농생태학 -15장 농업생태계의 유전자원

농생태학: 지속가능한 먹을거리 체계의 생태학

15장 유전자원

초기의 인간 문화가 가치 있는 것으로 밝혀진 특정한 식물과 동물에 대한 활용과 돌봄을 강화함에 따라 농업이 일어났다. 이 과정 동안, 인간은 우연히 이들 유용한 유기체에서 특정한 형질과 특성을 선택하여 시간의 경과와 함께 그 유전적 구성을 변경했다. 식용 또는 유용 바이오매스를 생산하는 그들의 능력은 향상되었지만, 인간의 개입 없이 생존할 수 있는 능력은 감소했다. 인간은 먹을거리, 사료, 섬유 등을 위해 이들 작물화, 가축화된 종에의존하게 되었고, 그들 대부분은 우리에게 의존하게 되었다. 이러한 인간과 길들여진 종들 사이의 상호의존성은 농업의 본질이며, 그것은 유기체의 게놈을 간접적으로 조작함으로써 가능해졌다. 

인류 역사의 대부분 동안 인간은 유전학에 대한 명백한 지식 없이도 작물과 가축의 유전적 구성을 조작했다. 농민은 단순히 가장 바람직한 특성을 나타내는 개체나 개체군에서 얻은 종자를 심거나 동물을 사육하는 선택을 했고, 이는 작물과 가축의 진화를 유도하기에 충분했다. 점차 식물과 동물의 육종은 우리가 선택의 유전적 기초에 관해 더 많이 배우고 우리의 이익에 더 분명하게 가도록 하기 시작함에 따라 과학으로 발전했다. 오늘날, 생명공학과 유전공학 분야는 인간이 길들여진 종의 게놈을 소유하며 전에 없던 속도와 방식으로 식물과 동물에 형질과 특성을 통합할 수 있게 되면서 급속하게 힘을 확대하고 있다.

그러나 지속가능성의 관점에서 볼 때, 지난 수십 년 동안 이루어진 작물과 가축의 육종을 위한 노력의 방향 -및 미래를 위해 제시된 방향- 에 깊은 우려가 일어나고 있다. 농업의 유전적 기반은 인간 사회가 몇 종의 식용 유기체와 이들 종에서 발견되는 유전자와 유전자 조합의 숫자가 더 적어지는 데에 점점 의존하게 됨에 따라 위험한 지점까지 줄어들었다. 작물은 해충과 질병에 대한 유전적 기초 및 불리한 환경 조건에 견딜 수 있는 능력의 대부분을 상실하여 흉작으로 이어지고, 최적 성장 조건들을 유지하기 위해 인간에서 유래되는 투입재와 기술에 더욱 의존하게 되었다. 게다가 작물 그 자체를 넘어 유전자원 -야생의 작물 근연종, 잡초의 파생물, 전통적 토종 품종, 유전적 라인, 육종 비축물- 이 크게 감소했다. 

유전학과 농업 사이의 관계는 방대한 주제이다. 이번 장에서는 농업이 지속가능성을 향해 이동하는 데에 유전적 다양성의 역할이 무엇인지 이해하기 위해 필요한 토대에 초점을 맞추어 그 일부분을 탐구한다. 우린 자연에서 일어나는 유전적 변화와 그것이 어떻게 유전적 다양성을 초래하는지 검토하고, 인간이 길들여진 종(작물에 초점을 맞추어)에서 유전적 변화를 유도하고 조작하고자 사용하는 과정을 서술하며, 농업이 체계적으로 농업생물다양성을 감소시키는 방식을 살펴보고 어떻게 유전자원을 적절히 관리하여 농업생물다양성을 보존할 수 있는지 논의한다. 

자연에서 일어나는 유전적 변화와 유전적 다양성의 생산

지질 연대의 관점에서 볼 때, 지구의 식물상과 동물상은 끊임없이 변화하고 있다. 종의 신체와 행동의 특성들이 변하고, 새로운 종이 나타나며, 다른 종들은 멸종한다. 진화라고 부르는 이런 변화는 부모로부터 자손에게로 형질이 전해지고, 환경 조건의 변화에 의해 추동되는 방식으로 가능해진다. 빙하기가 왔다가 사라지고, 대륙이 이동하며, 산이 새로 나타나고 침식됨에 따라 살아 있는 것들이 반응한다. 자연 선택을 통해 변화하고 달라지는 환경이 종의 게놈에 작용하여 변화를 일으킨다. 이는 세대에서 세대까지는 눈에 띄지 않지만, 수천에서 수백만 년에 걸쳐 변화가 축적되면 극적으로 드러난다. 

자연 선택은 자연에서 발견되는 유전적 다양성을 창출해 왔으며, 인간이 동식물을 길들이고 농업생태계를 만드는 데에 활용한 원자재이다. 그러므로 자연 선택이 어떻게 작용하는지, 인간이 유도하는 유전적 변화와 농업 유전자원의 유지에 어떻게 적용되는지 이해하는 게 중요하다. 

적응

적응이란 개념은 환경과 종의 형질을 관련시키기 때문에 자연 선택을 이해하는 기초이다. 이 용어는 과정과 그 과정으로 인해 생성되는 특성을 모두 가리킨다. 고정적인 용어로, 적응은 유기체가 환경의 조건을 견디고 번식할 수 있게 하는 데에 가치 있는 유기체 또는 그 일부분의 어떠한 측면이다. 적응은 다음과 같을 수 있다.

•유기체가 자원을 더 잘 이용할 수 있게 한다. 

•환경의 스트레스와 압력으로부터 보호를 제공한다. 

•유기체의 이익을 위해 지역의 환경을 변경한다. 

•번식을 촉진한다.

자연에 존재하고 있는 어떠한 유기체도 생존하기 위하여 매우 많은 적응을 해야 한다. 이론적으로, 거의 모든 유기체의 행동과 신체의 특성들은 적응이다. 이를 언급하는 또 다른 방법은 어느 시점에서나 자연적으로 존재하고 있는 유기체는 항상 그 환경에 적응한다는 것이다. 

그러나 특정 종에 의해 소유된 적응은 환경이 늘 변화하고 유기체가 끊임없이 적응하기 때문에 반드시 오랜 기간에 걸쳐 동일하게 유지되지는 않는다. 적응이 시간이 지남에 따라 변화하는 과정을 적응이라고도 하며, 그 과정이 자연 선택이란 측면으로 이해된다. 

그림15.1 멕시코 오악사카 시장에서 판매하는 콩의 다양성. 전통적 품종은 지역의 생태적, 문화적 다양성을 반영한다. 

변이와 자연 선택

유성생식으로 번식하는 종의 개별 구성원들은 서로 동일하지 않다. 인간 사이에 존재하는 변이는 비록 우리가 그걸 항상 분간할 수 없을지라도 다른 종들에 반영된다. 이러한 자연적 가변성은 유전자형 -개체에 의해 전달되는 유전적 정보- 의 차원과 표현형 -유전자형의 신체 및 행동의 발현- 의 차원에 모두 존재한다. 

어떤 개체군을 대상으로 개체의 숫자를 조사하면 표현형의 가변성의 존재가 신속히 입증된다(그림15.2). 식물에있는 잎의 숫자부터 어느 동물의 꼬리 길이에 이르기까지 어떤 특성은 가변성의 범위를 보여준다. 각 특성에 대한 평균값이나 최빈값이 발생하고, 각 형질에서 변이가 도수 분포로 그래프로 그려지면 확률의 정규 곡선(종 모양의 곡선)을 따르는 경향이 있다. 일부 개체군들은 매우 좁은 범위의 변이를 나타내는 한편, 다른 개체군들은 훨씬 더 넓게 나타난다. 비록 표현형 변이가 유전자형 변이와 직접적으로 연관성이 있는 건 아니지만, 대개는 중요한 유전자형의 기초를 갖는다. 

그림15.2 멕시카 타바스코에 있는 농민의 농지에서 나온 호박 열매의 가변성. 하나의 열매에서 나온 종자가 농지에 심는 데 이용되었다. 

종 안의 유전적 가변성은 주로 DNA 복제의 본질에 기인한다. DNA가 항상 완벽하게 복제되는 것은 아니다. 돌연변이라고 부르는 다른 유형의 오류가 항상 어떤 빈도로 발생한다. DNA 복제는 번식을 위한 전제 조건이기에, 새로운 개체는 끊임없이 돌연변이와 함께 나타난다. 일부 돌연변이는 치명적이고, 일부는 해롭고, 일부는 중립적이며, 단 몇 가지만 이로운데, 모든 돌연변이는 유전적 차이를 나타내기에 유전적 가변성을 표현한다. 대부분의 돌연변이는 단순히 DNA 분자의 뉴클레오티드 배열에 일어나는 단일한 변화이다. 그 자체로는 별 중요한 효과가 없지만, 시간이 지남에 따라 합쳐져 더 큰 열매, 서리 저항성이나 기어오르기 위한 덩굴손의 추가 같은 근본적 변화를 가져올 수 있다.

또한 가변성은 유성생식에 의해 생성되기도 한다. 두 개체가 유성생식으로 번식할 때, 각각의 유전자는 다른 생식세포(성세포)로 따로 분배되고, 생식세포가 수정하면서 결합될 때 생식세포에서 전달된 유전 물질이 새로운 방법으로 혼합된다. 변이도 염색체가 삭제되거나 전위될 때, 또는 상동 염색체가 첫 번째 감수분열에서 분리되지 않을 때 감수분열(생식세포의 형성)하면서 도입된다. 

후자 종류의 "오류"는 일반적인 염색체(일배체) 대신 각각의 염색체(이배체)의 두 가지 복사본을 가지고 있는 생식세포를 생성한다. 이런 이배체 생식세포 가운데 하나가 정상적인 일배체 생식세포와 융합되면 염색체의 일배체 숫자가 3배인 접합체가 생길 수 있고, 이배체가 또 다른 감소되지 않은 이배체와 융합하면 일배체 숫자의 4배인 접합체가 형성될 수 있다. 그러한 염색체 숫자의 증가는 특히 식물에서 중요한 유전적 다양성의 또 다른 근원을 나타낸다. 배수체(Polyploid)라고 부르는 이배체 이상의 염색체를 지닌 식물은 전형적으로 그 이배체과는 다른 특성을 가지며, 자연에서 비교적 흔하게 발생한다. 

자연적인 유전적 변이 때문에, 개체군의 일부 개체는 다른 개체가 소유하지 않은 형질을 갖거나, 다른 개체보다 더 크거나 작은 특정 형질을 나타낼 것이다. 이들 형질은 그걸 소유한 개체에게 살아가는 데 특정한 이점을 줄 수있다. 이들 개체가 더 빨리 성장하고 더 많은 숫자가 살아남거나, 어떤 번식의 이점을 가질 수 있다. 그런 요인들로 인해, 그들은 다른 개체보다 더 많은 자손을 남길 수 있어서 개체군 전체에서 그들의 유전적 물질의 표현을 증가시킨다. 그것은 어떤 종이 시간이 지남에 따라 유전적 변화를 겪는 차별화된 번식의 성공 과정을 통해 이루어진다. 

이런 변화의 방향과 방식은 자연 선택에 의해 결정된다. 이는 환경 조건에 따라 어떤 형질이 이점을 가져와서 개체군의 빈도가 증가하는지 결정하는 과정이다. 개체군이 살았던 환경이 완전히 최적이며 결코 변하지 않는다면, 유전적 변화가 일어나지만 그것을 유도하는 자연 선택은 없을 것이다. 그러나 환경 조건은 늘 변화하고 있으며 최적인 상황은 결코 오래가지 않기 때문에, 자연 선택은 항상 어떤 수준에서 발생한다. 기후 같은 요인의 장기적 변화 이외에도, 자연 선택은 다른 종의 개체군 성장, 이주를 통한 새로운 종의 출현, 포식자와 초식동물의 진화, 침식과 퇴적, 천이 및 기타 과정으로 인한 미소서식지의 변화 같은 환경의 변화에 의해 유발된다. 

