제9장 식물 생명공학

1. 서론 수 천 년 동안 인간은 의식주를 해결하기 위하여 식물들의 성질을 변화시켜왔다. 오늘날 우리가 재배, 이용하고 있는 작물들은 야생에서 발견되는 작물들의 원형과는 많이 다르다. 우수한 형질을 가진 식물들을 재배하기 위한 선발육종 (selective breeding)의 과정은 오늘날 우리가 누리고 있는 풍부한 식량에 큰 역할을 하고 있다. 선발육종으로 인해 많은 발전이 있었지만, 유전공학 혹은 식물 생명공학이 가져다 주는 잠재성에 비하면 그 효과는 미미했다고 할 수 있다. 그림 9.1 재배되고 있는 작물들은 야생식물과 매우 다르다.

2. 생명공학에 의한 해충 방제 재배과정 중의 가장 큰 문제는 작물들이 해충에 의해 피해를 받는 것이다. 해충에 의한 작물 손실이 생산량의 절반에 육박하기 때문에 필요 생산량의 두 배를 심는 것이 일반적인 관행이었다. 아주 효과적인 살충제 (pesticide)와 방제기술이 있지만 세계 식량의 40% 가량이 해충이나 병 그리고 부패 등에 의해 손실되는 것으로 추정

>>> 웅성불임 곤충 해충을 방제하는 아주 효과적인 방법에는 해충의 생활주기를 방해하는 것이 있다. 생명공학을 이용해 번식능력이 없는 웅성불임 곤충 수천 마리를 해충 출몰지역에 방사하는 것이 매우 효과적인 방법이다. 실험실에서 수컷 해충에 방사선 처리를 하거나 다른 방법을 통해 불임의 수컷을 만든다. 다년 간에 걸쳐 해충 출몰지역이나 해충 피해가 큰 지역에 웅성불임 해충을 방사한다면 해충 박멸에 큰 도움이 될 것이다. 그림 9.2 인간이 식량을 목적으로 작물을 재배하기 시작한 이래로 해충은 수량 감소의 큰 원인이 되어 왔다.

미국 남동부에서 목화바구미를 방제하는 데 성공적으로 이용되었다. 20세기의 전반기에 걸쳐서 목화바구미는 미국 남부 전역의 목화 재배지를 황폐화시켰다. 수만 달러의 살충제를 살포하기도 함 20세기 후반 들어 남부 전역에 웅성불임 목화바구미를 방사하였고 이 방법이 매우 성공적이어서 남부의 목화바구미가 거의 박멸되었다. 해마다 사용되는 살충제 살포에 필요한 경비를 절감시켰을 뿐만 아니라 살충제의 사용량도 현저히 줄어 환경보호의 효과도 있었다. 그림 9.3 심각한 농업해충이었던 목화바구미는 생명공학 기술로 방제가 가능해졌다.

>>> 해충 저항성 식물 혁신적인 발전 중의 하나는 해충 저항성 (내충성) 유전자를 삽입시킨 생명공학 작물 (genetically altered crops)의 개발이다. 살충제 살포에 소요되는 막대한 경비의 절감뿐 아니라 농약의 사용량을 현격히 줄여 환경 보호에도 긍정적인 영향을 끼친다. 해충 저항성 작물은 내충성 유전자를 일반 작물에 도입하는 방법으로 만들어졌다. 형질전환 생물체는 다른 종에서 유래한 유전물질들을 함유하고 있으며 완전히 다른 생물체에서 유래한 유전자가 도입된 경우도 있다. 그림 9.4 Bt(Bacillus thuringiensis)계 살충제는 오랫동안 이용된 생물 농약이다.

바실러스 투린지엔시스 (Bacillus thuringiensis, 보통 Bt라 함)가 해충을 방제하는 데 효과적이라는 것을 알고 있음. 이 박테리아는 1911년 처음 발견되었는데 이 미생물이 분비하는 독소가 곤충의 소화 기능을 방해하여 죽음에 이르게 한다는 것을 밝혔음. 또한 이 독소는 포유류나 조류와 같은 온혈동물들에게는 독성이 없다는 사실도 밝혀짐. Bt는 해충 방제를 위한 유기농업 수단으로 오랜 기간 이용되어 왔다. Bt는 280여 종이 있고 각각의 종들이 만들어내는 다양한 독소들은 각각 다른 해충에 독성를 보인다.

