바이오/농업/의료·헬스케어

Nikkei Science_2018.2 특집 요약(p79-85)

농업 “Building a Better Harvest”
바이옴(Biome) 농업
미생물과 환경을 살리고, 세계의 식량수요 충족
M. Broadfoot / 과학 저널리스트

미래의 식량위기를 피할 수 있도록 작물이 주위의 미생물 및 영양소 등의 환경 요인과 주고 받는 복잡한 “신호”를 조작하는 연구가 진행되고 있다.

[ Key concepts ]
사용되기 시작한 미생물 코팅 종자
▶ 세계의 식량 수요를 충당하기 위해 ‘식물 바이옴’을 이용하는 방법을 모색하고 있다. 작물과 주위 미생물간의 커뮤니티, 토양, 기후, 동물 등의 환경요인을 연결시키고 있는 복잡한 연관성에 주목한다.
▶ 가장 유망한 기술에는 해충을 방지하고 작물의 성장을 촉진시키는 세균 및 진균으로 코팅한 종자가 있으며, 최초로 개발된 제품이 이미 판매되고 있다.
▶ 식물 바이옴에 근거한 방법에는 유전자 조작 종자처럼 논란을 불러오는 일은 없겠지만, 몇 가지 리스크는 존재한다. 어찌 되었든 바이오 기술만으로 세계의 기아를 해결한다는 것은 불가능한 일이다.

디아즈(Mercedes Diaz) 씨는 글로벌 대형 종묘회사인 몬산토(Monsanto)에 근무하는 식물병리학자이며 농작물을 병충해로부터 보호하여 수확량을 극적으로 끌어올리기 위해 새로운 방법을 찾고 있는 수 많은 연구자 중 1명이다. 그녀의 팀은 2016년에 각기 다른 종류의 미생물로 코팅한 대두(大豆)의 수천 가지 타입의 종자를 미국 중서부와 남부의 50만개소에 뿌렸다. 이 실험포장의 옆에 미처리된 종자를 뿌린 대조포장을 마련해 그것들을 에워싸듯 병충에 민감한 품종을 심어 ‘모니터 감시포장’을 만들었다. 이것이 이른바 ‘탄광의 카나리아’가 되어 다른 밭에 병충해가 미칠 우려를 미리 경고한다. 모니터 포장에서 SDS 등의 입고병(立枯病)이 발견되었으나 실험포장은 건전한 경우, 종자에 코팅한 미생물이 기능하여 작물의 건강을 유지시킨 증거라고 해석할 수 있다.

그러나 그날에 SDS가 발견된 곳은 모니터 포장뿐이고 실험포장과 대조포장에서는 두 곳 모두 문제가 없었다. 미생물의 효과가 있었는지는 그것만으로 알 수가 없다. 또한 대두의 결실이 좋아, 평상시보다 1에이커(약 0.4 헥타르) 당 6부셸(약 160kg)로 많이 열린 경우에도〔대두의 수량은 평균 1에이커 당 약 50부셸(약 1.4톤)〕 밭을 보는 것 만으로 그것을 특정하는 것은 불가능에 가깝다. 미생물이 대두의 생육을 도왔는지 아닌지를 파악하기 위해서는 수확 때까지 기다린 후에 수량의 데이터를 분석할 필요가 있다.

작물 연구는 슬로 페이스로 흐름에 맡기는 경향이 있으나, 디아즈 씨와 같은 과학자는 자신들의 연구가 시간과의 싸움이라고 생각하고 있다. 향후 수십 년 안에 농업을 근본적으로 바꾸지 않으면 식량부족에 처하게 될 것이다. 세계인구는 현재의 75억명에서 2050년에는 97억명으로 늘어날 전망이다. 국련식량농업기관(FAO)에 의하면 이 인구의 먹거리를 해결하며 아울러 육식의 증가 등 식사내용의 변화에 대처하기 위해서는 농산물의 생산량을 약 70% 더 늘릴 필요가 있다고 한다.

몇 가지 우려할 상황으로 인하여 이 문제는 더욱 어려움을 더하고 있다. 도시화 및 기후변화로 인해 세계의 경작이 가능한 땅은 축소되고 있다. FAO에 따르면 주요작물의 연간 수확량은 포화상태이며 비료는 사용량을 지금 이상으로 늘린다고 해도 유해무익할 수 밖에 없는 레벨에 이르렀다. 때에 따라 호불호가 상반되는 유전자 변형 작물 또한 식량생산을 빠른 속도로 늘릴 수 있다는 당초의 기대에는 못 미치고 있다.