자연 선택은 전체 종이 아니라 개체군에 작용한다. 한 종의 개체군이 그 종의 나머지로부터 번식적으로 격리된다면, -즉, 물리적 장벽이 그 구성원들을 다른 개체군의 구성원과 이종교배하는 걸 막는다면- 그 개체군은 독특한 방식으로 유전적 변화를 겪을 수 있다. 공간과 시간에 걸쳐 환경은 결코 균질하지 않기 때문에, 격리된 개체군은 그 종의 다른 개체군보다 어느 정도 다른 선택 압력을 받게 된다. 그러므로 한 개체군이 유전적으로 격리되면 그들은 어느 정도 다르게 진화하는 경향이 있다. 생물지리학적으로 그 종은 개체군의 모자이크가 되고, 각각은 유전적으로 독특한 생리학적, 형태학적 특성을 갖는다. 각각의 별개의 개체군은 생태형이라 한다. 진화의 시간을 통해 생태형은 그 종의 다른 생태형과 충분히 구별될 수 있어 그 자체로 별개의 종이 된다. 

생태형의 발달을 일으키고 종 분화를 추동하는 진화의 과정은 지구 생물상의 유전적 기초를 끊임없이 다양화하고있다. 종이 멸종하더라도 새로운 종이 항상 진화하고 있으며, 많은 기존 종의 게놈이 시간의 경과와 함께 더욱 변화하고 있다. 그러나 오늘날 우리의 큰 두려움 가운데 하나는 농업을 포함한 인간의 활동이 근본적으로 이 과정을 변경시키고 있다는 점이다. 우리의 자연 서식지의 파괴, 변경 및 단순화는 멸종률을 크게 증가시키고 생태형들을 제거하기에, 자연의 유전적 다양성과 그것이 재생될 잠재력을 좀먹고 있다(Wilson 2002).

직접 선발과 길들임

농업의 문맥에서 유전적 변화는 자연적으로 발생하는 개체군의 유전적 변화와 크게 다르다. 인간은 농업의 종이 살고 있고, 성장하며, 번식하는 환경을 구축하고 조작하여서 그들에게 완전히 다른 선택 압력의 세트를 생성한다. 인간은 어느 형질이 가장 바람직한지 결정하고, 이런 형질을 그 종을 경작하고 번식시키는 방식으로 선별한다. 인간은 농업 개체군의 유전적 변화를 "지휘하기" 때문에, 이런 유전적 변화가 발생하는 과정을 직접 선발이라 한다. 

오늘날 농업의 종 -식물과 동물 모두- 은 차츰 자연 선택에 의해 지배되는 자연계로부터 직접 선발이 운영되는 인간이 통제하는 체계로 그 맥락을 이동시킴으로써 길들여졌다. 약 1만-1만2천 년 전, 인간은 오늘날의 농민들이 하듯이 엄격히 통제된 농업 환경을 조성하지 못했다. 식물의 경우 그 서식지를 변경하고, 번식을 촉진하며, 경쟁자를 방제하고, 때로는 그들을 더 형편이 좋은 장소로 이동시킴으로써 자연적으로 발생하는 특정 종들을 돌보아주었다. 동물의 경우 초식동물의 무리를 더 가까이 따라다니고, 그들을 포식자로부터 보호하기 시작하며, 사료를 제공하곤 했다. 자연 선택은 그러한 체계에서 여전히 중요한 역할을 했다. 인간의 개입이 아직 유용한 종들이 자연 환경의 혹심함 속에서 살아남아야 한다는 사실을 극복하기엔 충분하지 않았기 때문이다. 

길들임의 과정은 인간이 유용한 식물과 동물이 발생한 환경을 더 잘 변경하고 통제하며, 의도하지 않게 특정한 유용 형질을 선별하기 시작하면서 이들 종의 번식을 어느 정도까지 관리할 수 있게 됨에 따라 시작되었다. 길들이는 과정이 진행됨에 따라, 초기의 농경민들이 더 많고 더 예측할 수 있는 수확량을 가진 식물에서 종자를 선택하고 초기 목축민들은 예를 들어 가장 많은 젖을 생산하는 염소를 번식시키려 선택하면서 선발이 더 의도적으로 이루어졌다. 길들임의 과정에서 자연 환경의 차폐 효과는 덜 중요해지고 직접 선발이 더 큰 역할을 맡았다. 결국, 작물과 가축 종은 농업생태계의 밖에서는 더 이상 생존할 수 없을 정도까지 그 유전적 구성이 변경되는 지점에 도달했다. 

길들여진 종들은 인간의 개입에 의존하고, 인간 종은 이제 길들여진 식물과 동물에 의존한다. 생태학적 측면에서, 이러한 상호의존성은 절대적 상리공생으로 간주될 수 있다. 이는 상호간의 변화 과정을 거쳐 일어난 것이다. 인간의 문화는 특정한 유용 종들의 유전적 구성을 변화시키고, 그러한 변화의 결과 그들 스스로 변형되었다. 

작물과 가축에게서 선발된 형질

오늘날의 작물과 가축은 수천 년에 걸쳐 많은 선발 압력을 받았다. 식물에서, 인간은 최적 수확량과 매력적인 맛과 외관, 수확의 용이성, 그리고 최근에는 비료와 물 적용에 대한 빠른 반응과 가공의 용이성, 운송으로 인한 손상에 대한 저항성, 더 긴 유통기간, 유전적 균일성 등을 위해 선발해 왔다. 동물에서, 우리는 온순함, 더 쉽게 관리할 수 있는 번식 주기, 바라는 부분과 산물 -더 좋은 양털, 더 크고 많은 계란, 더 많은 젖이나 근육 조직 등- 의 빠른 성장과 최대 생산을 위해 선발해 왔다. 

이런 선발 과정은 다른 것들 중에서도 길들여진 종의 생리와 형태를 크게 변경시켰다. 길들여진 식물에서, 탄소 분할은 야생 종에서 일어나는 탄소 분할과는 매우 다르게 운영된다. 작물은 그들이 유래된 자연의 종이 하는 것보다 식용 또는 수확할 수 있는 부분에 훨씬 더 많은 바이오매스의 몫을 저장한다. 결과적으로, 환경 저항성 -환경에서 스트레스와 위협 또는 제한된 요인을 견딜 수 있는 능력- 을 부여하는 형질이나 행동에 사용하기 위한 에너지는 더 적게 분할된다. 또한 환경 저항성을 부여했던 많은 형질이 그 유전자형에서 모두 상실되었다. 유사한 변화가 길들여진 동물 종에서 발생했다. 그들의 생리와 형태의 유전적 기초에서 일어난 이런 근본적 변화로 인하여, 많은 길들여진 종과 품종들은 완전히 인공적이고 최적화된 조건을 필요로 한다. 식물의 경우, 이는 이상적인 토양 수분, 양분 가용성, 온도 및 햇빛만이 아니라, 그들이 선발된 다수확 형질을 잘 수행하고 표현하기 위한 해충의 부재 등을 의미한다. 동물의 경우, 이는 통제된 기후 조건, 항생제, 인공 수정(미국에서 거의 모든 칠면조 생산을 차지하는 칠면조 품종은 동물의 움직임을 제한하는 신체 구조와 추가의 고기 때문에 인간의 도움 없이는 번식할 수 없음)을 의미하곤 한다.   

그러므로 농업에서 직접 선발은 우리를 어려운 상황으로 이끌었다. 우리의 주요 작물 품종은 설계한 것처럼 성과를 낼 수 있도록 무기질 비료, 살충제, 제초제 및 관개용수 같은 외부 투입재를 필요로 하고, 우리의 길들여진 여러 동물들은 호르몬과 항생제, 고도로 통제된 조건 및 고도로 가공된 사료를 필요로 한다. 하지만 그러한 외부 투입재는 환경과 인간의 건강 및 토양 자원의 악화에 악영향을 미치는 농업의 주요한 원인이다. 인간이 작물과 가축의 성장을 보호하고 촉진하기 위해 개발한 많은 방법과 물질을 사용을 제한하는 조치가 취해지면, 수확량과 생산은 나빠질 수 있다. 

이 문제는 작물에 대한 살충제 사용과 관련하여 특히 애를 먹는다. 식물의 초식을 견디는 자연적 능력 -형태학적 적응, 상리공생적 상호작용, 불쾌한 화합물의 생산 및 기타 방법을 통하여- 은 다른 형질의 개발을 희생시키면서 대부분 상실되어 왔다. 농업생태계는 초식을 통한 작물의 상실을 막고자 살충제 사용에 의존하게 되지만, 살충제사용은 초식동물 개체군에 대한 선택적 압력이 되어 살충제 저항성으로 진화하도록 하여 더 많은 살충제의 적용이나 새로운 살충제 유형의 지속적 개발이 필요하게 만든다. 

근본적 문제는 개별 종과 품종의 유전적 구성 뿐만 아니라, 전체 농업생태계의 구조와 조직으로부터 환경 저항성의 형질을 상실해 왔다는 것이다(17장 참조). 그러므로 길들여진 종의 게놈으로 환경 저항성을 다시 통합시키려는 시도는 개별 종과 품종의 수준에서만이 아니라 농업생태계의 수준에서 노력해야 한다. 

특별 주제: 농업의 기원

1만-4천 년 전 사이에 각각의 지리, 기후, 토착 식물상과 동물상을 가진 세계 여러 지역에서 독자적으로 농업이 발생했다. 초기 농업의 발달에 대해 널리 알려진 여섯 곳의 중심이 그림15.3의 지도에 나와 있다. 중국에 있는 중심은 때로는 남쪽의 양쯔강 계곡과 북쪽의 황하 계곡이란 두 가지 부중심으로 나뉜다. 동남아시아와 남태평양의 "중심"은 나타난 것보다 좀 더 넓은 영역으로 확산되어 퍼져 있다. 어떤 연구자는 이 목록에 다른 중심들을 추가한다. 하나는 북아메리카의 오하이오와 미시시피강 계곡에 있고, 다른 하나는 인도 아대륙에 있다. 

이들 지방이 공통적으로 가진 것은 높은 자연적 생물다양성, 다양한 지형과 기후 및 식용 식물 종들의 더 집약적인 관리를 통한 잠재적 이익을 활용할 준비가 된 인간 문화이다. 각 중심에 있는 지역의 식물상은 식물의 과와 속이 뚜렷한 집합체로 구성되어 있기 때문에, 각 지방에서 작물화된 식물의 종류는 매우 다양했다.  

그림15.3 초기 농업의 중심과 식물의 작물화

식물의 직접 선발 방법

농민과 작물 육종가는 자연 선택과 유사한 간접적 수단부터 식물의 게놈에 직접적으로 작용되는 첨단 기술에 이르기까지, 여러 방법으로 작물의 종과 품종의 유전적 구성을 변화시킨다. 이런 후자의 방법은 그 자체가 선발이 아니며 지속가능성의 관점에서 특별한 우려를 일으키기 때문에, 이 장의 다음 절에서 따로 논의한다. 

특정 종에 사용될 수 있는 직접 선발의 방법은 번식하는 방식에 달려 있다. 어떤 식물 종(여러해살이보다 한해살이에 더 많음)은 주로 제꽃가루받이(자가수분)로 번식한다. 이들은 식물 꽃의 암술 부분이 똑같은 식물에서 온 꽃가루에 의해 수정되는데, 종종 같은 꽃에서 온 꽃가루로 수정된다. 다른 식물 종(한해살이보다 여러해살이에 더 많음)은 다른꽃가루받이(타가수분)에 의해 주로 번식한다. 그러한 식물은 전형적으로 개체의 암꽃 부분이 다른 식물에서 온 꽃가루에 의해서만 수정되도록 하려고 일종의 형태, 화학 또는 행동에 관한 적응을 한다.     

