음.

[연구성과/기대효과]

서울대학교 식물면역연구센터 연구진(과제책임자: 최도일 석좌교수, 연구원 오수현 박사)은 유전체정보 분석 및 실증실험을 통하여 아이랜드 대기근 병원체인 감자역병균에 대한 저항성 유전자들이 다른 작물을 침해하는 다양한 역병균에 대해서도 저항성을 매개할 수 있는 비기주저항성 유전자임을 밝혀 Nature Communications 온라인판에 11월 20일 게재하였음.

기존방법으로 병 저항성 품종을 육성 하는데는 다양한 유전자원, 막대한 숫자의 교배집단 및 오랜시간의 포장 재배실험이 필요해 엄청난 자원과 비용을 필요로 하는 바, 본 연구를 통해 동정된 비기주 유래의 병저항성 유전자, 그리고 이를 찾아내는 생물정보학적 방법은 주요 작물의 질병에 의한 피해를 획기적으로 절감시킬 수 있는 신품종개발이 가능할 것으로 생각됨.

우리나라에서 가장 문제가 되고 있는 고추 역병, 세계적으로 문제되는 감자역병 피해를 획기적으로 줄일 수 있는 신품종개발이 가능 할 것으로 판단되며, 본 연구 결과는 국내외 특허로 출원 중이며 기술이전을 통한 실용화를 추진중에 있음.

[연구결과]

Conserved effector families render Phytophthora species vulnerable to recognition by NLR receptors in nonhost plants

Soohyun Oh, Myung-Shin Kim, Hui Jeong Kang, Taewon Kim, Junhyeong Kong, and Doil Choi
(Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-024-54452-2)

□ 연구 배경: Phytophthora 병원균들에 대한 저항성 유전자원의 부재

• ■감자역병균(Phytophthora infestans)은 매년 전세계적으로 약 200억 달러 이상의 피해를 끼치고 있으며, Phytophthora 속 병원체는 고추와 호박(P. capsici), 담배와 감귤류(P. parasitica), 콩(P. sojae), 화훼작물(P. palmivora), 사과와 딸기(P. cactorum)을 침해하는 병원균들을 포함하여 약 100종의 식물 병원균로 구성됨 [그림 1].
• ■현재까지 동정된 식물 저항성 유전자의 90%는 병원성 단백질(effector)을 인지하는 세포질면역수용체 (NLR, nucleotide-binding leucine rich repeat) 유전자임
• ■감자역병균에 대항하여 약 30종 이상의 NLR 유전자가 보고 되어있으나, 감자역병균 이외의 다른 역병균에 대한 저항성 유전자는 현재까지 거의 밝혀져 있지 않음

그림 1. 다양한 Phytophthora 병원균들의 진화적 관계를 나타내는 계통도(좌측)와 각 병원균에 의해 피해가 발생하는 작물들(우측)

□ 연구 결과: 역병원균들에 공통적으로 보존되어 있는 effector를 인지하는 면역수용체(NLR) 동정

• ■감자역병균(P. infestans)에 대해 기능하는 저항성 유전자들은 각각 서로 다른 감자역병균의 effector를 인지하여 저항성을 매개함
• ■본 연구진은 이런 감자역병균의 effector들이 다른 다양한 역병균들에 진화적으로 보존되어 있음을 확인하였으며, 그 중에는 상응하는 면역수용체가 알려져 있는 열 두개의 effector들이 포함되어 있었음
• ■본 연구진은 기존에 알려져 있던 감자역병균 저항성 유전자인 R1 / R8 / Rpi-arm1이 다양한 역병균에 보존되어 있는 effector들을 인지하여 실제로 고추역병균을 포함하여 저항성을 부여할 수 있음을 형질전환 식물체를 개발하여 확인하였음 [그림 2]
• ■현재까지 대부분의 역병균에 대한 저항성 유전자가 알려지지 않은 바, 본 연구에서 동정된 유전자들은 고추를 포함하여 다양한 작물에서 역병저항성 작물 육종에 이용될 수 있을 것임. 또한, 병원균들에 보존되어 있는 effector를 활용한 저항성 유전자발굴 방법론 또한 다양한 식물/병원균 시스템에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.

그림 2. 감자역병균 저항성 유전자를 발현하는 형질전환체(R1, R8, Rpi-amr1: 야생 감자 및 까마중 유래 유전자, Wild type: 자연 상태의 식물)는 다른 다양한 Phytophthora 병원균(상단, 각 병원균이 피해를 끼치는 작물들이 그림으로 표기되어 있음)에 저항성을 매개할 수 있음