"작물 유전자 켰다 껐다" 유전자 기능 분석용 프로모터 개발

다음은 대한민국 농촌진흥청이 발표한 보도자료 "작물 유전자 켰다 껐다" 유전자 기능 분석용 프로모터 개발에 대한 상세하고 포괄적인 요약입니다.

1. 핵심 요약

농촌진흥청은 2025년 8월 4일, 기존 프로모터가 작동하기 어려운 국화와 같은 다배체 및 영양번식 작물의 유전자 기능 분석을 위한 새로운 ‘프로모터’(U41, U47)를 개발했다고 발표했습니다. 이 신규 프로모터들은 국화와 모델 식물인 담배에서 안정적인 유전자 발현을 유도하며, 특히 U47 프로모터는 기존 35S-CaMV 프로모터보다 모든 조직에서 더 높은 활성도를 보였습니다. 이번 개발은 기후변화 대응을 위한 고온 및 병 저항성 유전자 발굴에 기여하고, 궁극적으로 우량 육종 소재 개발을 가속화하여 농업 경쟁력을 강화할 것으로 기대됩니다.

2. 주요 내용

• 신규 프로모터 개발 및 기능 확인: 농촌진흥청은 국화 유전자의 기능 영역 정보를 활용하여 모든 조직에서 발현하는 프로모터 9종을 분리했으며, 이 중 U41(CmERF 프로모터, 2060 bp)과 U47(CmGA2ox 프로모터, 1060 bp) 두 종류가 국화와 모델 식물인 담배에서 동시에 안정적으로 유전자 발현을 유도함을 확인했습니다. 이는 특정 작물군에서 유전자 기능 분석의 한계를 극복하는 중요한 진전입니다.
• U47 프로모터의 탁월한 활성도: 특히 U47 프로모터는 담배에서 매우 강한 베타-글루쿠론산분해효소(GUS) 발현을 보였으며, 국화에서도 기존에 널리 사용되던 35S-CaMV 프로모터보다 꽃과 줄기를 포함한 모든 조직에서 더 높은 발현 활성을 나타냈습니다. 이는 U47 프로모터가 식물 생장에 필수적인 지베렐린 관련 조절인자를 포함하고 있어 안정적인 상시 발현이 가능하기 때문입니다.
• U41 프로모터의 특징 및 활용 가능성: U41 프로모터 역시 담배에서 강한 GUS 발현을 보였으며, 국화의 줄기에서는 35S-CaMV 프로모터보다 상대적으로 높은 발현을 나타냈습니다. 이 프로모터 영역에는 에틸렌 또는 지베렐린과 같은 식물 호르몬 조절 인자가 포함되어 있어, 식물 생육 전 기간에 걸쳐 유전자를 안정적으로 발현시키는 데 기여하는 것으로 분석되었습니다.
• 기존 35S 프로모터의 한계 극복: 현재 유전자 기능 연구에 가장 많이 사용되는 35S-CaMV 프로모터는 콜리플라워 모자이크 바이러스에서 유래한 것으로 대부분의 작물에 적용 가능합니다. 그러나 국화처럼 유전체가 두 배 이상 증폭된 다배체 식물이나 씨앗 대신 줄기, 잎, 뿌리 등으로 번식하는 영양번식 식물에서는 기능이 작동하지 않거나 발현이 낮은 한계가 있었습니다. 이번 개발은 이러한 특정 작물군에서의 유전자 기능 분석 난관을 해소하는 데 중요한 역할을 합니다.
• 연구 결과의 학술적 인정: 이번 연구 결과는 한국 육종학회지에 논문으로 게재되어 학술적 가치와 신뢰성을 인정받았습니다. 이는 개발된 프로모터의 과학적 유효성을 입증하고, 향후 관련 연구 분야에 기여할 수 있는 기반을 마련했다는 의미를 가집니다.
• 개발 주체 및 담당 부서: 본 연구는 농촌진흥청 농업생명자원부 디지털육종지원과에서 수행되었으며, 김남정 부장과 권수진 과장, 서은정 연구사가 주요 책임자 및 담당자로 명시되었습니다. 이는 국가 연구기관의 전문성과 역량을 보여주는 사례입니다.

3. 배경 및 목적

식물 생명공학 연구에서 유전자 발현을 조절하고 특정 유전자의 기능을 확인하는 데 필수적인 ‘프로모터’는 그동안 다양한 작물에서 분리되어 형질전환 연구에 활용되어 왔습니다. 프로모터는 유전자 발현을 조절하는 스위치 역할을 하는 유전자 부위로, 그 종류에 따라 원하는 물질의 생산을 늘리거나 줄일 수 있어 유전자 기능 연구의 핵심 도구로 사용됩니다. 특히, 유전자가 잘 발현되도록 유도하거나 특정 조직에서만 발현되도록 하는 프로모터 개발의 중요성이 강조되어 왔습니다. 현재 가장 널리 사용되는 35S-CaMV 프로모터는 많은 작물에 적용 가능하지만, 국화와 같이 유전체가 두 배 이상 증폭된 다배체 식물이나 씨앗 대신 줄기, 잎, 뿌리 등으로 번식하는 영양번식 작물에서는 유전자 발현이 낮거나 아예 작동하지 않는 한계가 있었습니다. 이러한 한계는 해당 작물들의 유전자 기능 분석을 어렵게 만들어 우량 품종 개발에 걸림돌이 되어왔습니다.