집단 선발

비교적 최근까지도 직접 선발의 유일한 방식은 다수확 능력 또는 질병 저항성 같은 더 바람직한 하나 이상의 형질을 나타내는 개체군에서 그런 개체들을 모아서 그 종자를 이용해 다음 농사철에 심는 것이었다. 집단 선발이라부르는 이 방식은 개체군에서 형질이나 형질들의 상대적 빈도를 점진적으로 바꿀 수 있다(그림15.4). 집단 선발 방법을 통하여 전 세계의 농민들은 토종이라 부르는 품종을 개발해 왔다. 토종은 지역의 조건에 적응하며, 전체적으로는 유전적으로 별개이긴 하지만 그 구성원들은 유전적으로 다양하다(그림15.5).

그림15.4 집단 선발 과정. 바람직한 특성들을 선발하는 이 방식은 지역의 조건에 대한 적응을 유지하며 유전적 가변성을 최대로 허용한다. 

그림15.5 멕시코 타바스코의 저지대에서 집단 선발된 지역의 토종 옥수수 네 가지. 각 토종은 다른 이름, 파종시기, 선호하는 장소가 있다. 

집단 선발은 제꽃가루받이와 다른꽃가루받이 식물 모두에서 비슷하게 작동한다. 다른꽃가루받이 식물이 관련될 때, 집단 선발은 방임 수분이 발생하는 걸 허용한다. 또한 타교잡으로 알려진 개체군의 구성원들 사이에서 일어나는 이러한 자연적인 꽃가루의 혼합은 유전자형 변동성을 높인다. 제꽃가루받이 식물인 경우 집단 선발은 상대적으로 높은 변동성을 유지할 수 있게도 한다.  

이 더 오래되고, 더 전통적인 직접 선발 방식은 전체 유기체와 농지 기반의 선발을 수반한다. 상대적으로 느린 과정이며 그 결과가 더 가변적임에도 불구하고, 자연 생태계의 자연 선택 같은 장점이 있다. 지역의 조건에 대한 적응과 관련된 형질들은 수확량이나 성과의 더 직접적으로 바람직한 측면과 함께 유지되고, 유전자형의 가변성도 유지된다. 그러한 특성들은 제한된 자원과 생산 조건이 더 변동적인 소규모 농사 체계에서 특히 매우 중요하다. 직접 선발의 다른 모든 방법은 유전적 균일성을 증가시키는 경향이 있으며, 선발 과정에서 지역의 환경 조건의 역할을 크게 줄이거나 제거한다.   

순계 선발

제꽃가루받이 식물에서 흔히 볼 수 있는 선발 방식은 다양한 개체군에서 몇몇 우수해 보이는 식물을 선택한 다음각각의 자손에서 여러 세대에 걸쳐 광범위한 시험을 하는 것이다. 시험 기간이 끝나면 기존 품종과 완전히 구별되는 우수한 품종이 새로운 품종으로 배출된다. 그 식물은 제꽃가루받이를 하기 때문에, 선발된 유전자형은 시간이 지남에 따라 비교적 안정적으로 유지된다. 

순계 선발 과정은 다양한 방법으로 변경될 수 있다. 하나는 새로운 특성들이 결합된 새로운 계통을 생산하기 위해 인공 수분을 통해 기존의 순계 사이에 유전자를 전송시키는 것이다. 때로는 특정한 바람직한 특성을 가지고 있는 부모와 인공 수분을 한 자손을 반복하여 여교잡시켜 이루어지기도 한다. 

합성 품종의 생산

다른꽃가루받이 식물에서, 합성 품종이라 부르는 제꽃가루받이 순계에 유사한 것이 다양한 기술을 통해 생성될 수 있다. 그 기본 원리는 우수한 특성을 가지며 잘 교잡된다고 알려진 몇 가지로 부모의 유전자형을 제한하는 것이다. 예를 들어, 자주개자리에서 이는 격리된 농지에 몇 가지 특정 출처(2-3가지 영양계 같은)에서 얻은 종자를 심어서 자연적인 교잡이 발생하도록 함으로써 이루어질 수 있다. 그런 다음 이 농지에서 생산된 종자는 합성 품종으로 유통된다. 합성 품종은 제꽃가루받이 순계 품종보다 유전적 변동성이 더 크지만, 집단 선발된 방임 수분 품종보다는 변동성이 훨씬 적다. 

이종 교잡

오늘날 많은 중요한 작물 -특히 옥수수- 에서 직접 선발의 주요 방식은 잡종 품종의 생산이다. 잡종은 각각 다른 순수교배 계통에서 나온 두 가지 매우 다른 부모 사이의 교잡이다. 잡종 품종을 만드는 과정에는 두 가지 기본 단계가 포함된다. 

첫째, 두 가지 별개의 순수교배 계통이 생산된다. (순수교배는 게놈이 대부분의 유전자 자리에서 대체로 동형이란 뜻이다.) 다른꽃가루받이 식물(과 자주 다른꽃가루받이를 하는 제꽃가루받이 식물)에서, 이 단계는 다양한 방식으로 수행되는 인공적인 동계 교배를 수반한다. 

둘째, 두 가지 순수교배 계통은 작물을 생산하려고 농민이 심는 잡종 종자를 생산하기 위해 교잡된다. 이 단계에서 똑같은 계통의 식물들 사이에서 제꽃가루받이나 다른꽃가루받이가 일어나지 않을 수 있어 특정한 기술을 사용해야 한다. 옥수수에서 사용되는 한 기술은 꽃가루를 기증하는 부모의 계통과 종자를 생산하는 부모의 계통을 줄이나 두둑을 번갈아 가며 심고, 옥수수꽃이 꽃가루를 생산하기 전에 종자를 생산하는 식물의 수꽃이삭을 제거하는 것이다(옥수수꽃에서 수꽃만 들어 있음). 수수 같은 제꽃가루받이 식물에서 광범위하게 사용되는 또 다른 기술은 세포질적 웅성불임이라 부르는 동계 교배 부모의 계통 가운데 하나로 유전적으로 통제된 웅성불임을 도입하는 것이다. 그런 다음 이 계통은 다른, 불임이 아닌 부모의 계통에서 나온 꽃가루에 의해서만 수분될 수 있기 때문에 종자를 생산하는 부모의 계통으로 사용된다.   

두 가지 선발하여 동계 교배한 부모들의 잡종 자손은 보통 그 부모와는 매우 다르다. 그들은 더 크고, 더 굵은 종자나 열매를 생산하며, 또는 어느 부모가 소유하지 않은 기타 바람직한 특성을 갖는다. 잡종 강세라고 알려진 이 반응은 교잡 품종의 큰 장점 가운데 하나이다. 또 다른 바람직한 특성(관행농업의 관점에서 볼 때)은 유전적 균일성이다. 특정 교잡의 모든 잡종 종자는 똑같은 유전자형을 가질 것이다. 

그러나 잡종 품종에는 내재하는 단점(또는 종자회사의 관점에서는 장점)이 있다. 잡종 식물이 생산한 종자 -제꽃가루받이나 다른꽃가루받이를 통해- 는 생식에 의한 재조합이 다양한 새로운 유전자 조합을 생산하여 그 대부분이 부모의 잡종 강세를 나타내지 않기 때문에 일반적으로 파종하기에 바람직하지 않다. 그러므로 농민은 해마다 종자 생산자에게서 잡종 종자를 구매해야 한다. 

감자와 아스파라거스 같은 무성 생식을 하는 덩이줄기나 기타 수단을 지닌 작물 유형에서는 일단 잡종이 바람직한 형질을 가지고 생산되면, 복제물로 무성생식으로 번식한다. 조직 배양 기술의 진보와 함께, 이러한 종자가 없는 잡종을 번식시키는 방법이 더 널리 적용되어 왔다. 중요한 잡종 품종의 다른 부분에서 얻은 소량의 조직을 사용하여 엄격히 통제된 조건에서 복제물을 신속히 재생산할 수 있다. 

인위 배수성

밀, 옥수수, 커피, 면화 같은 오늘날의 중요한 작물 유형 대부분은 오래전부터 자연 배수성을 유발했다. 배수성 식물은 더 왕성하며 열매나 종자가 일반적 이배성 부모보다 더 크기 때문에, 사람들은 초기의 작부체계에서 그들이 발생하면 바람직하다는 걸 발견하고 무엇이 그들을 다르게 만들었는지 알지 못했지만 그걸 선발했다. 

현대의 세포학자들이 작물에 나타나는 여러 유리한 형질이 배수성의 결과라는 걸 발견했을 때, 인위적으로 그걸 유발하기 위한 방법이 개발되었다. 감수분열의 첫 단계에서 콜히친이나 기타 화학적 자극제를 사용하여, 염색체 숫자의 인위적 증식이 가능해졌다. 예를 들어, 인위 배수성은 6배체 밀(Triticum aestivum) 같은 가장 유용한 밀 계통들을 생산했다. 일단 생산되면, 배수성 자체는 순계를 영속시키거나 새로운 잡종을 개발하는 데 이용될 수 있다. 

유전자 이식 변경

앞서 설명한 기술들을 이용하고 있는 식물 육종은 지루하고, 시간이 오래 걸리며, 어느 정도 운에 좌우된다. 유전자는 염색체에 있는 수천 또는 수백만 개의 유전자에서 발생하여, 식물 육종가는 관심이 있는 몇 가지 유전자가 각 세대에서 어떻게 분포되고 재조합될지 결정할 수 없다. 더욱이 이들 기술은 보통 똑같은 종 안에 있는 밀접하게 관련이 있는 부모를 육종하는 것으로 제한된다.

유전공학자에게는 그러한 제한이 존재하지 않는다. 빠르게 발전하는 유전체학 분야에서 최근 몇 십 년 동안 개발된 다양한 기술을 활용하여, 그들은 하나의 유기체 -예를 들어 박테리아- 에서 얻은 단일한 유전자를 고등 식물 같은 완전히 무관한 유기체로 옮길 수 있다. 또한 그들은 합성 유전자 또는 유전자 서열을 만들어, 이를 표적 유기체의 게놈에 통합시킬 수도 있다. 이런 형태의 유전공학은 작물 유전학자가 작물 종에 동결이나 초식 저항성 같은 특정 형질을 도입할 수 있게 하고, 저마다 특유의 형질을 지닌 맞춤형 유기체를 생성할 수 있게 한다. 

1장에서 언급했듯이, 유전공학의 최종 결과는 유전자 이식, 유전자 변형(GM) 또는 유전공학(GE) 유기체라고 불린다. 오늘날 상업적으로 재배되고 있는 유전자 이식 작물에는 옥수수, 대두, 밀, 벼, 면화, 카놀라 종자, 사탕무,토마토, 양상추, 호박, 땅콩, 카사바, 파파야, 감자 등이 포함된다. 이들 및 기타 유전공학 작물을 재배하는 지역은 1990년대 중반 이후 매년 꾸준히 증가했다. 2012년에는 그들이 1억7000만 헥타르를 덮고 있다고 추산되었다(그림15.6 참조). 이러한 생명공학 작물 재배의 급속한 성장기에 걸쳐 한 기업 -몬산토- 은 미국 시장에서 80-90%의 점유율을 유지해 왔다. 

그림15.6 1996-2012년 유전자 변형 작물이 재배되는 세계의 면적(FAOSTAT, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Statistics database, http://faostat3.fao.org/home/index.html. Dates of access range from January 1, 2014 to March 30, 2014의 자료)

  

유전공학 작물은 다양한 목표를 염두에 두고 만들어졌다. 일부는 특정 해충의 공격에 저항성을 갖도록, 일부는 더 나은 영양가를 가진 먹을거리를 만들기 위해, 그리고 일부는 제초제 적용에 저항성을 갖도록 의도되었다. 이들 및 기타 특성들 때문에, 유전공학은 농업이 직면한 여러 과제에 대한 기술적 해답으로 선전되어 왔다. 더 많은먹을거리를 생산하고, 더 나은 먹을거리를 생산하며, 살충제와 제초제의 필요성을 줄이고, 한계지에서 작물을 재배한다는 과제들이다. (표15.1).