“특효약을 찾는 것은 더 이상 그만두는 편이 낫다”라고 콜로라도 대학의 식물병리학자 리치(Jan Leach) 씨는 말한다. “누군가 한 명의 식물병리학자가 단독으로 해결할 수 있는 문제가 아니다. 지극히 다양한 분야의 팀이 지금까지와는 전혀 다른 형태로 협력해야 할 필요가 있다.

리치 팀은 보다 포괄적인 어프로치를 추진하고 있다, 농장을 구성하는 식물과 토양, 미생물, 곤충, 기후 등의 전체를 ‘식물 바이옴’으로 인식하여 그들의 구성요소가 어떤 상호작용을 통해 작물의 수확량을 결정하고 있는지를 고찰한다. 식물 바이옴에 대한 사고방식은 19세기의 박물학자인 월레스(Alfred Russel Wallace) 및 다윈(Charles Darwin)의 저서로 거슬러 올라간다. 그들은 자연을 상호간에 연결된 거대한 네트워크라고 인식하여 그 안에서 생물종(種)이 주위의 환경변화에 대응하기 위한 적응을 지속하고 있다고 생각했다.

앞에서 말한 대두를 예를 들어 보겠다. 곤충이 잎사귀에 앉으면 대두는 이것에 반응하여 뿌리부터 휘발성 화학물질을 방출, 그로 인해 토양 중의 미생물의 구성이 바뀌게 된다. 그것들의 미생물은 인접해 있는 대두의 그루터기에 일련의 유전자에 스위치를 눌러 곤충의 공격에 대비하게 한다. 그러나 중요한 방어기구는 다양한 환경 요인에 따라 민감하게 반응하기 때문에 예를 들어 기후 변동에 약할 가능성이 있다.

병원체는 놀라울 정도의 고도의 기술이 있다. 어떤 것은 잎의 표면에서 포탄과 같이 날아와 기류를 타고 농장에서 농장으로, 대륙에서 대륙으로 이동한다. 하늘 높이 올라가는 미생물 중에는 구름 속에서 비나 우박을 만들게 하여 그것들을 타고 지면으로 다시 돌아오는 것도 있다. 이렇듯 병원체는 기후에까지 영향을 미치고 있는 것이다.

과학자들은 몇 백 년 전부터 이런 복잡함에 조금씩 눈을 뜨고 있었으나, 기술개발이 발달한 최근에 와서 이와 같은 복잡한 상호작용을 해명하여 지속 가능한 농업을 실현하는 조직적인 대책을 개발할 수 있게 되었다. 지금은 유전자의 염기배열을 파악하는 시켄서 장치를 사용할 경우, 토양 속의 모든 미생물을 검출해 낼 수 있다. 희귀 미생물이나 실험실에서는 배양이 불가능한 균주도 검출이 가능하다. 또한 토양 미생물의 구성이 비료의 대량 투입 및 온도의 저하 등에 따라 시간적∙공간적으로 어떻게 변하는지를 추적할 수 있다. 미생물과 식물 그 외의 생물이 화학물질을 통해 상호간에 교환하고 있는 ‘신호(대화)’를 기록하여 그런 신호가 작물의 생산성과 건강 상태를   어떤 식으로 좌우하고 있는지를 파악하는 연구도 추진되고 있다.

언젠가는 농가가 특별 장비의 트랙터에 타고 밭에 들어가 ‘정밀 농업’에서 일반적으로 계측되는 토양의 수분 레벨이나 영양성분뿐만이 아니라, 토양에 서식하는 미생물의 포괄적인 국세(國勢) 조사를 실시할 수 있게 될 지도 모른다. 이들을 과거의 작물 수량의 데이터와 발생한 병충해 및 기후 패턴의 예상 데이터와의 조합을 통해 해석함으로써, 어떤 종자와 토양 중의 영양소, 화학물질, 미생물을 조합시켜야 수확량이 최대치가 될 지를 예측할 수 있게 될 것이다.