본 연구의 주요 목적은 이러한 기존 프로모터의 한계를 극복하고, 국화와 같은 특정 작물군에서도 안정적으로 유전자 기능을 분석할 수 있는 새로운 프로모터를 개발하는 것이었습니다. 특히, 국화에서 모든 조직에서 발현하는 유전자의 프로모터를 분리하여 모델 식물인 담배와 국화 모두에서 안정적인 발현을 확인함으로써, 다양한 작물에 보편적으로 적용 가능한 유전자 기능 분석 도구를 제공하고자 했습니다. 궁극적으로는 이를 통해 기후변화에 강하고 생산성이 높은 우량 육종 소재를 개발하여 농업 경쟁력을 강화하는 데 기여하는 것을 목표로 합니다.

4. 세부 추진 내용

농촌진흥청 연구진은 이번 프로모터 개발을 위해 국화의 전사체 분석 데이터를 심층적으로 활용했습니다. 전사체 분석은 유전자가 발현되어 만들어진 RNA 전체를 분석하는 것으로, 이를 통해 특정 유전자가 식물의 어떤 조직에서 얼마나 활발하게 발현되는지 파악할 수 있습니다. 연구진은 이 데이터를 기반으로 국화의 모든 기관에서 발현하는 것으로 추정되는 9개의 유전자에서 프로모터 영역을 성공적으로 분리했습니다.

분리된 프로모터들의 기능을 검증하기 위해, 연구진은 이 프로모터들을 유전자 발현 활성도를 시각적으로 확인할 수 있는 베타-글루쿠론산분해효소(GUS) 유전자와 연결한 벡터를 제작했습니다. GUS는 프로모터의 활력 및 발현 부위를 확인할 수 있는 유전자(효소)로, 이 효소가 발현되면 특정 염색액과 반응하여 푸른색을 띠게 됩니다. 이 벡터들을 모델 식물인 담배와 실제 작물인 국화에 형질전환하여 유전자 발현 양상을 분석했습니다. 실험 결과, 분리된 9개의 프로모터 중 CmERF 프로모터(U41, 2060 bp)와 CmGA2ox 프로모터(U47, 1060 bp) 두 종류가 담배에서 매우 강한 GUS 발현을 보였으며, 국화에서도 유의미한 발현이 확인되었습니다. 특히 U47 프로모터는 국화의 꽃과 줄기 등 모든 조직에서 기존의 35S-CaMV 프로모터보다 더 높은 발현 활성을 나타냈습니다. 이는 U41과 U47 프로모터 영역에 식물 생장에 필수적인 호르몬(에틸렌, 지베렐린) 관련 조절 인자가 존재하여, 이들이 식물 생육 전 기간에 걸쳐 안정적으로 유전자를 발현시키는 ‘전신 발현’ 특성을 갖기 때문으로 분석되었습니다. 이러한 세부적인 검증 과정을 통해 새로운 프로모터의 효용성과 안정성이 과학적으로 입증되었습니다.

5. 기대 효과

이번에 개발된 U41 및 U47 프로모터는 다양한 작물의 유전자 기능 연구에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대됩니다. 특히, 기존 35S-CaMV 프로모터로는 유전자 기능 분석이 어려웠던 국화와 같은 다배체 및 영양번식 작물에서 유전자 발현을 안정적으로 조절하고 확인할 수 있게 됨으로써, 이들 작물의 육종 연구에 큰 활력을 불어넣을 것입니다. 구체적으로는 기후변화에 대응하여 고온 저항성, 병 저항성, 가뭄 저항성 등 환경 스트레스에 강한 유전자를 효율적으로 발굴하고 그 기능을 검증하는 데 핵심적인 도구로 활용될 것입니다. 이를 통해 농업 연구자들은 우량 형질을 가진 유전자를 신속하게 찾아내고, 이를 활용하여 생산성이 높고 환경 변화에 강한 새로운 품종을 개발하는 데 필요한 시간을 단축할 수 있습니다. 궁극적으로는 농가에 더 나은 작물 품종을 보급하여 농업 생산성을 향상시키고, 국내 농업의 경쟁력을 강화하는 데 크게 기여할 것입니다. 수혜 대상은 식물 육종가, 농업 연구자, 그리고 개선된 품종을 통해 이익을 얻을 농업인과 소비자 전반이 될 것입니다.

6. 향후 계획

농촌진흥청은 이번에 개발된 고활성 프로모터를 다양한 작물에 적용하여 유전자 기능 연구를 확대해 나갈 계획입니다. 특히, 기후변화 대응 및 고품질 작물 개발을 위한 유전자 발굴 연구에 이 프로모터를 적극적으로 활용할 예정입니다. 이를 통해 발굴된 우량 유전자들은 실제 육종 프로그램에 연계되어 새로운 품종 개발에 직접적으로 기여할 것입니다. 또한, 이번 연구 성과를 바탕으로 식물 생명공학 분야의 기초 연구를 더욱 심화하고, 다양한 작물에 최적화된 맞춤형 프로모터 개발 연구를 지속적으로 추진할 방침입니다. 이러한 지속적인 연구 개발을 통해 농업 분야의 바이오 기술 혁신을 선도하고, 미래 농업의 지속 가능한 발전을 위한 핵심 기술을 확보해 나갈 것입니다.

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