식물 생물학을 통한 기후 변화 대처

식물 생물학을 통한 기후 변화 대처

식물 생물학을 통한 기후 변화 대처? 4월 11일에 MIT는 사상 처음으로 5개의 다년간의 플래그십 프로젝트를 발표했습니다. 기후 그랜드 챌린지, 복잡한 기후 문제를 해결하고 가능한 한 빨리 전 세계에 획기적인 솔루션을 제공하기 위한 새로운 이니셔티브입니다. 이 글은 5부작 시리즈의 네 번째 작품으로, 경쟁에서 가장 유망한 콘셉트와 그 뒤를 잇는 학제 간 연구팀을 강조합니다. 변화하는 기후가 농업과 식량 안보에 미치는 영향과 현대 농업이 기후 변화에 기여하는 방식은 MIT의 다분야 프로젝트 저공해 회복력 작물로 농업을 혁신하는 것의 최전선에 있습니다. 이 프로젝트는 기후 그랜드 챌린지 대회에서 5개의 대표 수상작 중 하나로 생물학, 생물공학, 화학공학, 토목 및 환경공학과의 연구원들이 한자리에 모입니다. 크리스토퍼 보이트 교수는 팀의 연구는 두 가지 연결된 과제를 해결하기 위해 노력하고 있다고 말했습니다. 먼저 첫번째로 농업용 비료로 인한 온실가스 배출량을 줄여야 하며, 두번째로 기후 변화가 식물 대사에 미치는 영향으로 인해 현재 많은 농작물의 수확량이 감소할 것이라는 점이라고 말했습니다. 크리스토퍼 보이트 교수는 이 프로젝트의 핵심 책임자입니다. 또한, MIT 생물 공학과 교수인 다니엘 교수는 변화하는 기후에서 보다 탄력적이고 생산적으로 설계된 식물 수정을 위한 저공해 방법을 개발하려는 전반적인 목표의 핵심인 6가지 학제 간 프로젝트를 추진하고 있습니다 이 프로젝트는 화이트헤드 연구소의 멤버이자 MIT 생물학과 부교수이기도 한 식물 생물학자 메리 게링과 징케 웡이 이 두 프로젝트를 이끌게 됩니다. 다음으로 작물 복원력 증진에 대해서 말씀드리겠습니다. 인류 역사의 대부분 동안 기후 변화는 수백 년 또는 수천 년에 걸쳐 점진적으로 발생했습니다. 이러한 속도 덕분에 식물은 온도, 강수량, 대기 구성의 변화에 적응할 수 있었습니다. 그러나 인간이 주도하는 기후 변화는 훨씬 더 빠르게 일어나고 있으며 농작물은 어려움을 겪고 있습니다. 곡물의 종자 단백질 함량과 마찬가지로 많은 지역에서 작물 수확량이 감소하고 있습니다. 게링은 전 세계에 영양가 있는 식량을 풍부하게 공급하려면 기후 변화에도 불구하고 영양가가 높고 영양가가 높은 다양한 작물을 생명공학할 수 있는 근본적인 메커니즘을 개발해야 한다고 말합니다. 이전 연구에서 그녀는 식물 번식과 종자 발달의 많은 측면이 후성유전학, 즉 DNA 서열 외부의 정보에 의해 제어된다는 것을 보여주었습니다. 그녀는 이러한 지식과 자신이 개발한 연구 방법을 사용하여 현재 식량 작물보다 더 생산적이고 탄력적인 종자 생산 식물의 품종을 만드는 방법을 찾아냈습니다. 그러나 식물 생물학은 복잡하고 서로 다른 모균주를 결합하여 견고성 향상 형질을 통합하는 식물을 개발할 수 있지만, 과학자들은 여전히 새로운 형질이 한 세대에서 다음 세대로 발전할 수 있도록 하는 방법을 배우고 있습니다. 게링은 견고함을 강화하는 형질을 가진 식물은 하이브리드 활력을 가지고 있으며, 이러한 형질의 영속화는 후성유전학에 의해 제어된다고 믿는다고 설명합니다. 덧붙여서 현재 옥수수와 같은 일부 식용 작물은 잡종 활력의 이점을 누릴 수 있도록 설계할 수 있지만 이러한 특성은 유전되지 않으며, 그렇기 때문에 오늘날의 가장 생산적인 옥수수 품종을 재배하는 농부들은 매년 새로운 종자 배치를 구입하여 심어야 하고, 많은 중요한 식량 작물은 아직 하이브리드 활력의 이점을 깨닫지 못하고 있다고 강조했습니다. 게링이 이끄는 프로젝트인 하이브리드 활력을 회복하기 위한 클론 종자 생산 개발은 식용 작물 식물이 모체와 더 강력하고 유전적으로 동일한 종자를 만들어 세대 간에 유익한 형질을 전달할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. 모체와 유전적으로 동일한 종자를 클론으로 생산하는 과정을 아포믹시스라고 합니다. 게링은 아포믹시스는 400개의 꽃 식물 종에 존재하기 때문에 아포믹시스에 필요한 유전자와 신호 경로가 이미 작물 내에 존재할 가능성이 높으며, 이 것에 대한 과제는 이러한 유전자와 경로를 조정하여 식물이 생식을 성적인 것에서 무성적인 것으로 전환하도록 하는 것이라고 밝혔습니다. 