바실러스 투린지엔시스에 의해 만들어지는 독소들은 애벌레, 딱정벌레, 그리고 파리류 등에 독성이 있다. 해충 방제에 있어서 유기농약이 더 안전하고 바람직하다고 믿는 농업인들은 Bt를 여전히 이용하고 있다. Bt 살충제의 가장 큰 단점은 태양빛에 노출되었을 때 살충성이 급속하게 파괴된다는 것이다. 유기농업에서는 살충성의 빠른 분해가 장점이라고 생각하는 반면, 대규모 경작을 하는 농민들은 살충능력이 재배기간 중 파괴되어 효력이 없어지는 것이 큰 단점이라고 말한다. 이러한 문제는 자체 방어 독소를 만들어 내는 식물이 개발됨으로써 일부 해결되었다. 과학자들은 해충에 독성이 있는 박테리아의 단백질을 탐색하였으며, 이 독성 단백질들은 해충의 소화관에 있는 세포에 흡착되어 내출혈을 유발한다. 포유류의 소화관은 산성이기 때문에 이와 같은 현상이 일어나지 않지만, 해충의 소화관은 알칼리성을 띠기 때문에 이 독성 단백질은 소화관 내의 수용세포까지 도달하게 된다.

해충 저항성 식물은 바실러스 투린지엔시스에 있는 내충성 유전물질을 숙주식물에 도입함으로써 만들어졌다. 형질전환된 식물은 해당 해충에 대한 독성을 가진 단백질을 만들 수 있게 된다. 어떤 생물체에서 얻은 유전물질은 다른 생물체 게놈 (유전체, genome)의 특정 부위에 삽입될 수 있다. 삽입된 유전물질은 숙주 생물체에서 목적 형질이 발현될 수 있도록 해주며, 이 경우 형질전환된 식물에서 만들어지는 독소와 바실러스 투린지엔시스 자체에서 생산되는 독소는 동일하다.

현재 해충 저항성 작물이 재배되고 있고 그 재배면적은 증가 추세에 있다. 콩, 옥수수, 감자, 토마토, 사과, 쌀 그리고 여러 채소품종에 Bt 유전자가 삽입되어 상품으로 생산, 판매되고 있으며 실제 경제적으로 중요한 모든 작물들에 유용 유전자를 삽입하여 이용할 가능성은 무한하다. 가장 큰 장애는 소비자의 수용 여부이다. 그림 9.5 왼쪽은 생명공학 작물이고 오른쪽은 일반재배 작물이다. Bt 유전자를 함유하는 작물들은 일반 재배종보다 더 강한 해충 저항성을 가진다.

생명공학 작물의 상품화에 있어서 가장 큰 장애는 소비자의 수용 여부이다. Bt 감자는 콜로라도 감자벌레의 방제에 성공적이었고 강도 높은 안전성 시험을 거쳤지만 소비자들은 생명공학 기술의 산실인 생명공학 감자를 식품으로 인정하지 않고 있다. 침투성 살충제는 식물에 흡수되어 해충의 침입 및 가해를 방제할 수 있지만 몇 가지 문제점이 있다. (1) 살충효과를 나타낼 만큼 충분한 양을 식물이 흡수하지 못할 수도 있다. (2) 식용을 목적으로 수확하거나 가공하기 전 적절한 퇴출기간이 적용되어야 함. 퇴출기간은 농산물이 식용으로 안전성을 가질 수 있도록 살충제의 살포부터 수확 때까지 살포를 금지하는 기간이다. 그림 9.6 유전자 재조합 감자는 일반 소비자들에게 크게 환영받지 못하고 있다.