바람직한 형질	주장하는 혜택	사례
질병 저항성	작물 상실을 감소시켜 더 많은 수확량	역병에 저항성을 부여하고자 감자의 품종에 인위적으로 박테리아 염색체를 삽입
해충 저항성	살충제 사용의 감소, 작물 상실을 감소시켜 더 많은 수확량	면화, 옥수수, 대두에 Bt 박테리아에서 얻은 독소를 생산하는 유전자를 도입함 옥수수뿌리벌레에 대한 저항성을 만들고자 RNA 간섭 기술을 사용
식품 품질 개선	개발도상국에서 영양부족을 줄임	"골든 라이스"라는 벼에 비타민A를 생산하는경로를 설계
비생물적 스트레스에 대한 내성 (예, 가뭄, 염분)	한계지에서 더 많은 먹을거리 수확, 관개의 감소, 위험의 감소	사탕무에서 시트르산의 생합성을 허용하는 유전자를 도입하여, 알루미늄 내성과 산성 토양에서 인의 섭취를 증가시킴 더 높은 고도에서 재배할 수 있는 서리 내성을 물려주는 유전자를 지닌 커피나무.
제초제 저항성	작물에 제초제를 살포하면 잡초와 경쟁을 줄여 더 많은 수확량	라운드업 레디 대두는 제초제 글리포세이트(농민들이 유전공학 종자와 제초제를 몬산토에서 구매)에 저항하도록 설계됨 2,4-D 저항성 옥수수와 대두는 글리포세이트에 대한 잡초의 내성이 발달되는 걸 막기 위함
특정 유용한 화합물의 생산	더 낮은 생산비	유전공학 옥수수가 생산하는 낭포성 섬유증의 치료를 위한 약물 같은 식물성 제제
생물연료 생산	에탈올의 더 효율적 생산	전분을 당분으로 전환하기 위해 변경된 옥수수
생물적 환경정화력	환경에서 독성 화합물을 저렴하게 청소	군용 화약의 화합물을 대사하는 박테리아 유전자를 지니도록 변경된 잡초
바이오매스 생산	목재, 종이, 연료, 셀룰로오스 물질을 위한 유용한 바이오매스를 더 빨리 생산	다양한 나무 종에 유전자를 삽입해 더 빨리 성장하고, 새로운 환경에서 자랄 수 있게 함

표15.1 유전자 이식으로 변형된 작물

작물 유기체의 유전자 이식 변형은 1990년대 상업적으로 실행되기 시작한 이래 논란이 되어 왔다. 유전공학 기술의 적용이 유익한 것으로 여겨지거나, 농생태학의 관점에서도 유익한 측면을 갖는다고 보일지라도, 유전공학 작물의 재배는 일반적으로 여러 잠재적 문제와 심각한 위험을 제기한다. 한 예로, 몇몇 연구자와 농장 단체는 최근 옥수수와 밀, 대두에 이어 미국에서 네 번째로 많이 재배되는 유전공학 자주개자리 품종의 제한 없는 재배와 관련된 문제에 관하여 우려를 표명했다. 꿀벌이 꽃가루를 쉽게 옮길 수 있기에 유기농 자주개자리 재배지가 오염되고, 벌의 넓은 활동 능력에 의해 꿀이 오염되고, 라운드업 제초제의 사용이 증가하고 잡초의 저항성이 증가하며, 유기농 동물 사료에 이용되는 건초 작물이 오염되는 등의 문제가 발생하기 시작했다(Hubbard 2008; Zerbe 2011).

증가하고 있는 유전자 이식 작물의 잠재적 문제점 가운데 일부는 아래와 같다. 이들은 모두 가설이 아니다. 대부분 이미 발생하여 문서화되었다. 

• 게놈의 발현에 의도하지 않은 숨겨진 효과. 유전학자들은 특정 유전자를 삽입하여 원하는 형질이 발현되는 유전공학 유기체를 생성할 수 있지만, 그들은 유기체의 원래 유전자와 삽입된 유전자의 예측할 수 없는 상호작용에 대해서는 거의 통제하지 못한다. 예를 들어, 유전공학 유기체는 특정 곰팡이에 의한 질병에는 저항성을 나타낼 수 있지만, 세균성 질병에는 숨겨진 취약성이 있다. 

• 살충제 저항성 해충의 진화를 가속화. 해충 종이 특정한 억제 화합물을 생산하는 작물로만 구성되어 있는 환경에 직면하면, 자연 선택은 그 화합물에 대한 저항성의 진화를 선호할 것이다. 이는 이미 바실러스 튜링겐시스(Bt) 작물의 표적이 되는 해충의 사례에서 발생하여 농민들이 살충제 사용을 늘리게 만들었다.

• 제초제 저항성 유전공학 작물과 함께 사용되는 제초제에 대한 저항성이 있는 잡초의 진화. 이는 잡초가 제초제를 견딜 수 있ㄴ는 능력을 진화시킴에 따라 이미 여러 지역에서 발생했고, 농민들이 사용하는 제초제의 양을 늘리게 만들었다. 

• 작물에서 잡초로 유전자가 이동하는 걸 통해 "슈퍼 잡초"를 생성. 해충 저항성, 제초제 저항성, 또는 활력 개선 유전자가 유전공학 작물 종에서 밀접한 근연의 비작물 종이나 품종으로 이동할 수 있어, 그들을 방제하려는 인간의 시도에 더욱 저항성을 지니거나 자연 생태계를 파괴할 수 있는 잡초를 만든다.  

• 먹을거리 공급으로 독성 물질과 알러지 유발원의 도입. 유전공학 유기체에 수입된 유전자에 의해 생성된 화합물들은 해충을 억제하는 것 외에도 인간 소비자에게 해가 될 수 있다. 비록 그 유전자가 동물 사료를 위한 품종에만 통합되더라도, 그것이 인간의 먹을거리 공급으로 갈 수 있다. 

• 환경의 유전적 오염. 유전공학 작물에서 나온 유전자는 자연 생태계에 예측할 수 없는 결과를 가져와 관련된 토종(또는 양식 연어 같은 유전공학 동물의 경우 똑같은 종의 야생 개체군으로)으로 건너뛸 수 있다

• 야생생물과 유익한 종에 해를 끼친다. 유전공학 작물이 생산한 독소는 표적인 해충 이외에 익충과 수분매개자, 조류 및 기타 동물을 죽일 수 있다. 제초제 저항성 유전공학 작물과 함께 사용되는 제초제는 먹이와 은신처로 이용할 수 있는 비작물 식물(도입된 잡초와 토종 모두)의 숫자를 줄임으로써 유익한 종과 야생생물에 악영향을 미친다. 

• 유전자원에 대한 농기업의 통제 강화. 유전공학 유기체는 특허와 지적재산권 법률로 보호된다. 그것들의 사용증가는 농업생물다양성을 감소시키고, 농민이 농장 외부의 투입재에 더 의존하게 하며, 산업국과 개발도상국 사이의 경제적 분열을 영속화한다. 장기적으로 이는 저절로 영속되는 경향이 있기 때문에 유전공학 기술의 가장 심각한 결점으로 판명될 수 있다.  

이 모든 문제 외에도, 작물(과 가축)의 유전자 이식 공학에 대한 더 광범위한 반대 이유는 다른 현대의 식물 육종기술의 -잠재적으로 확대되는- 모든 위험을 가지고 있다는 점이다. 이는 아래에 논의되어 있다. 

그림15.7 캘리포니아 센트럴 벨리의 유전공학 면화. 몇 가지 유전자 이식 품종들이 이 주의 작물 가운데 큰 비율을 차지한다. 

유전자원 사용의 경향으로 인한 결과

우리의 유전학 지식의 발전에 힘 입은 산업형 농업은 극적인 수확량 증가를 만드는 데 도움이 되는 길들여진 유기체의 유전자원을 확보해 왔다. 하지만 새로운 농업의 품종을 생성하고 배치하는 일은 주로 농기업들의 이윤을 증대하는 데 목표를 맞추었기 때문에, 산업형 농업은 유전자원에 대한 통제를 중앙집중화 하고, 유전적 균일성을촉진하며, 작물과 가축 종의 다양성을 줄이는 경향으로 인해 먹을거리 체계의 토대를 위협하기도 했다. 이런 경향은 여러 수준에서 유전적 다양성을 줄임으로써 길들여진 종이 해충과 질병 및 환경 변화에 더 취약하도록 만들고, 농사와 가축 생산 체계를 인간의 개입과 외부 투입재에 더 의존하게 만들어서 농업의 장기적 지속가능성을 약화시킨다. 

유전적 다양성의 상실

농업에서 유전적 다양성 또는 농업생물다양성은 두 가지 측면에서 중요하다. 유기체들 사이의 차이 -다양성의 "유전적" 구성요소라고 부를 수 있는 것- 와 이런 차이가 실제로 현장에서 활용할 때 어떻게 공간적으로 배열되는지 -우리가 다양성의 "지리적" 구성요소라고 부를 수 있는 것- 이다(Brookfield 2001). 그리고 각 구성요소마다 다양성은 세 가지 별개의 범위에서 중요하다. 지리학적으로 다양성은 전 세계적 범위, 지방이나 전국적 범위, 농장의 범위에서 중요하다. 유전학적으로 우리는 먹을거리 유형의 다양성, 종 안의 다양성 또는 특정 품종 안에 존재하는 다양성에 초점을 맞출 수 있다. 이러한 다양성의 구성요소들은 독립적이기에, 그들은 세계적인 먹을거리 다양성부터 특정 농장에서 작물 품종의 유전적 다양성에 이르기까지, 농업생물다양성의 아홉 가지 측면을 만들어내며 결합된다. 이러한 농업생물다양성의 측면은 어느 정도 단순화하여 표15.2로 정리했다. 

	지리적 구성요소
유전적 구성요소	세계의 먹을거리 체계	지방 또는 국가	농장 또는 농지
먹을거리 다양성:  먹을거리를 위해 재배되거나 사육되는 먹을거리유형과 종의 숫자	세계적으로 먹을거리 수요를 충족시키는 종은 거의 없다. 예를 들어, 세계의 식이 에너지 가운데 약 60%는 밀, 벼, 옥수수, 감자라는 4종의 식물에서 생산된다.	지방과 국가가 작물이나 가축 유형을 특화할 가능성이 점점 높아지고 있다.	한 유형의 가축이나 한 유형의 작물(대규모 단작)을 키우는 개별 농장 운영이 점차 일반화되고 있다.
종 다양성:  각 먹을거리 종의 품종 숫자	매우 적은 품종이 재배되고 있으며, 다른 대부분은 멸종될 것이다. 예를 들어, 오렌지 세 품종이 플로리다 오렌지 작물의 90%를 차지한다. 네 품종의 감자가 세계의작물 가운데 70% 이상을 생산한다.		하나의 유전적 계통을 재배하거나 사육하는 개별 농장 운영이 점차 일반화되고 있다.
품종 다양성:   식물 품종에서 독특한 게놈의 숫자, 또는 가축 품종의 균일성 정도	순계, 합성, 교잡, 유전자 이식 품종 -모두 높은 균일성- 은 세계적으로 재배되는 작물의 비율이 증가하고 있다.		단일한 게놈을 심는 개별 농장 운영이 점차 일반화되고 있다. 예를들어, 잡종 또는 유전자 이식 옥수수 계통을 재배하는 농장.

