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 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.
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