식물 노화 조절로 수량성 증진 세계 최초 증명
노화지연으로 작물의 수량성 증진 품종 개발
벼 생산성 향상, 기아 종식과 식량문제 해결책 제시

“2018년 쌀 소비감소로 재고가 쌓이면서 보관비용에 막대한 예산이 투입되는 사회적 문제가 발생했지만, 2020년 국내 쌀 총 생산량은 기후변화 영향으로 1970년대 이래 최저 생산량인 350만7천 톤까지 감소했지요. 우리나라는 현재도 연간 30만 톤 이상의 쌀이 부족한 현실입니다.”

“단위면적당 쌀 수량성을 최대로 높이는 것은 농민의 수익증대와 세계 식량문제 해결에 중요한 과제지요. 아마도 쌀을 연구하는 사람에게는 평생 이루고 싶은 연구 목표일 것입니다. 지난 8년여 동안 벼 노화 조절 유전자 발견과 자포니카 유래의 노화 유전자 도입 품종을 육성하는 시험은 오랜 시간이 소요돼 엄청난 인내력이 필요했습니다. 그런 과정 끝에 노화지연 유전자를 이용해 수량성이 9% 향상된 ‘밀양374호’를 육성할 수 있었습니다.” 

농촌진흥청 국립식량과학원 논이용작물과 신동진 연구관(48)은 벼의 노화 속도를 조절해서 수량성을 증진시킬 수 있음을 세계 최초로 증명하는 등 벼의 단위면적당 생산성 향상에 노력해온 연구자다.
신동진 연구관은 그동안 ‘노화유전자의 염기서열 변이를 이용한 벼 수명연장과 수량성 증진’ 등의 학술성과를 비롯해 ‘프로모터를 이용한 벼 수량성 증진 방법’을 특허출원하는 등 벼 생산성 향상과 관련된 다양한 연구들을 이어오고 있다.

“국내외적인 식량문제를 해결하기 위하여 스테이 그린(Stay-green:노화조절을 통한 총 광합성 효율 향상) 등의 육종 난제가 그동안의 과제가 되고 있었지요. 제2의 녹색혁명을 견인할 수 있는 유전자가 절실히 요구되는 것입니다. 최근까지 식물의 노화를 조절하는 유전자는 보고됐으나, 노화속도 조절이 작물의 수량성 증진으로 연결되지 않아 육종의 난제로 남아있었습니다. 또한, 국내 쌀 수출과 가공 경쟁력 확보를 위한 생산원가 절감도 시급한 상황이었지요.”

그동안 현대 육종에서는 종자의 크기, 종자의 수 등 작물학적 특성을 꾸준히 개량해 수량성을 향상시켜왔다. 하지만 ‘식량위기 2021 보고서’에 따르면 세계인구 중 약 6억9천 명이 식량문제가 있으며, 이들 중 1억5500만 명은 심각한 기아에 직면한 것으로 나타나고 있다.

“인디카(통일형) 벼는 자포니카 벼보다 꽃이 피는 시기는 같아도 노화가 빠른 단점이 있었습니다. 따라서 저와 동료들은 연구를 통해 벼의 노화 속도를 조절하는 유전자를 동정하고 노화 조절 메커니즘을 구명했습니다. 또한 노화 유전자의 기원과 벼 재배화 과정에서의 역할도 구명했습니다. 노화가 늦은 자포니카 벼의 유전자를 인디카 벼에 도입해 노화를 늦춰 광합성 유지 기간을 넓히고 획기적으로 수량성을 7% 향상시켰고, 전통육종을 통해 농업현장에서 바로 활용이 가능한 Non-GMO 노화지연 통일형 벼 ‘밀양374호’를 육성했습니다. 이를 통해 육종 난제로 남아있던 ‘Stay Green 가설’을 세계최초로 증명할 수 있었지요.”

신 연구관의 이러한 연구 결과는 1급 학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 2020년 6월 게재됐다. 
“육종에서 작물의 키, 종자크기 등 형태학적 특성 개선과 병충해 저항성 증진을 통한 수량성 향상에 대한 연구는 세계적으로 활발히 진행돼왔습니다. 하지만 생리적인 영양분 흡수와 광합성 등을 통한 수량성 증진 연구는 육종에서는 도입단계 수준이었지요. 이번 연구 결과는 유전적 거리가 먼 자포니카 벼와 인디카 벼 간 노화 속도를 조절하는 유전자를 발견하고 수량성 증진 효과를 과학적으로 입증했다는 데 의미가 있습니다. 또한 노화 유전자의 진화적 기원을 구명함으로써 재배화에 대한 이해도를 높였다고 할 수 있습니다. 이를 통해 세계적으로 재배면적이 넓은 인디카 벼의 수량성 향상을 위해 전통육종법으로 자포니카 벼 유래 노화지연 유전자가 활용될 수 있다는 것에 의미가 크다고 하겠습니다.”

인디카 벼의 총 생산량은 자포니카 벼보다 6배 많은 4억1700톤으로 톤당 가격은 약 560달러 수준으로 보고되고 있다. 
“자포니카 유래의 노화가 늦은 유전자가 인디카 품종에 도입돼 수량성이 5% 향상된다고 했을 때 2천만 톤의 쌀이 추가적으로 생산되는 효과가 있는 것이지요. 이는 약 2억 명분의 추가적인 식량으로 대한민국의 국가 위상을 크게 높일 수 있을 것으로 기대됩니다. 국내적으로는 노화 조절을 통한 수량성 향상은 쌀의 수출과 가공 경쟁력 강화로 안정적 식량 공급기반 확보가 가능해졌다고 할 수 있습니다.” 

“향후에 노화지연과 더불어 종자 크기, 종자 수 등의 특성을 집적시켜 보다 수량성이 향상된 품종 개발에 매진할 계획입니다. 또한 수출용 종자 개발을 위해 동남아에서 많이 재배되고 있는 품종에 노화지연 유전자를 이용 수량성을 향상시킬 계획도 있습니다.”