유럽 조명나방은 옥수수 속대에 숨어 있으므로 부분적인 살충제 살포에 의해서는 완벽한 방제가 불가능하다. Bt 유전자 이용의 가장 성공적인 예는 옥수수이다. 옥수수 재배에서 가장 큰 피해를 가져오는 해충은 유럽 조명나방이며, 이 해충의 피해는 미국의 옥수수 줄기 속으로 파고들기 때문에 방제가 힘들고 또한 옥수수에 심각한 피해를 초래한다. 유럽 조명나방은 옥수수 속대에 숨어 있으므로 부분적인 살충제 살포에 의해서는 완벽한 방제가 불가능하다. Bt 유전자를 함유한 옥수수는 유럽 조명나방에 독성을 보이는 단백질을 생산하여 해충으로부터 자신을 보호한다. 그림 9.7 Bt 옥수수의 재배는 유럽조명나방에 의한 수량 감소를 크게 줄였다.

콩이나 옥수수에 Bt 유전자가 삽입된 경우, 마이코톡신이라는 독성물질을 상당히 줄일 수 있다는 또 다른 장점이 있다 곰팡이는 물이나 사료에 해충이 가해하여 생긴 틈이나 상처 부위로 침입한다. 곰팡이가 자라면서 마이코톡신이라는 독성물질을 만들어내는 포자들이 방출된다. 따라서 해충의 피해가 적으면 곡물이나 사료 부분에 상처가 적을 것이고 때문에 결과적으로 곰팡이의 침입 또한 감소할 것이다. Bt 독소는 마이코톡신을 만들어내는 균류를 직접적으로 죽인다. 곰팡이의 생육도 억제한다.

>>> 제초제 저항성 작물 작물들과 영양분 및 공간을 두고 경합하는 잡초에 의한 손실로 잡초는 농업적 측면에서 해충이나 병만큼 해로운 것으로 여겨진다. 잡초 피해를 줄이기 위해 매년 막대한 경비가 사용된다. 잡초는 여러 가지 측면에서 작물과 동물에서 피해를 준다. 작물보다 키가 더 큰 잡초들은 작물의 광합성에 필요한 햇빛을 차단하여 작물의 생장을 억제시키고 생산성도 감소시킨다. 잡초는 해충이나 병원체에 서식처를 제공하기도 한다. 잡초는 병원체의 숙주도 되므로 이 병원체들이 작물에 전염될 수도 있다. 그림 9.8 잡초는 태양빛과 영양분을 두고 작물과 경합을 한다. 오른쪽의 잡초가 만연한 옥수수 고랑과 잡초가 방제된 왼쪽 옥수수 고랑을 비교해보면 쉽게 잡초의 피해를 알 수 있다.

잡초와 함께 수확된 면화는 불순물을 많이 함유하고 있기 때문에 이 불순물을 제거하기 위해서는 또 다른 경비가 소요된다. 잡초는 농산물의 품질을 떨어뜨린다. 잡초와 함께 수확된 면화는 불순물을 많이 함유하고 있기 때문에 이 불순물을 제거하기 위해서는 또 다른 경비가 소요된다. 호미와 쟁기 등으로 잡초를 방제하면 인건비를 포함하여 많은 경비가 들고 토양 침식을 가져올 수 있다. 매우 효과적인 화학 제초제 (herbicide)가 개발되었다. 잡초 방제를 위한 제초제는 작물에 해가 거의 없거나 전혀 없어야 한다. 비선택성 제초제와 선택성 제초제 잡초가 번성한 작물 재배지역에 선택성 제초제를 살포하면 잡초만이 죽고 작물만 남아 있게 된다. 그러나 선택성 제초제의 살포만으로는 효율적인 잡초 방제가 불가능 그림 9.9 오랫동안 사람들은 잡초 방제를 위해 기계적 수단을 이용해 왔다. 그러나 이는 상대적으로 비싸고 토양침식을 일으킬 수도 있다.