표15.2  각각의 경향과 함께 농업생물다양성의 측면

모든 지리적 범위와 모든 유전적 수준에서 농업생물다양성이 감소하고 있다는 증거는 부족하지 않다. 이런 쇠퇴는 두 가지 상호연관된 방식으로 나타난다. 매우 적고 더 균일한 품종이 널리 사용되고, 더 많은 품종이 활용되지않고 사라지며 완전히 없어지고 있다. 다음은 몇 가지 사실을 이야기하고 있다. 

• 지구에는 30만 가지 이상의 식용 식물 종이 존재하지만, 현재 세계의 식이 에너지 가운데 60% 이상이 밀, 벼, 옥수수, 감자의 네 가지 식물 종에서만 생산된다(Nierenberg and Halweil 2004; Kotschi 2010).

• 미국 낙농 가축의 70%는 홀스타인이고, 거의 모든 판매용 달걀(90% 이상)은 화이트 레그혼이란 한 가지 품종이 낳는다(Halweil 2004). 

• 1900년 이후 6000가지 이상의 알려진 사과 품종(그 가운데 86%가 기록됨)이 멸종되었고(Fowler and Mooney 1990), 유럽에 가축화된 동물 품종의 절반이 있으며 전 세계적으로 약 1000가지 품종의 가금류와 소가 있다(Hall and Ruane 1993). 

• 농업생물다양성의 요람 가운데 하나인 이란에서, 밀과 벼, 수수의 전체 품종 수 가운데 약 1/4 정도만 이들 작물을 재배하는 총면적의 70-85%를 차지한다(Koocheki et al. 2006).

• 세계적으로 적어도 20%의 동물 품종은 멸종위기에 처해 있고, 세계의 어느 곳에선가는 적어도 한 가지 품종의 토종 가축이 매달 멸종된다(FAO 2007).

• 1930년에 멕시코에 알려진 옥수수 품종 가운데 약 4/5는 사라졌다.  

• 지난 세기에 세계적으로 농민들이 유전적으로 균일하고, 다수확의 품종을 위해 그들의 토종을 포기함으로써 식물의 유전적 다양성 가운데 약 75%가 사라졌다(Nierenberg and Halweil 2004; FAO 2007).

농업생물다양성의 상실은 결코 회복할 수 없는 잠재적으로 소중한 정보의 상실을 뜻하기 때문에 우려할 만하다. 수천 년에 걸친 식물과 가축의 육종과 길들임에 대해 축적된 유전자원을 방대한 양의 주제에 관하여 오래되고 새로운 책들로 가득한 도서관에 비유한다면, 관행농업에서 일어난 경향의 충격은 현행 베스트셀러 도서만 빌려주는한 곳의 도서관으로 대체하는 것에 비교할 수 있다. 

우리가 상실하고 있는 유전적 정보에는 입증되고 잠재적인 다양한 가치가 있다.

•일반적으로 유전적 다양성은 식물과 동물 육종의 원재료이다. 이 다양성의 상실은 앞으로 육종 노력을 위한 기회를 제한할 것이다. 

• 여러 지역의 토종 품종의 존재에 의해 나타나듯이, 작물이나 가축 종의 유전적 다양성은 특정 지역의 특정한 조건에 잘 적응된 유전적 계통을 활용하게 한다. 작물과 가축에서 지역에 적응된 유전적 계통은 더 적은 외부 투입재를 필요로 하기에 지속가능한 체계를 위한 기초가 된다. 

• 작물 품종이나 가축 품종에서 유전적 다양성은 농지에서 환경 저항성의 중요한 구성요소이다. 작물이나 가축의 유전적 기반이 더 넓을수록 일부 개체들이 질병과 환경 조건의 비정상적 변동이나 작물의 경우 초식동물의 공격에 대한 저항성을 가질 확률이 더 높아, 이들 사건 중 하나가 발생한다면 전체 작물의 상실이나 가축의 떼죽음을 막을 수 있다. 

•유전적 다양성은 잠재적 환경 저항성의 저장소이기도 하다. 유전적으로 다양한 작물 품종이나 가축 품종에서 일부 개체들은 상승하고 있는 온도로 인해 일어날 수 있는 새로운 질병의 확산 같은 미래의 사건이나 조건들에 저항성을 부여할 수 있는 유전자나 유전자 조합을 가지고 있을 수 있다. 이들 유전자는 개체군에 저항성을 제공하도록 선발될 수 있다.  

• 작물의 유전적 다양성은 산업국에서 유기농업으로 재배한 영양가가 더 높은 먹을거리에 대한 소비자의 수요 증가를 충족시킬 수 있는 잠재적 가치를 지닌 형질의 저장소를 보장한다. 타고난 질병과 해충 저항성을 지닌 품종들은 더 지속가능한 저투입 유기농업 체계에서 훨씬 쉽게 재배될 수 있다.  

• 유전적 다양성은 전반적으로 장기적 유연성과 탄력성 및 계절에 따라, 그리고 세월에 따라 변화하는 조건에 순응하고 적응하는 능력을 체계에 부여한다. 

일부 농민, 유전학자, 식물 육종가 및 여타 사람들은 수십 년 전 우리의 먹을거리 작물에서 유전적 다양성이 상실될 위험을 보았다. 한 가지 반응은 일반적으로 활용하지 않는 품종들의 종자를 나중에 쓸 수 있도록 저장하는 "유전자 은행"의 설립이었다. 이들 유전자 은행은 중요한 목적을 수행하지만(Qualset and Shands 2005 참조), 유전적 침식을 막기 위해 할 수 있는 일이 제한되어 있다. 첫째, 현행 유전자 은행의 대부분은 국가와 국제 연구 프로그램이 지원하고 있는 작물의 재고만 유지하고 있으며, 보호되는 작물의 유전적 다양성은 일부만 수집된 것이다. 둘째, 유전자 은행 안의 유전자원에 대한 관리와 평가가 부족하곤 하여 물질의 악화가 발생한다. 셋째, 생식질 수집은 환경과 문화적 선택 압력 모두를 포함하여 유전적 다양성을 유지하고 생성하는 과정을 우선 통합하지 않은 채 실제로 정지 상태이다. 불행하게도 우리는 이미 상실된 품종이, 특히 세계적으로 지역의 수요를 충족시키는 많은 수의 비주류 작물이 얼마나 많은지 결코 알 수 없는데, 현행 생식질 보전의 노력이 일부가 아니다. 

그림15.8 멕시코 농촌에서 멸종위기에 놓인 옥수수 품종. 많은 압력 때문에 농민들이 지역의 토종을 이용하지 못하게 되었고, 그 가운데 남은 많은 것이 유전공학 품종의 유전 물질에 의해 오염되고 있다. 

 

작물 품종에서 더욱 큰 유전적 균일성

품종 수준에서 다양성의 침식은 더 자세히 살펴볼 가치가 있다. 그러므로 우리는 작물에 적용되기 때문에 더욱 상세히 이 주제를 살펴보자. 

모든 고등 유기체는 매우 복잡한 유전적 구조를 가지고 있다. 아주 많은 유전자 -단일한 식물은 1000만 개 이상을 함유할 수 있음- 가 복잡한 방식으로 함께 작용하여 유기체가 기능하고 그 환경과 상호작용하는 방식을 통제한다. 일부 유전자는 단독으로 작용하지만, 대부분은 다른 유전자와 복잡한 조합으로 작용하는 것처럼 보인다. 자연에서 각 종의 유전적 전체성, 또는 게놈은 앞서 기술했듯이 매우 오랜 진화 과정의 산물이다. 전체적으로 게놈은 유전자형 가운데 다수나 모두가 고유한, 많은 개별 유전자형으로 구성되어 있기 때문에 전형적으로 매우 다양하다. 

집단 선발의 전통적 방법이 종의 게놈 내용물을 변화시키더라도 그것의 유전적으로 풍부한 구조 대부분을 유지하려는 경향이 있다. 이에 반하여 현대의 작물 육종은 품종의 하나나 몇 가지 유전자형의 최적화에 초점을 맞춤으로써 작물 품종의 게놈을 변경하고 좁히는 경향이 있다. 이러한 과정은 특정한, 고도로 변경된 현대의 농업 환경에서 대단히 잘 작동하는 식물을 만들어 내지만, 또한 품종의 유전적 기초를 크게 제한하기도 한다. 그 범위의 가장 균일한 끝에서, 작물 품종의 유전적 다양성은 그 품종의 교잡 종자라는 단일한 게놈으로 제한된다. 그 범위의 가장 다양한 끝에서, 집단 선발되고 방임 수분된 품종의 유전적 다양성은 수없이 독특한 개별 게놈의 산물이다. 그림15.9는 유전적 다양성의 구조에서 이러한 대조를 보여준다. 

그림15.9 집단 선발된 작물 품종과 교잡 작물 품종에서 유전적 다양성. 집단 선발된 품종에서, 전반적인 유전적 다양성은 어느 개체보다 훨씬 더 크다. 교잡 품종에서, 어느 개체든 그 품종의 모든 유전적 다양성을 함유한다. 

상업적으로 생산된, 교잡 다수확 품종은 종자시장을 사로잡았으며, 이제는 유전적으로 균일한 농지에서 대규모로재배된다. 그들의 우점은 마찬가지로 균일한 유전공학 작물에 의해서만 도전을 받고 있다. 다른 유형의 다양성의상실과 함께 이러한 상황은 우리의 작물이 농업의 아주 오래된 적들 -해충, 질병 및 비정상적인 날씨- 에게 점점 취약해지도록 만든다. 

유전적 취약성

작물과 가축의 유전적 다양성을 상실한 이런 결과는 더 많은 논의가 필요하다. 유전적 취약성은 해충과 질병에 공격을 받거나, 극단적 날씨로 손실되는 좁아진 유전적 조성을 지닌 식물과 동물의 민감성이다. 기본 문제는 작물 품종이나 가축 품종이 넓은 지역에 걸쳐 유전적으로 균일하면 해충이나 질병 개체군이 급속히 발생하기 위한 이상적 조건이 마련되어 있다는 것이다. 

해충과 질병 개체군은 부분적으로 세대 기간이 짧기 때문에 상대적으로 빠른 속도로 진화한다. 신속한 유전적 변화를 위한 이런 능력을 통해, 그들은 숙주의 방어, 또는 인간에 의해 환경에 도입된 요인(살충제 같은)이 빠르게 변화하는 데에 적응할 수 있다. 이런 이유로, 농업에서 해충과 질병은 살충제와 항생제부터 스스로 독성 화합물을 생산하도록 설계된 유전공학 작물에 이르기까지 농업 과학이 던져 놓은 모든 걸 극복(할 수 있고 언제나 극복)할 수 있었다. 

작물이 자연 선택과 인간이 강요한 선발 압력 모두에 노출되어 있으며 그 체계가 자연 생태계의 많은 특성을 유지하고 있는 전통적 농업생태계에서, 작물은 병원균과 초식동물보다 한 걸음 앞서 갈 수 있도록 싸울 기회가 있었다. 하지만 현대의 식물 육종, 대규모 단작, 농법의 균일성 등으로 우리는 해충과 질병에게 이점을 부여했다. 우린 전반적 단련보다 특정 형질을 위해 작물을 육종하고, 똑같은 장소에서 동시에 대규모 단일한 종의 개체군으로 작물을 심음으로써 저항성의 유전적, 환경적 메커니즘 모두를 변화시키고자 노력한다. 이렇게 하여 더 균일하고 예측할 수 있는 환경이 조성되어 병해충이 발생할 수 있는 무대가 설정된다. 

게다가 농업과 무관한 변화가 심각한 병해충이 발생할 위협을 증가시키고 있다. 세계 상거래의 상호연결은 병원균이 새로운 영역으로 확장할 수 있는 더 많은 매개체를 제공하며, 기후변화는 기후가 예전에는 병원균을 배제시킨 지역으로 그들을 이동하고 해충 및 병원균의 공격에 작물을 더 취약하게 만들도록 스트레스를 가함으로써 위협하고 있다. 

