■ 연구성과

- 인삼 전체 유전체 정보 해독 및 데이터베이스 관련 논문 2건 게재 -

서울대학교 농업생명과학대학 식물생산과학부 양태진 교수팀은 10년 이상의 연구 끝에 인삼 유전체 정보 전체를 해독하여 공개하였으며 이들 결과를 통해 국제 우수 학술지 Plant Biotechnology Journal 및 BMC Plant Biology에 2018년 5월 (김남훈, 무루 공동 1저자, 무루 제1저자 논문) 두 편의 논문을 동시에 게재하였다.

양태진 교수팀은 인삼의 유전체를 완전 해독하여 약 30억쌍 (3 Gbp)의 완성도 높은 유전체 서열을 세계 최초로 확보하였으며 59,352 개의 인삼 고유 유전자를 밝혔고, 다양한 인삼속 근연 식물들과의 비교유전체 연구를 통하여 한반도를 포함한 동북아시아가 인삼의 발원지일 것이라는 흥미로운 연구결과를 보고하였다. 약 220만년전 빙하기와 간빙기가 반복되던 시기에 4배체 현상을 통하여 인삼이 태동하였을 것으로 예측되었으며, 이후 북아메리카로도 전파 되었다는 것을 유전자 염기서열 변화정도로 추정하였다.

우수 약리물질인 진세노사이드의 생합성에 관여하는 수백여 개의 후보 유전자들을 모두 발굴하여 향후 약리 성분이 우수한 명품 인삼의 개발 등에 중요한 정보를 제공할 것으로 사료된다 (Plant Biotechnology Journal).

방대하고 유용한 정보를 포함한 유전체 해독 연구 결과를 인삼 연구자들이 쉽게 활용할 수 있도록 누구나 접근 가능한 인삼유전체데이터베이스를 구축하여 공개하였다 (BMC Plant Biology).

인삼은 두릅나무과에 속하는 식물로 다양한 진세노사이드를 함유한 우리나라를 대표하는 약용작물이다. 다른 초본 식물들과 달리 4년 자란 후 종자를 맺고 외부 환경에 민감하며 음지식물이라는 특성 때문에 연구하기 매우 까다로운 식물이다.

인삼은 모델식물인 애기장대의 25배, 벼의 9배에 해당하는 3.6 Gbp의 큰 유전체 크기를 가지고 있으며, 다른 식물들보다 약 2배 많은 59,352 개의 고유 유전자를 가지고 있다. 이는 220만년 전에 있었던 전장유전체배가(배수체화) 때문이며, 이로 인해 인삼이 많은 유전자 및 복잡한 유전체 구조를 가지는 것으로 확인되었다.

인삼과 유연관계가 가까운 식물들과 비교 연구를 통해 인삼속 식물들은 당근을 포함한 산형과 식물들과 5,100만년쯤 전에 분화하였고, 2,800만년전에 추가적인 염색체 배수체화를 통해 두릅나무과의 1,500여개 종들이 진화한 것으로 추정하였다.

세계적으로 인삼속에 15종 정도가 분포하는데 대부분 히말라야와 중국 운남성, 베트남 등 더운 지방에 1,600미터 이상 높은 산악지형의 서늘한 지역에 분포한다. 이런 곳에 분포하는 베트남삼, 죽절삼, 전칠삼 등의 근연 식물들은 염색체수가 우리 고려인삼의 1/2밖에 되지 않는 12쌍을 가지고 있는데, 겨울에 월동을 하지 못하며 더운 기후에도 적응하지 못하여 1,500미터 이상의 연중 서늘한 산악지역에서만 겨우 생존하고 있고, 기후 온난화에 따라 점점 더 분포 고도가 올라가며 멸종위기에 처해 있다. 반면 고려인삼과 미국의 화기삼은 24쌍의 염색체로 구성되어있고, 월동능력이 있어 북반구 넓은 지역에 분포하고 있는데, 이는 우장춘 박사님이 처음 주장한 종간합성에 의한 배수체화 현상 덕분에 환경적응성이 높아진 결과일 것으로 추론하였다.

인삼속 식물들의 비교유전체분석을 통해 종의 분화 시기 등을 추정할 수 있었고, 두 개의 종이 각기 다른 시기에 두 번의 대륙이동을 통해 북아메리카로 이주하여 정착된 사실을 보고하였다.