그 실현을 목표한 움직임이 시작되었다. 2016년 다양한 분야의 과학자 그룹이 농업의 미래를 바꾸는 야심 찬 계획인 ‘식물 바이옴: 연구와 응용을 위한 로드 맵’을 발표했다. 동시에 이 분야의 학술지인 Phytobiomes가 창간되어 10곳을 넘는 주체로부터 만들어진 산학공동조직 ‘식물 바이옴 얼라이언스’가 창설되었다. 바이오 컨소시엄 및 인디고와 같은 신흥기업 외에도 몬산토 등과 같은 기업이 참여하고 있다. 그 이후, 이들 기업은 연구개발 강화를 위해 고액의 투자를 감행하여 2020년에는 전세계 100억달러 규모가 될 것으로 예상되는 농업생물제제시장의 점유율을 놓고 경쟁하고 있다.

그들은 발 밑의 대지에 펼쳐져 있는 미생물 네트워크가 그 대응책에 대한 열쇠를 쥐고 있다고 보고 있다. 토양에 서식하는 세균 및 진균은 식물의 성장을 촉진시키고 병충해를 막는데 기여하는 경우가 있다. 그런 사례는 19세기 후반부터 알려지게 되어 토양에 질소를 공급하는 뿌리혹 세균(근류박테리아)이 완두콩 등 콩류의 재배에 이용되고 있다.

현재에는 토양 미생물을 사용한 수십 종류의 제품이 판매되어, 더 많은 제품이 개발 중에 있다. 몬산토는 덴마크의 노보자임스와 제휴하여 디아즈 씨가 관련된 대규모 포장실험을 통해 개발된 미생물 코팅종자로 수익을 올리고 있다.  그 외에도 작물의 게놈을 개변하여 유용 미생물을 유인하는 해충과 식물간의 교감을 조작하여 작물이 위협을 보다 적절하게 감지하여 대처해 갈 수 있게 하는 등, 다양한 방법이 시도되고 있다. 식량위기를 회피하기 위한 길은 빠른 시간 내에 그 방법을 찾아 낼 수 있을 지가 승패를 가르게 된다.

● 식물 바이옴을 조작한다
작물은 식물 바이옴, 즉 농장의 환경을 구성하는 다양한 생물 및 무생물과 항상 교류하고 있다. 이 ‘대화(교감)’는 식물의 건강상태에 영향을 미친다. 작물의 잎이나 줄기, 뿌리뿐만 아니라 주변의 대기 속이나 토양 속에 존재하는 세균 및 진균, 바이러스는 수확량을 늘리거나 병을 초래 할 가능성이 있다. 토양의 특성은 환경에서의 물이나 산소, 영양소의 순환 방법을 바꿀 수 있다. 질소 및 인 등의 영양소는 작물의 성장을 촉진시키지만, 화학비료의 과잉 사용은 토양을 노화시킨다. 토끼나 갑충류 등의 동물은 작물에 가장 큰 피해를 입히지만, 지렁이 등과 같은 동물은 작물에 이익을 가져다 준다. 기후나 기후변동은 이 생태계의 요소 전체에게 영향을 미친다. 여기에서는 작물의 수확량 향상을 위해 시도하고 있는 식물 바이옴 조작에 대해 2가지 사례를 중심으로 소개하겠다.

1) 미생물 코팅 종자
몬산토, 노보자임스 양사가 연대를 맺은 바이오에그(BioAg) 얼라이언스는 유용하다고 여겨지는 미생물을 묻힌 종자에 대해 세계 최대규모의 야외실험을 실시하고 있다. 미국의 농장에서 수십 억의 토양미생물을 채취하여 샬레 속에서 배양한다. 전체의 약 1%가 생존하여 화려한 모양과 색상의 콜로니(세균 군체)를 만든다. 그것들을 가지고 일련의 실험을 시행한다. 예를 들어 게놈의 염기배열을 조사하여 병원성을 가진 것을 제거한다. 유망한 미생물은 실험실에서 배양되어 그것을 종자에 코팅한 것을 시험포장에 뿌려 키운다. 최근 3년간에 걸쳐 얻은 실험의 첫 성과물은 상품으로 이미 판매되고 있다. 미생물을 코팅한 옥수수 종자로 1에이커(0.4헥타르) 당 약 3부셸(약 76kg)의 수확량 증가를 가져왔다.