가축 생산에서 유전적 기초의 균일성이 증가함에 따라 가금류와 소, 돼지, 염소, 양 역시 질병의 확산에 더욱 취약해진다. 더 전통적인 목축 체계에서, 가축 품종은 지역에 따라 다르고 지역의 조건에 잘 적응하여 질병에 대한 저항성이 좋았다. 이와 대조적으로, 현대의 밀집사육시설(CAFO)은 많은 수의 유전적으로 유사한 동물들을 병원균이 급속히 확산하기에 완벽히 설정된 인공적 맥락에 가득 채운다. 

유전적 균일성의 위험에 대해 가장 잘 알려진 사례의 하나는 아일랜드의 감자 대기근이다. 1846년 역병균(Phytophthora infestans)이 아일랜드 감자의 절반을 파괴하여, 광범위한 기근을 불러오고 인구의 1/4이 이주하게 만들었다. 그 역병은 아일랜드의 감자 농민들이 300년 전 가져와서 영양번식된 단 두 가지의 감자 유전자형에만 의존했기 때문에 발생했다. 역병은 그 나라가 먹을거리 공급원으로 탄수화물이 풍부한 감자에 지나치게 의존하게 되었기 때문에 커다란 충격을 주었다. 균류는 그 지방의 서늘하고 축축한 조건에 잘 적응했으며, 일단 질병이 이르러 확립되면 멈추지 않았다. 흥미롭게도 똑같은 균류가 감자의 원산지인 남아메리카의 안데스에서도 발견되었지만, 자연 선택이 계속 진행되는 것과 함께 그곳의 거대한 유전적 다양성은 그 작물의 많은 부분이 저항성을 갖도록 했다. 

잘 알려진 또 다른 사례는 일리노이와 인디아나 지역에서 거의 모든 옥수수를 파괴한 결과 미국 전체에서 옥수수의 15% 이상을 상실하게 만든, 1970-1971년에 발발한 옥수수깨씨무늬병(Helminthosporium maydis)이다(Ullstrup 1972). 이 질병은 교잡 종자를 생산하는 데 사용된 옥수수의 계통으로 육종된 세포질적 웅성불임의 유전적 요인과 관련되어 있다. 이 요인은 웅성불임을 일으켜 값비싸게 손으로 수꽃이삭을 제거할 필요를 없앴지만, 옥수수깨씨무늬병에 대한 잡종의 민감성을 증가시키기도 했다. 그러므로 새로운 역병이 나타났을 때 빠르게 퍼졌다. 종자 생산자와 작물 육종가들은 신속히 대응할 수 있었고, 1972년 농사철까지 민감한 요인의 조합을 변경했다. 

비슷한 문제가 밀에서 발생했다. 세계적으로 재배되는 밀 품종의 90%는 Puccinia graminis tritici라는 균류의 Race Ug99 계통에 감염되기 쉬워, 이는 밀에서 줄기녹병이나 검은녹병을 일으킨다. Ug99는 우간다에서 1998년 처음 발견되었고, 2011년까지 Ug99 계통에 속한 7가지 품종이 발달해 짐바브웨와 남아프리카공화국, 수단, 예멘, 이란만이 아니라 아프리카 동부의 고원에 있는 여러 밀 재배 국가로 퍼졌다. 이 균류는 쉽게 퍼지고 대부분의밀이 그에 저항성이 부족하기 때문에, Ug99 품종 집단은 밀 생산과 식량안보에 주요한 위협이 되고 있다. 광범위하고 영속적인 저항성을 지닌 새로운 밀 품종을 개발하고 배포하기 위한 전담 프로그램이 성공하더라도, 세계의 여러 지역에서 밀 생산은 큰 위기에 처해 있다(Singh et al. 2011). 

교훈은 분명하다. 단 몇 가지 품종만 우점하는 한, 해충은 작물의 낮은 유전적 다양성을 이용하고 그 저항성을 극복할 수 있을 것이다. 흉작이 발생하면, 농민은 더 이상 자신들의 농지에 존재하던 예전의 유전적 다양성에 접근할 수 없기 때문에 새로운 저항성 품종을 생산하는(또는 화학 살충제를 제공하는) 기반시설에 전적으로 의존하고 있다(Eigenbrode 2011). 

지난 30년에 걸쳐 산업국에서 농업의 전반적 성공은 여러 면에서 유전적 취약성의 문제를 가려 왔다. 일부 지방의 잉여 수확량은 다른 곳의 흉작을 보완할 수 있었다. 하지만 지방의 흉작은 여전히 일어나고 있으며, 흉작의 가능성은 더 큰 규모로 존재하고 있다(Qualset and Shands 2005).

인간 개입에 대한 의존도 증가

관행농업의 유전자원 통제와 그 외부 투입재, 기계화, 농장 외부의 기술적 전문지식에 대한 의존성 사이에는 중요한 연관이 있다. 작물과 가축 품종의 유전적 다양성의 극적인 감소는 살충제, 제초제, 비료 생산, 관개 및 물 사용, 기계화, 화석연료의 농업 이용이 극적으로 증가한 것과 밀접하게 연결되어 있다. 

이 연결은 잡종 작물 종자를 광범위하게 사용하는 데에서 매우 분명해진다. 현대의 잡종 작물 품종은 농장의 경계 외부에서는 사실상 무기력하다. 대개는 자신의 종자로부터 스스로 번식할 수도 없다. 가장 극단적인 경우, 그 작물은 매우 특정한 종류의 집약적이고 기술에 기반한 인간의 변경과 농장 환경의 통제 없니는 농사 체계에서 성공할 수 없다. 

농민이 잡종을 위해 지역의 작물 품종을 포기하면, 그것은 구매해야 하는 잡종 종자 이상의 것이다. 모든 잡종은 종자와 함께 오는 투입재와 농법의 "패키지"가 있다. 토양 경운 장비, 관개 체계, 토양 개량제와 비료, 해충 방제 물질 및 기타 농장 투입재 등이 그것이다. 또한 그 패키지는 농장의 조직과 관리의 다른 많은 측면에서 변화가 일어나는 것도 포함한다. 이러한 새로운 투입재와 장비를 위해 지불해야 하는 투자를 회수하고자, 농민은 더 수익성 있는 작물의 생산을 강화해야 한다. 이는 보통 더 적은 종류의 작물로 생산의 집중, 중앙집중화된 시장 구조에 대한 의존, 별도의 숙련된 노동력, 위험과 흉작의 가능성을 줄이기 위한 투입재의 강화를 필요로 한다. 기술 조언은 농장 환경 외부의 근원에 의존(하고 보통 비용을 지불)한다. 농장 전체가 변화하도록 강요된다. 

이러한 변화로 인해 농민은 작물과 농장 및 농사 과정에 관한 그들의 중요한 지역의 전통적 지식을 상실하게 되고, 고도로 균일하고 매우 변경된 조건에서 개발된 유전적 정보에 의존하게 된다. 차츰차츰 최종 결과는 근대화 이전의 농장을 특징짓는 지역의 유전적 다양성과 문화 경험의 상실로 이어진다. 

유전공학 작물은 인간의 개입에 농업이 더욱더 의존하게 만든다. 사실 유전공학 제품을 개발하는 농기업의 관점에서 볼 때, 그것이 핵심이다. 투입재나 조작이 추가적으로 필요할 때마다 더 많은 돈을 벌 기회가 생긴다. 제초제 저항성 품종은 종자가 제초제와 함께 사용되도록 설계되었기 때문에 이런 현상의 좋은 사례이다. 그리고 잡초가 제초제에 저항성을 가지기 시작하면, 문제에 대한 준비된 해결책으로 더 많은 제초제의 적용 같은 형태로 더 많이 투입된다. 유전공학 제품이 투입재를 줄이기 위해 설계된 것으로 판매되더라도 -살충제의 필요성을 줄이는 Bt 품종의 경우처럼-, 최종적인 현실은 표적 해충이 저항성을 빠르게 진화시키기에 달라지곤 한다. 

가축 품종의 유전적 다양성의 침식과 관행적 가축 생산, 특히 밀집사육시설의 투입재 집중도 사이의 관련은 1장에서 이미 다루었다. 대규모 가축 생산의 모든 근거는 유전적 균일성과 동물이 사육되는 엄격히 통제된 투입재 의존적 환경을 통해 얻는 관리 효율성에 달려 있다. 

기타 유전자원의 상실

농업은 작물과 가축화된 동물의 유전적 다양성 이상의 것에 의존한다. 기타 유기체들 집합체의 유전적 다양성도 중요하다. (1)농업생태계를 둘러싼 자연생태계의 유기체들, 특히 작물의 야생 근연종, (2)경제적 중요성이 적은 작물과 가축 품종, (3)기생자, 타감작용 잡초, 나무 및 토양 유기체 같은 이로운 비작물 유기체 등이 그것이다. 

작물의 야생 근연종은 직접 선발 과정에서 새롭거나 진기한 변이의 중요한 원천이다. 그들은 특히 앞서 말한 유형의 전염병의 사건에서 새롭거나 더 강한 유전 물질의 중요한 원천이 되어 왔다. 그러나 그럼15.10에 보이는 야생 면화 같은 야생 근연종은 산림 파괴와 기타 형태의 서식지 변경 때문에 세계의 여러 곳에서 급속히 사라지고 있다. 

그림15.10 멕시코 타바스코에 있는 야생 여러해살이 면화(Gossypium sp.). 작물의 야생 근연종은 여전히 전통적농사 체계의 현지에서 발견할 수 있다. 

잠재적 가치를 지닌 비슷한 종류의 유기체는 탈출한 농업 품종과 그 야생 근연종 사이의 자연 교잡이다. 그러한 교잡은 주로 교잡 종자가 세계에서 가장 멀리 떨어진 농업 부분으로 퍼지고, 개량종을 사용하는 것과 함께 농사 환경이 단순화되며, 농업생태계와 자연 생태계 사이의 분리가 증가한 덕에 작물과 야생 근연종이 유전 물질을 교환할 수 있는 서식지가 더욱 희귀해지고 있어 멸종위기에 처하게 된다. 

또한 다양한 농업 서식지는 전체 체계를 위해 상당한 중요성을 지닌 비주류 작물 종을 많이 포함하고 있다. 수확할 수 있는 유용한 농산물의 집합체를 제공하는 이외에도, 이들 작물은 체계의 생태적 다양성에 기여한다. 그들은 전체 체계의 에너지 흐름과 양분 순환 과정의 일부이다. 상업적 가치가 전혀 없거나 거의 없는 비주류 작물은 특히 개발도상국의 여러 전통적 작부체계에 보존되어 있다. 그들은 미래의 활용가치가 유망할 수 있지만, 전통 체계가 근대화로 나아감에 따라 사라지고 있다.  

작물과 작물 근연종 이외에도, 농업생태계도 해충의 포식자와 기생자, 타감작용 잡초 및 이로운 토양 유기체를 포함하여 다양한 비작물 식물과 동물로 구성되어 있다. 이들 대부분은 전반적인 체계의 다양성과 탄력성을 유지하는 데에 매우 중요한 역할을 수행할 수 있다(17장 참조). 그들의 존재와 유전적 다양성은 체계의 전반적인 다양성에 크게 의존하기 때문에, 그들은 농업생태계의 균일성으로 나아가는 경향으로 인해 위협을 받고 있다. 