인간을 포함한 동물은 이와 같은 생화학 회로가 없기 때문에 글리포세이트의 독성에 영향을 받지 않는다. 미국의 몬산토사는 라운드업 (roundup)이라는 비선택성 제초제를 개발했다. 이 제초제는 글리포세이트 (glyphosate) 성분으로 모든 잡초를 방제하는 데 아주 효과적이고 상대적으로 값도 저렴할 뿐만 아니라 환경적으로 안전하다. 글리포세이트는 식물의 필수 아미노산 생성에 절대적인 역할을 하는 효소의 활동을 정지시키는 작용을 함으로써 글리포세이트가 처리된 식물은 필요한 단백질을 생산하지 못해 죽는다. 인간을 포함한 동물은 이와 같은 생화학 회로가 없기 때문에 글리포세이트의 독성에 영향을 받지 않는다. 생명공학 기술에 의해 라운드업 제초제에 내성이 있는 옥수수, 면화, 카놀라, 콩이 성공적으로 개발되었다. 글리포세이트에 의해 저해된 필수 아미노산의 생성을 유도하는 또다른 유전자를 삽입함으로써 개발됨 그림 9.10 과학자들은 비선택적인 제초제에 저항성이 있는 식물들을 개발해 왔다.

>>> 병 저항성 작물 병에 의한 피해는 매우 심각한 현실 1800년대 중반 아일랜드에서 일어났던 재난. 감자를 주식으로 살아감. 1840년대 감자마름병 (감자역병)이 유행. 그 결과 수십만 명의 사람들이 기아로 죽었고 100만 명 이상의 사람들이 아일랜드를 떠났다. 곡물에서 감귤류에 이르는 거의 모든 작물들이 곰팡이, 바이러스 혹은 박테리아에 의해 생기는 병으로 피해를 입는다. 농약 이외에 내병성 유전자를 여러 종류의 작물에 삽입하여 바이러스성 감염에 저항성을 띠게 할 수 있는데, 이 유전자는 바이러스의 바깥쪽에 덮여있는 단백질을 생성시킨다. 병원체 유발 저항성 (바이러스로부터 식물을 보호하는 효과적인 방법) 그림 9.11 1840년대 감자마름병으로 인해 아일랜드에서는 심각한 식량부족 현상을 겪었다.

>>> 기후 저항성 작물 생산에 어려움이 있는 척박한 기후 환경 강우량이 부족하거나 평균기온이 너무 높거나 낮음 1970년대는 녹색혁명의 시대라 불리는데 이는 세계의 특정지역에 잘 적응하는 많은 종류의 작물들이 개발되었기 때문이다. 가뭄이나 냉해 그리고 염해까지도 견딜 수 있는 밀, 옥수수, 쌀 등을 포함한 많은 작물들이 개발되었다. 그림 9.12 1970년대의 녹색혁명을 통해 전 세계의 다양한 기후조건에서도 재배가 쉬운 품종들이 많이 개발되었다.

생명공학 작물을 이용하여 작물의 재배 가능 범위가 점차 확대되고 있다. 세계에서 가장 기후가 열악한 곳에서 조차 재래종 식물은 성장하고 번성한다. 이 식물들은 가뭄, 열, 추위, 그리고 열악한 토양 상태를 견디면서 번성해왔다. 과학자들은 가뭄이나 열 혹은 추위에 대한 저항성 유전자들을 분리할 수 있었으며 이 유전자들을 작물에 성공적으로 형질전환시켰다. 그림 9.13 가뭄에 저항성이 있는 유전자들이 개발되고 있다. 이는 극한의 기후에서도 재배될 수 있는 식물 개발의 초석이 될 것이다.

>>> 기타 식물 생명공학의 이용 영양가가 아주 높은 가축사료와 인류를 위한 식량을 생산할 수 있으며 전통적인 주사를 이용하여 접종이 어렵거나 불가능한 사람들을 위해서 보통의 일상적인 식이를 통해 백신이 복용되어질 수 도 있다. 약을 생산하는 유전자를 식물에 삽입함으로써 다양한 종류의 약을 생산할 수 있다. 그림 9.14 가축의 시료를 목적으로 재배되는 작물들은 영양적인 가치를 높이기 위해 생명공학 기술을 이용하기도 한다.

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표 9.1 (계속)

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