이 프로젝트는 종자의 영양 조직인 배유의 자율 무성 발달과 관련된 유전자와 경로가 모델 식물인 아라비돕시스 탈리아나에 존재한다는 사실을 활용할 것입니다. 아라비돕시스에 대한 이전 연구에서 게링의 연구소는 잘못 조절될 때 무성 배유와 유사한 물질의 개발을 유도하는 특정 유전자를 연구했습니다. 일반적인 씨앗은 실행할 수 없지만 추가로 관련 유전자의 발현을 후성유전학적으로 조정함으로써 식물이 그 물질을 유지하고 아포믹시스를 달성하는 데 도움이 될 것입니다. 게링과 그녀의 동료들이 다양한 작물에 배유 아포믹시스를 도입하기 위한 유전자 발현 공식을 만드는 데 성공한다면 근본적이고 중요한 성과를 거둘 수 있을 것입니다. 이러한 방법은 농업 전반에 걸쳐 적용되어 비료와 살충제를 덜 필요로 하면서도 변화하는 환경을 견딜 수 있는 새로운 작물 품종을 만들고 지속할 수 있습니다. 다음으로 자가 수정 작물을 만드는 것에 대해서 설명하도록 하겠습니다. 현재 미국 내 온실가스 배출량의 약 4분의 1이 농업의 산물입니다. 2018년 프론티어 인 플랜트 사이언스 연구에 따르면 비료 생산 및 사용은 배출량의 3분의 1을 차지하며 이산화탄소보다 열 포집 능력이 298배 강한 아산화질소를 포함하고 있습니다. 대부분의 인공 비료 생산은 또한 막대한 양의 천연 가스를 소비하며 재생 불가능한 자원에서 채굴한 광물을 사용합니다. 그 후 질소 비료의 대부분은 유출수가 되어 지역 수로를 오염시킵니다. 이러한 이유로 이 기후 그랜드 챌린지의 주력 프로젝트는 인간이 만든 비료 사용을 크게 줄이는 것을 목표로 합니다. 한 가지 매력적인 접근 방식은 전 세계 식량 생산량의 약 75%를 차지하는 곡물 작물을 재배하여 토양 속 박테리아와의 대사적 상호작용에서 질소를 추출할 수 있도록 하는 것입니다. 화이트헤드 인스티튜트의 웡은 옥수수, 쌀, 밀과 같은 유전자 생명공학 작물이 질소 고정 미생물과의 공생 관계를 통해 자체 비료를 생산하는 등 이를 위한 노력을 주도하고 있습니다. 이러한 웡이 말합니다. 콩과 완두콩 식물과 같은 콩과 식물은 뿌리 결절을 형성하여 탄소와 교환하는 대가로 리조비아 박테리아로부터 질소를 공급받을 수 있으며, 이러한 대사 교환은 콩과 식물이 오늘날 사용되는 인위적으로 생산되는 질소 비료의 상당 부분을 사용하는 곡물보다 온실가스를 훨씬 적게 배출하고 화석 에너지에 대한 투자가 훨씬 덜 필요하다는 것을 의미한다고 밝혔습니다. 이어서 우리의 목표는 콩과 식물의 자가 수정 능력을 곡물 작물에 이전하는 방법을 개발하는 것이고 할 수 있다면 식량 생산의 지속 가능성에 혁명을 일으킬 것이라고 자신 있게 포부를 밝혔습니다. 공식적으로 곡물 비료 생산을 위한 콩과 식물과 리조비아 공생 모방이라는 제목의 이 프로젝트는 다단계로 총 5년에 걸친 노력으로 진행될 예정입니다. 이 연구는 식물의 대사 진화에 대한 웡의 광범위한 연구와 콩과 식물과 질소 고정 박테리아 사이의 교환을 허용하는 뿌리 결절 형성에 관여하는 분자의 규명을 바탕으로 합니다. 또한, 식물의 특정 신호 및 대사 경로를 재구성하는 데 있어 그의 전문성을 활용합니다. 웡과 그의 동료들은 콩과 식물과 리조비움 박테리아 사이에서 일어나는 저분자 신호 전달 과정의 전체 스펙트럼을 해독하는 것으로 시작할 것입니다. 그런 다음 콩과 식물이 아닌 작물에서 유사한 시스템을 유전적으로 설계합니다. 다음으로 최첨단 대사체 방법을 사용하여 콩과 식물 뿌리에서 배설되는 작은 분자가 리조비움 박테리아로부터 질소와 탄소 교환을 유도하는지 식별합니다. 마지막으로, 연구진은 콩과 식물이 아닌 식물의 뿌리에서 이러한 분자의 생합성을 유전적으로 조작하고 뿌리를 둘러싸고 있는 리조비움 박테리아에 미치는 영향을 관찰할 것입니다. 이 프로젝트는 복잡하고 기술적으로 어렵지만 그 잠재력은 엄청납니다. 실제로 옥수수에만 집중하면 질소 비료의 생산과 사용량을 16만 톤까지 줄일 수 있고, 아산화질소 가스의 관련 배출량을 절반으로 줄일 수 있습니다. 지금까지 식물 생물학을 통한 기후 변화 대처 방법에 대해서 알아봤습니다.