더 일반적으로, 농업생태계의 전반적인 유전적 다양성에 주의를 기울여야 한다. 완전히 기능하고 있는 작부체계와 농장 체계는 우선 다양성을 생산하는 유전적, 생태적, 문화적 과정을 보존한다. 생물학적 방제 정보, 식물의 방어, 공생자 및 경쟁자가 모두 농생태학적 가치가 큰 유전적으로 기반을 둔 정보를 활발히 상호작용하며 보존하고 있다. 그리고 이 모든 정보의 일부분만 핵심 작물의 생식질에 있기 때문에, 농사 서식지의 상실은 작물의 유전자 풀 자체가 좁아지고 있는 것보다 훨씬 더 치명적일 수 있다. 

농업생물다양성의 보존

지속가능성은 농업생태계에서 유전자원을 어떻게 관리하고 조작할지에 근본적 변화를 필요로 한다. 이러한 변화의 핵심 주제는 유전적 다양성이다. 지속가능한 농업생태계는 개별 유기체의 게놈부터 전체 체계에 이르기까지 모든 수준에서 유전적으로 다양하다. 그리고 이러한 다양성은 유전적 변화가 다양한 개체군들 사이의 상호작용 환경에서 일어나야 했던 공진화의 산물이어야 한다. 이런 방법으로, 모든 구성요소인 유기체 -작물, 동물, 비작물동료, 이로운 유기체 등등- 는 지역의 조건과 환경의 지역적 가변성에 적응할 뿐만 아니라, 인간에게 그들이 특별히 유용해지도록 하는 형질을 소유한다. 

전통의, 토착민의, 그리고 지역의 농업생태계는 지속가능성의 여러 유전적 요소를 포함하고 있으며, 우리는 그 사례로부터 배울 수 있다. 특히 그들은 개체군만이 아니라 전체 작부체계 군집 안의 유전적 다양성이 더 높다. 사이짓기가 훨씬 더 보편적이고, 비작물 종과 근연종이 농경지 안과 주변에서 발생하며, 유전적 다양화를 위한 기회들이 농지 차원에서 풍부하다. 그러한 체계에서, 환경 스트레스와 생물적 압박에 대한 저항성은 훨씬 더 광범위한 유전적 기초를 가지고, 유전적 취약성은 더 낮으며, 해충과 질병이 발생하더라도 치명적인 발발은 드물다. 본질적으로, 그런 체계에서 유전적 변화는 자연 생태계에서 그러는 것처럼 일어난다.

작물에서 오래가는 저항성을 위한 육종

농업의 식물 육종은 주로 가뭄, 척박한 토양, 온도의 극한 같은 물리적 요인이나, 초식, 질병 및 잡초와의 경쟁 같은 생물적 요인 등 환경 요인에 제한되는 것에 대한 저항성을 만드는 데 초점을 맞추고 있다. 이런 육종 프로그램의 결과 놀라운 수확량을 올리게 되었지만, 이미 언급했듯이 또 다른 결과는 작물의 흉작에 대한 취약성이 증가하고 재생할 수 없는 투입재에 대한 의존도가 높아졌다는 점이다. 

각각의 문제가 나타나자마자, 작물 육종가들은 저항성 유전자형을 찾을 때까지 작물의 유전적 변이성을 검사한다. 이 저항성은 단일한 유전자에 의해 제공되곤 한다. 앞에서 언급한 유전자 이식 및 여교배 기술은 특정한 작물의 가계에 유전자를 통합시키고자 사용된다. 그 결과는 때로는 수직 저항성이라 부르기도 한다. 거기엔 두 가지 약점이 있다. 첫째, 제한하는 요인이 변하지 않는 한 저항성이 계속해서 기능할 것이다. 불행하게도 해충과 질병, 잡초의 경우, 지속적인 자연 선택 때문에 제한하는 요인이 결코 오랫동안 고정되지 않는다. 그래서 문제의 유기체는 결국 "저항성에 대한 저항"을 발달시키고, 발발이나 유행병이 발생한다. 이 역학은 잘 알려진 작물 육종가의 쳇바퀴의 기초이다. 둘째, 수직 저항성을 위한 육종 과정에서 병원균의 광범위한 스펙트럼에 부분적인 저항성을 제공하는 유전자가 상실된다. 

새로운 유형의 해충, 질병 또는 잡초가 발생하더라도 쉽게 분해되지 않고 더 오래가는 유형의 저항성이 필요하다. 특정 저항성을 개발하기 위한 육종 프로그램을 지휘하는 대신, 전체 작물 체계를 관리하는 것이 그것이다. 오래가는 저항성을 위한 선발은 개체군 수준의 육종법을 이용하여 여러 저항성을 지닌 것들을 축적해야 하고, 작물과 해충, 환경 및 인간 관리자 사이의 상호작용에 대한 동시적 본질을 이해하는 데 달려 있다. 선택은 단일한 특정의것들이 아니라 모든 수준에서 동시에 일어난다. 그 결과 더 오래가는 유형의 저항성을 수평 저항성이라 부른다(Robinson 1996; Garcia-Espinosa 2010). (그림15.11)

그림15.11 Roberto García-Espinosa 박사는 그가 육종한 수평 저항성이 있는 콩의 종자를 배포하고 있다. 멕시코몬테씨요에 있는 Colegio de Postgraduados에서 일하면서, García-Espinosa 박사는 멕시코의 믹스테카Mixteca 콩 재배 지방에 존재하는 광범위한 병원균에 저항성이 있는 콩을 개발하는 육종 프로그램을 매우 성공적으로 운영했다. (사진 제공 Don Lotter 박사)

가장 오래가는 저항성을 제공하는 육종법은 방임 수분된, 지역에 적응한 토종의 활용에 달려 있다. 방임 수분된 작물은 일반적으로 교잡 품종과 비교하면 수확량은 낮지만, 유전적 다양성 때문에 지역적 선택 압력에 매우 즉각적으로 반응한다. 또한 그들은 해충과 질병, 잡초를 포함한 모든 지역적 환경 요인이 조합된 상태에서도 최고의 평균 성과를 올린다. 

체계 수준의 저항성의 중요성은 농업 과학자보다 생태학자에 의해 더 쉽게 받아들여진다. 자연 생태계에서의 선발에 대한 연구는 그것이 진화한 생태계로부터 다른 생태계로 도입되었을 때 야생의 생태형이 긍정적 또는 부정적 선택 압력에 모두 반응하는 방식을 되풀이하여 입증해 왔다. 선택은 유기체가 직면하는 생물적, 비생물적 요인의 모든 수준에서 동시에 작동한다. 이러한 관점에서 볼 때, 작물의 유전적 균일성과 관련된 문제는 더 분명해진다. 

식물 유전자원의 현지외 보존

유전자원의 침식과 상실에 대한 우려로 1974년 국제 식물 유전자원위원회(IBPGR)가 창설되었다. 현지외 작물 생식질 저장소의 국제 네트워크가 확립되고, 국제 식물 유전자원위원회 체계의 유전자 은행을 확립하기 위하여 주요 작물 유전자 센터에서 유전물질이 수집되었다. 그 이후 식물 육종가들은 다수확과 저항성 품종을 개발하기 위해 이 유전자원에 크게 의존해 왔고, 모든 유형의 유전자 은행 숫자는 FAO에서 전 세계에 1460개가 있으며 여기에 모두 540만 가지 이상의 표본이 보유되어 있다고 추정한다. 2004년 FAO와 국제농업연구자문기구(CGIAR)의 15개 Future Harvest Center는 작물 다양성의 가장 중요한 수집물의 안보를 장기간 보장하는 독립적인 국제기구인 Crop Diversity Trust를 설립하기 위해 협력했다. 특히 이 트러스트는 위기에 처한 수집물을 구제하고개발도상국이 그들의 수집물을 관리하도록 지원하고자 모색한다. FAO는 2007년 전 세계적으로 식물 유전자원의 상태를 평가한 결과, 현지외 유전자 은행의 네트워크, 특히 여러 국가들 안에서 더 지역적인 데 초점을 맞추고있는 유전자 은행의 네트워크를 강화하는 데 지원해야 함을 다시 확인했다(FAO 2010). 

식물 유전자원의 현지내 선발과 보존

현지외 보존은 중요하지만, 그 자체로 농업의 유전적 다양성이 침식되는 걸 막을 수는 없다. 유전자 은행에 대한 제한된 자금 지금으로 인해 작물의 범위와 물질이 수집되는 지역이 한정되어 세계의 작물 유전적 다양성의 상당 부분은 이들 저장소에서 유출되었다. 세계의 식량작물 가운데 상당수를 제외한 옥수수, 밀, 콩, 벼, 감자가 가장 주목을 받아 왔다. 이러한 현지외 유전적 보존 노력이 추가하는 문제는 작물이 원래의 문화-생태학적 맥락에서 제거되어, 게놈과 환경 사이의 적응 관계를 끊는다는 점이다(Nevo 1998; FAO 2010). 

지속가능성을 달성하기 위해서는 유전자원의 보존이 현지내 또는 작물 군집의 환경에서 일어나야 하고, 농민은 그렇게 하는 데 대하여 보상을 받아야 한다(Brush 2004; FAO 2014). 현지내 보존은 고정된 보존보다는 오히려 지속적인 선택과 유전적 변화를 수반한다. 그거슨 유전적인 검사가 일어나도록 하고, 지역의 토종을 유지하며 강화시킨다. 미래에 작물의 재배가 일어날 수 있는 모든 조건 -위치, 시기, 재배 기술- 을 모방하고자 시도한다. 그 결과, 품종이 (1)지역의 환경 조건, (2)지역 환경의 문화적 조건(관개와 경운 및 거름주기 같은), (3)지역적으로 중요한 모든 생물적 작물 문제(해충, 질병, 잡초 같은)에 잘 적응된다. 

현지내 보존은 유전 정보의 저장소가 되는 농장과 작물을 돌보고 관리하는 방법에 대한 문화적 지식의 저장소가 되는 농민이 필요하다. 그러므로 극단적으로 현지내 보존의 원리는 각각의 농장이 자체적인 육종 및 보존 프로그램을 가지고 있다고 주장한다. 실제로 농민은 가능하다면 그들의 지역에 적응된 토종을 선발하고 보존할 수 있어야 한다. 하지만 좀 더 실용적 접근법은 지방의 수준에 초점을 맞춘다. 농사 지역의 지방 특성이 중요한 선발 기준을 확립하기 때문에, 검사 프로그램은 해당 지방의 농민들 사이에서 작물 유전 물질의 끊임없는 교환이 이루어지는 한 특정한 지리학적, 생태학적으로 정의된 지방에 대해 어느 정도 중앙집중화될 수 있다(Brush 1995; Cunningham 2001).

현지내 보존은 특히 기후변화의 맥락에서 중요해진다. 주어진 다양한 농업생태계에서 재배되고 있는 토종과 품종들은 건조함이 증가하고 온난화가 진행되는 것과 같은 지향성 환경 변화에 의해 나타나는 선택 압력에 반응하여 진화할 것이다. 이들 작물은 그 지방의 기후변화의 독특한 발현에 더 잘 적응할 뿐만 아니라, 그들의 적응은 조건들이 같은 방식으로 변화하고 있는 다른 지역에서도 재배에 적합해지도록 할 수 있다. 게다가 현지내 보존으로 보존되고 선발된 유전적으로 다양한 개체군들은 이후 기후변화가 농업생태계에 요구할 개체군 -및 농업생태계- 수준의 탄력성에 대한 중요한 원천이 될 것이다. 

궁극적으로 현지내 및 현지외 유전자원 보존 노력은 통합되어야 한다. 이미 비영리 단체와 농민들 사이의 동반자관계는 두 종류의 프로그램이 서로를 보완하고 더 효과적이고 공정한 보존을 촉진할 수 있음을 보여준다. 예를 들어, 아리조나 투손에 있는 Native Seeds/SEARCH라는 조직은 농민들에게 지역의 전통적 작물 품종을 재배하도록 장려함으로써 현지외 종자 수집과 저장 활동을 보완한다. 이 조직은 품종을 상실한 농민들에게 종자를 제공한 다음, 농민들의 잉여 생산을 구매한다. 그리하여 농민의 농지는 전통적인 유전자원을 보존하고 미래의 품종들을 위해 검사하는 장이 된다. 이들 농지에서도 지역의 지식, 지역의 자원 및 제한된 산업 투입재를 사용할 경우 지속가능성을 위한 육종이 일어날 수 있다(Tuxill and Nabhan 2001; Nabhan 2002).