2) 미생물과 초식동물, 식물간의 상호 관계
식물에는 정식 의미에서의 면역계가 없으나, 해충이나 세포에 의한 공격을 감지하여 대응할 수 있다. 곤충이 잎을 갉아먹는 등 공격해 오면 식물은 곤충의 소화나 성장을 방해하는 성분을 방출한다(시나리오 1). 세균의 공격은 다양한 항균성 화합물의 방출을 일으킨다. 콜로라도감자잎벌레의 유충 등 일부 곤충은 장내세균을 잎사귀에 토해 내어 식물을 속이는 것이 가능하다. 식물에게 잘못된 방어활동을 하게 해 공격으로부터 회피한다(시나리오 2). 현재, 곤충에 의한 이런 속임수를 뒤집는 방법이 연구되고 있다.

-- 포장실험으로 유용 미생물 선별 --
-- 위험천만한 비즈니스? –

-- 다음의 농업 혁명--
지금 미국의 농장에 뿌려지고 있는 종자는 우리들 선조들이 사용했던 종자와는 다르다. 유전자 조작의 축적으로 전형적인 것은 14종류의 형질이 개변되어 있다. 업계에서는 스택(Stack)으로 불리는 이 종자에는 때때로 비료나 제초제 등 수확량 증가를 가져올 수 있는 많은 제품이 부수적으로 따라온다. 바이오에그(BioAg) 얼라이언스의 미생물 코팅 종자 등, 최근에 합류한 생물제제도 그 중 하나이다. 그러나 무엇이 건강한 작물로 만들어 줄지는 모르는 경우가 아직 많다. 대학이나 정부기관, 거대 농업기업의 과학자가 그 해명을 놓고 경쟁하고 있다.

유전자배열해독기술의 발전에도 불구하고, 토양 속의 미생물 중 지금까지 동정된 종은 겨우 1%에 지나지 않는다. 원래 토양은 불투명하므로 거기에서 일어나고 있는 것을 보는 것은 어렵기 때문이다. 따라서 파괴적인 끝점 조사에 의존할 수 밖에 없었다. 토양을 삽으로 떠서 그 안의 미생물을 어림잡아 조사하는 것이다.

수년 전, 영국 스코틀랜드의 연구팀이 개발한 투명한 인공토양에 의해 식물의 뿌리에 기생하는 미생물을 살펴볼 수 있게 되었다. 노스캐롤라이나대학 차펠힐 대학교 미생물학자 생크 씨는 이 투명 토양을 사용하여 미생물이 내보내는 시그널을 조사했다. 그러나 그런 화학적인 메시지는 치사적인 것(항균제의 70%는 미생물이 다른 미생물을 죽이기 위해 만들어 대사물질에서 유래)이기 때문에 생산적인 것(어느 종의 미생물이 내보내는 신호는 미생물을 불러모아 바이오 필름(미생물막)이라는 집합체를 형성하여 식물의 뿌리에 들러붙는다) 까지 다양하다.

생크 씨는 2016년 11월에 뉴멕시코주 산타페에서 개최한 식물 바이옴의 심포지엄에서 연구성과를 발표했다. 미생물의 다양한 대사산물을 형광 마커로 표식 함으로써 종자를 옮겨 심거나 온도 상승, 병원체의 진입과 같은 일에 대응하여 토양 미생물이 메시지를 주고받는 모습을 관찰할 수 있다.

바이오에그(BioAg) 얼라이언스는 2017년 최초의 제품으로 옥수수 밭의 토양에서 찾아 낸 진균을 기반으로 한 미생물 코팅 종자를 발매했다. 포장실험에서는 1에이커(0.4 헥타르) 당 약 3부셸(약 76kg)의 수확량이 증가했다. 세계 전체에 9,000만 에이커(약 36만㎢)에 달하는 농지에서 수확량을 높이는데 사용될 것으로 추정되고 있다.

이것은 하나의 출발점이지만, 세계의 식량 수요를 충족시키기까지의 길은 아직 멀다. 작물 연구자 간에 데이터 공유가 진행되어도 이 문제는 바이오 기술만으로는 해결하기 힘들 것이다. 해결에는 식량 공급뿐만 아니라 식품 낭비 및 유통 문제, 전쟁, 정치적 대립, 소득의 불평등, 기후변화에도 대처할 필요가 있다.

결국, 식물 바이옴의 조작은 차기 농업혁명을 위한 일부에 지나지 않는다. 또한 정치적 의지와 많은 행운도 필요하다. 어쨌든 2050년까지는 앞으로 32년, 작물을 재배하여 수확하는 회수는 32번밖에 남아있지 않다.

 -- 끝 --