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데스밸리에서도 잘 자라는 T.오블롱기폴리아 미국 캘리포니아주 데스밸리(Death Valley)에서도 잘 자라는 타이드스트로미아 오블롱기폴리아(Tidestromia oblongifolia). Karine Prado 제공
여름 기온이 50℃를 넘나들어 생명체 생존이 거의 불가능한 미국 캘리포니아주 데스밸리(Death Valley)에서도 잘 자라는 식물이 극한의 더위를 견디며 번성할 수 있는 유전적·분자적 메커니즘이 밝혀졌다.
미국 미시간주립대 이승연 교수팀은 7일 과학 저널 커런트 바이올로지(Current Biology)에서 데스밸리에 사하는 식물 타이드스트로미아 오블롱기폴리아(T. oblongifolia)가 극한 고온에서 빠르게 광합성 체계를 조정, 더 잘 성장하는 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.
이 교수는 "T.오블롱기폴리아는 지금까지 기록된 식물 중 가장 열에 강한 식물"이라며 "이 식물이 열에 적응하는 방식을 이해하면 지구 온난화 속에서 작물이 적응하도록 돕는 새로운 전략을 세울 수 있을 것"이라고 말했다.
기후모델들은 2100년까지 지구 표면 온도가 1.5~5℃ 상승하고 극한 기상 현상이 증가하며, 식생 분포가 변화하고 작물 생산성이 감소할 것으로 전망한다. 특히 주요 농작물은 35℃ 이상에서 견디지 못해 농업에 큰 타격이 우려된다.
여름이면 기온이 49℃를 훌쩍 넘는 데스밸리는 지구상에서 공식적으로 최고 기온이 기록된 지역으로 생명체가 살아남기 거의 불가능한 곳으로 알려져 있다.
T.오블롱기폴리아는 이런 데스밸리에서 단지 생존하는 게 아니라 오히려 번성하는 식물로 알려져 있으며, 퀴노아, 시금치, 사탕무 등과 함께 비름과(Amaranthaceae) 속하는 다년생 식물이다.
하지만 연구팀은 이 식물이 극한의 고온 환경에서 번성할 수 있는 분자적, 세포적, 유전적 메커니즘은 거의 밝혀지지 않았으며 유전체 정보도 존재하지 않는다고 지적했다.
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미국 캘리포니아주 데스밸리(Death Valley). Sue Rhee 제공
논문 제1 저자인 카린 프라도 박사는 "처음 T.오블롱기폴리아의 씨앗을 실험실로 가져왔을 때는 싹을 틔우는 것도 어려웠지만, 데스밸리의 고온과 강한 햇빛을 재현한 식물 생육실에 넣은 후 폭발적으로 자라기 시작했다"고 말했다.
T.오블롱기폴리아는 생육실 내에서 급격히 성장해 10일 만에 생체량이 3배로 증가한 반면에 고온 내성으로 잘 알려진 근연식물 종들은 성장이 완전히 멈췄다.
연구팀은 T.오블롱기폴리아는 극한의 열에 노출된 지 이틀 만에 광합성 온도 범위가 상승하기 시작해 2주 안에 최적 광합성 온도가 45℃에 도달했다며 이는 알려진 작물 중 가장 높은 수준이라고 말했다.
T.오블롱기폴리아에 대한 생리학적 측정과 실시간 영상, 유전체 정보를 결합해 분석한 결과 이 식물의 놀라운 내열성은 여러 단계의 정교한 생물학적 변화에서 비롯된 것으로 밝혀졌다.
데스밸리와 유사한 고온에 노출되자 세포의 에너지 생산기관인 미토콘드리아가 광합성이 이뤄지는 엽록체 옆으로 재배치됐고 엽록체 형태도 컵 모양으로 변했다.
연구팀은 이는 이산화탄소를 더 효율적으로 포획하고 재활용해 고온 스트레스 속에서 에너지 생산을 안정화하는 데 도움이 될 수 있다고 설명했다.
또 24시간 안에 유전자 수천 개가 활성화됐는데, 그중 다수는 단백질, 세포막, 광합성 기구를 열 손상으로부터 보호하는 데 관여하는 것으로 밝혀졌다.
연구팀은 T.오블롱기폴리아에서는 고온 노출 후 루비스코 활성효소(Rubisco activase) 생성이 증가하는데, 이는 높은 온도에서 광합성이 원활하게 지속되도록 돕는 것으로 보인다고 설명했다.
이 교수는 "T.오블롱기폴리아는 식물이 극한의 온도에 적응할 수 있는 능력이 있음을 보여준다"며 "이런 적응 메커니즘을 작물에 적용할 수 있다면 더 뜨거워진 지구에서 농업을 근본적으로 변화시킬 수 있을 것"이라고 말했다./연합뉴스
◆ 출처 : Current Biology, Karine Prado et al., 'Photosynthetic acclimation is a key contributor to exponential growth of a desert plant in Death Valley summer', https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(25)01312-0