전남대 양승환 교수 연구팀, CRISPR 유전자편집으로 고온 스트레스에 강한 작물 원천기술 개발
BCH 유전자 정밀 편집으로 베타카로틴 최대 3.74배 증가·고온 조건 엽록소 유지력 향상
국제우수학술지 《Plant Physiology and Biochemistry》 게재…기후변화 대응 작물 개발 가능성 제시
전남대학교 융합생명공학과 양승환 교수 연구팀이 첨단 CRISPR/Cas9 유전자편집 기술을 활용해 고온·폭염 등 극한 환경에서 식물의 생존력을 높일 수 있는 원천기술을 개발했다.
이번 연구는 식물의 카로티노이드 대사에 관여하는 BCH(beta-carotene hydroxylase) 유전자를 정밀하게 편집해 식물체의 대사 흐름을 조절하고, 고온 스트레스에 대한 내성을 향상시킨 것으로, 기후변화에 대응하는 차세대 작물 개발의 가능성을 제시했다.
연구팀은 CRISPR/Cas9 유전자편집 시스템을 이용해 BCH 유전자에 x-frameshift 및 missense 변이를 유도한 유전자편집 계통을 확보했다. 그 결과 야생형에 비해 베타카로틴 함량이 최대 3.74배 증가했으며, 카로티노이드 대사 및 관련 유전자 발현에도 변화가 나타났다.
특히 42°C의 고온 스트레스 조건에서 유전자편집 계통의 생리적 특성을 분석한 결과, 야생형 식물에 비해 엽록소 손실이 크게 억제됐으며, 우수 계통(P3)의 경우 엽록소 유지율이 약 71%로 나타나 고온 환경에서의 높은 생리적 안정성을 확인했다.
이번 연구 결과는 식물의 색소 및 항산화 물질 대사 조절과 고온 스트레스 반응 사이의 연관성을 규명했다는 점에서 학술적 의미가 크다. 또한 최근 기후변화로 인해 빈번해지고 있는 폭염과 고온 스트레스에 대응할 수 있는 내재해성 작물 품종 개발 및 유전자편집 기반 작물 육종 기술로의 활용 가능성도 기대된다.
이번 연구성과는 식물생리·생화학 분야 국제학술지인 Plant Physiology and Biochemistry (상위 10% 이내, Q1, 영향력 지수 6.2)에 게재됐다. 해당 학술지는 식물 생리학 및 생화학 분야의 국제적으로 권위 있는 학술지로, 이번 연구는 Blocking the Conversion of β-Carotenoids into Xanthophylls through HYb Gene Editing via CRISPR/Cas9 Confers Enhanced Heat Stress Tolerance in Nicotiana tabacum (Volume 238)에 게재됐다.
양승환 교수는 “이번 연구는 식물의 카로티노이드 대사경로를 정밀하게 조절함으로써 고온 스트레스에 대한 식물의 적응력을 향상시킬 수 있음을 보여준 것”이라며, “향후 주요 식량·경제작물에 적용할 경우 기후변화에 대응하는 내재해성 품종 개발과 고기능성 작물 생산에 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 우수핵심연구사업 및 농촌진흥청 자생식물 개발사업을 바탕으로 수행됐으며, 향후 기후변화에 취약한 주요 작물에 대한 유전자편집 기술 적용 및 고기능성 농산물 개발 등으로 연구 범위를 확대할 계획이다.
한편, 연구책임자인 양승환 교수는 분자생물학 및 생물공학 분야에서 250여 편의 국제학술논문을 발표하는 등 활발한 연구 활동을 수행하고 있으며, 세계 상위 2% 연구자에 선정되는 등 국제적으로 연구역량을 인정받고 있다.