양태진 교수팀은 인삼의 전사체, 대사체 정보를 종합하여 진세노사이드 생합성 대사경로를 구축하였고, 인삼 속에만 존재하는 DDS (dammarenediol synthase) 유전자들과 진세노사이드 생합성 관련 유전자들 및 진세노사이드 변형 유전자들을 찾아 인삼의 대사공학 기반을 제공하였다.

양태진 교수팀은 인삼 유전체 및 유전자 서열, 상동성 검색, 생합성경로 등의 정보들을 종합한 데이터베이스(http://ginsengdb.snu.ac.kr/)를 구축하였고, 인삼 연구자들이 자유롭게 데이터를 사용할 수 있도록 공개하였다.

본 연구결과는 인삼에 대한 종주국으로서의 자존심을 지키는 연구결과로 평가되며 양태진 교수팀은 이후에도 인삼의 세계적인 선도 연구를 위해 지속적인 지원이 필요하다고 말한다.

인삼에 대한 연구와 인삼 유전체해독은 우리나라와 중국의 경쟁구도에 있었는데 이번 연구 결과가 중국보다 훨씬 완성도 높은 우수한 유전체 정보를 제시하였다. 중국에서는 작년(2017년)에 먼저 미완성의 인삼 유전체 정보로 논문을 발표하였다. 하지만 유전체 서열의 완성도를 평가하는 N50 수치가 중국의 결과는 100 kbp 수준으로 양태진 교수팀의 570 kbp에 비해 현저히 낮았고, 이는 중국그룹에서 조립한 유전체 서열들의 길이가 대체적으로 짧다는 것을 의미한다. 또한 중국그룹에서 예측한 42,000여개의 유전자 수도 양태진교수팀의 59,352개와 비교해 17,000여개의 유전자가 누락되어 있는 것을 볼 때 많은 인삼 연구자들은 완성도가 높은 양태진 교수팀의 서열을 기반으로 더욱 가치있는 연구를 할 것으로 예측된다.

양태진 교수팀은 지난 10년 이상의 시간동안 주로 인삼의 유전체 정보 해독 및 진화기원을 탐구하는 연구를 수행하여 세계적으로 저명한 학술지에 수십편의 논문을 게재하여 왔으며 산업적으로 활용할 수 있는 다양한 분자육종 기술도 많이 개발하였다.

양태진 교수팀은 지금이 인삼 유전체 해독에 대한 지원이 더욱 필요한 시점이라고 강조하고 있다. 이번에 공개한 인삼의 유전체 정보와 유전자 정보 등은 매우 정확하지만 아직 24쌍의 염색체 수준으로 완성하지 못해 여전히 미완성 상태라고 얘기하였으며, 앞으로 제3세대 유전체분석기술 도입 등의 더 많은 노력을 통해 염색체 수준의 고품질 유전체 해독을 진행할 계획이고 이미 분석에 착수하였다고 밝혔다. 고품질의 유전체 서열을 통해 우리나라 인삼의 우수 품종개발, 기능성 맞춤식 인삼제품 개발 및 산업화 등이 가능하다고 하였으며, 이를 위해 한국인삼공사 등 인삼기반 산업체와 다양한 분야에서의 지원과 관심이 필요하다고 촉구하였다.

양태진교수팀은 인삼과 가장 가까운 식물이 두릅나무라는 사실에 주목하고 향후 연구계획에 포함되어 있다고 하였다. 인삼은 음지에서 매우 천천히 자라고 더위와 추위는 물론 많은 환경스트레스에도 민감해 생태적응성이 매우 약한 반면, 두릅나무는 척박한 양지는 물론 아열대와 한대지역에 두루 적응하는 생태 적응성이 매우 높은 목본식물이기 때문에, 향후 두릅나무와의 비교유전체 연구를 집중적으로 수행하여 환경 내성이 강한 인삼 품종을 개발하는 단초를 제공하고 싶다고 하였다.

본 연구는 서울대학교 식물생산과학부 양태진 교수 연구팀이 삼육대학교 김현희 교수팀, 성균관대학교 이동엽 교수팀, 주식회사 파이젠 등과 협력을 통해 진행되었으며 농촌진흥청 차세대바이오그린21사업 농생물게놈활용연구사업단(단장 문중경), 분자육종사업단(단장 고희종)의 지원을 받아 진행되었다.

[붙임] 1. 연구결과 2. 용어설명 3. 그림설명 4. 연구진 이력사항

자료제공 : 서울대학교 식물생산과학부(02-880-4547)