비주류 작물과 비작물 자원의 보존

농업생태계에 있는 유전자원은 오늘날 많은 사람들이 소비하는 먹을거리의 대부분을 제공하는 상대적으로 소수의 작물 종 너머까지 미치고 있다. 새로운 작물이 될 가능성이 있는 다양한 비작물 종만이 아니라 지역에서 중요한 비주류의, 또는 이용되지 않는 작물은 모두 지속가능한 농업을 위한 육종 프로그램에 이용할 수 있는 유전자원의 일부를 형성한다. 또한 그들은 지속가능한 농업 체계를 위한 유전적 기초를 유지하는 데 필수적인 전체 체계, 수평 저항성 과정의 일부를 형성한다. 그러므로 이러한 모든 다른 유형의 작물, 비작물 및 야생 근연종 등이 포함되도록 유전적 보존 노력을 확대하는 일이 중요하다. 이 목표는 이들 종이 발생하는 전통적인 농업생태계를 보존함으로써 가장 잘 달성된다(Altieri and Nicholls 2004a). 

가축의 유전적 다양성을 평가하기

가축의 유전적 다양성은 작물의 유전적 다양성과 똑같은 이유로 소중하다. 품종의 다양성(및 품종 안의 다양성)은 환경의 변화, 새로운 질병의 위협, 변화하는 시장의 조건이나 소비자의 선호에 대응하여 새로운 품종을 선발하고나 개발하기 위한 원료를 농민에게 제공한다. 특정 지역에 서식하는 가축 품종에는 높은 번식력, 좋은 모성 본능, 질병 저항성, 저급 사료로도 잘 자라는 능력, 열악한 조건에 대한 적응력, 장수, 독특한 축산물 특성 같은 귀중한 형질을 가지곤 한다. 이들 형질은 모두 저투입 가축 생산에 바람직하고 -필수적이며- 널리 퍼진 상업적 품종에는 없곤 한다. 따라서 토착 품종의 가금류, 돼지, 소, 기타 가축 유형들은 지속가능한 가축 생산을 위해 중요하다. 

그러나 동물의 게놈은 유전자 은행에 쉽게 저장될 수 없기 때문에, 가축의 유전적 다양성이 중요함에도 불구하고 작물의 유전적 다양성보다 더 큰 위기에 처해 있다. FAO는 세계의 가축 품종 가운데 43%가 멸종위기에 처해 있다고 추산한다. 

동물이 지속가능성에서 담당할 수 있는 복합적 역할을 인식하면 이런 경향을 뒤집을 기회가 생긴다. 우리가 19장에서 볼 텐데, 지역의 전통적 품종은 작물 생산 체계로 가축을 다시 통합시키는 과정에서 중요한 역할을 수행할 수 있다. 이는 지속가능한 먹을거리 체계를 창출하는 데 필요한 단계이다(그림15.12).

그림15.12 멕시코 유카탄 반도에서 멸종위기에 처한 지역에 적응된 닭 품종과 그 닭장. 학교의 아이들이 세페다Cepeda 마을의 학교 숲 텃밭 프로젝트의 일환으로 그 닭을 사육하고 홍보한다. 다수확의 현대 품종과 달리, 이 닭들은 방사되고 더운 마야의 저지대에 대한 저항성이 있으며, 최소한의 외부 투입재로도 생존할 수 있는 한편, 지역의 식사에 훌륭한 단백질 보완물을 제공한다. 

유전학과 지속가능성

산업형 농업의 추동력인 농기업들은 농업의 과정을 합리화하고, 가능하면 그들의 통제 아래에 모든 생산요소를 두고자 한다. 작물과 가축은 생산의 주요 요인이기 때문에, 그리고 그들의 게놈이 이와 관련하여 어떻게 기능할지를 결정하기 때문에, 농기업들은 충분히 합리적으로 유전학에 많은 관심을 기울였다. 산업형 모델의 농업이 공장과 같다면, 게놈을 조작하는 능력은 공장의 마스터 제어반에 접근하는 것과 같다. 이런 관점에서 볼 때, 유전체학은 재무부의 열쇠와 비슷한 무언가를 농식품 기업들에게 제공했다. 

이윤을 창출하고 생산에 대한 통제를 중앙집중화하는 유전학의 중요성을 인식한 농기업은 교잡 종자를 만들고 게놈을 조작할 수 있는 기술을 발전시키는 데 상당한 자원을 투자해 왔고, 이러한 기술의 노하우를 상품성 있는 제품과 패키지 및 서비스로 개발하는 데 적용하고자 적극적이다. 1996년 이후 유전자변형/유전공학 작물의 매우 신속하고 광범위한 채택은 유전체학이 산업형 모델에 얼마나 완벽히 들어맞는지에 대한 명백한 지표이다. 교잡 종자의 개발과 마케팅에 구체적인 전략을 취하며 한 걸은 더 나아간다. 

물론, 산업형 농업의 모든 농법과 접근법은 결과를 가져온다. 농업생물다양성의 침식 같은 그 결과의 일부는 이제는 대부분의 사람들이 알아차릴 수 있을 만큼 충분히 점진적인 영향을 미치고 있지만, 다른 사람들에게는 현재무시하기 어려운 문제를 일으키고 있다. 제초제 저항성과 Bt 유전자를 가진 유전공학 작물의 광범위한 사용이 후자의 범주에 있다. 글리포세이트에 대한 잡초의 저항성 증가와 Bt 독소에 대한 곤충의 저항성 증가는 오늘날 농민들에게 큰 골칫거리이다. 이것이 농기업이 이런 "제품"의 배치가 잘못이었음을 인지하고 있다는 걸 의미하는가? 글리포세이트 저항성과 Bt 작물을 처음으로 개발한 몬산토의 반응은 이것이 성급한 결론일 수 있음을 보여준다. 몬산토는 잡초의 글리포세이트 저항성을 극복하기 위해 설계된 운반 RNA라 부르는 새로운 유전공학 기술을 기반으로 한 신제품을 개발하고 있다. 더 많은 유전공학 기술로 유전공학 기술로 인한 문제를 해결하려고 시도한다는 건 놀랄 만한 일이 아니다. 산업형 모델이 지닌 가장 일관된 접근법이기 때문이다. 

농식품 기업의 성장하고 있는 권력과 산업형 농업으로 인해 발생하는 문제들을 관리할 수 있는 그들의 분명한 능력은 우리가 농업생물다양성을 보존하면서 직면하는 과제들을 강조한다. 농식품 기업들은 자신의 목적에 적합한 정도까지만 세계의 작물과 가축 품종에 존재하는 유전적 다양성에 관심이 있다. 이와 동시에 산업형 농업의 논리는 모든 수준에서 유전적 균일성을 향해 나아가도록 촉진하는데, 이는 불리한 방향으로 기후가 변화함에 따라 여유가 없는 인류에게 회복할 수 없는 유전적 정보가 지속적으로 상실되고 유전적 취약성이 증가한다는 걸 의미한다. 

산업형 농업이 농업생물다양성의 계속적인 상실을 수반한다면, 유일한 실제 해결책은 먹을거리 체계의 근본적 변화와 산업형 농업 모델에 대한 대안의 개발이다. 그동안 농업생물다양성 침식의 파도를 막으려는 노력은 시장 외부에 존재하는 조치 -정부와 비영리단체 및 농민 조직에 의해 자금을 지원받는 보존 프로젝트 같은- 와 전통적 체계의 보존과 먹을거리 체계의 한계지에 존재하는 대안 체계의 개발 등에 의존하고, 접근할 수 있는 농업생물다양성을 보존해야 할 것이다. 이들 노력이 당분간은 농기업이 창출한 이윤에 필적할 만한 수준의 지원을 받지는 못할 테지만, 농업은 다양성의 전체 범위가 그 길들여진 종들의 정도에 달려 있기에 그러한 노력들은 절대적으로 중요하다.

농민과 육종가들이 수천 년에 걸쳐 개발한 작물과 가축 품종의 놀라운 다양성은 그와 함께 자라는 야생 근연종과 비작물의 유익한 것들과 모두 인류의 자원이자 유산이다. 그것들은 공기와 물, 토양과 같은 공유재이며, 환경의 이러한 측면과 마찬가지로 사적인 이윤을 위해 전유되고 파괴될 위험에 처해 있다. 이러한 공유 유산의 더 많은 상실을 막기 위해서는 길들여진 종들이 본래 개발되었던 아래에 있는 공동선에 대한 책무, 책임감 및 주의와 똑같은 종류의 윤리가 필요하다(표15.3).

자원 또는 과정	지속가능성을 위한 이점
여러 토종과 개발된 품종의 형태에 있는 광범위한 유전적 기초	유전적 취약성의 감소; 유전적 변이를 지속적으로 생산
토종 안에서, 토종 사이의 가변적 유전자의 빈도	유전적 취약성의 감소
때때로 야생의 근연종에서 토종 안으로, 토종 사이의 유전자 유동	가변성 유지, 다양성 및 환경 저항성
지역적 적응의 다양성을 위한 선발	환경 저항성에서 지역적 탄력성을 유지
상대적으로 작은 개체군	유전적 부동으로 인한 다양성을 촉진
방임 수분 육종 체계	이종교배 촉진; 가변성 유지
더 긴 생활주기	이종교배 촉진
지방의, 군데군데 있는 분포	다양성 촉진
야생 근연종의 존재	자연스러운 교잡과 변이를 가져올 수 있음
지역의 육종	다양성과 적응력 촉진; 환경 저항성 유지
농장의 유연하고 다양한 환경 조건(예, 사이짓기)	가변적인 유전적 계통의 유지를 위한 미소지 제공
농업생태계의 높은 전반적 다양성	더 복잡한 상호의존성과 공진화의 상호작용과 개발을 허용

표15.3 지속가능한 농업에서 유전자원과 과정의 중요성   

출처: Salick, J. and Merrick, L.C., Use and maintenance of genetic resources: Crops and their wild relatives, in: Carroll, C.R., Vandermeer, J.H., and Rosset, P.M. (eds.), Agroecology, McGraw-Hill, New York, 1990, pp. 517–548. 에서 고침

생각거리

1. 자연 생태계에서 절대적 상리공생과 인간과 그들의 길들여진 유기체 사이의 관계에서 유사점과 차이점은 무엇인가? 

2. 지속가능성을 촉진하는 방식으로 직접 선발을 적용하는 것에 관해 개발도상국의 전통적 농사 체계로부터 우리는 무엇을 배울 수 있는가?

3. 농지의 상황과 격리된 거대하고 환경이 통제되는 생식질 은행에 주요 작물과 유전 물질을 저장하는 데에만 초점을 맞춘 생식질 보존 프로그램의 약점은 무엇인가?

4. 시장에서 하는 여러분의 개인적 선택이 농민들이 사용하는 유전 물질의 선발에 어떻게 압력을 가하는가?

5. 직접 선발 과정에서 "농업생태계 선발"이 의미하는 건 무엇인가?

6. "농민에서 농민으로" 또는 참여형 종자 갈무리와 교환의 이점은 무엇이고, 유전 물질에 대한 특허를 획득할 수있는 시점에 그걸 어떻게 홍보하고 보호할 수 있는가?

인터넷 자료

Biological Diversity in Food and Agriculture 

http://www.fao.org/biodiversity

The agrobiodiversity section of the United Nations’ Food and Agriculture Organization site. A portal to a great deal of information and data about agrobiodiversity. 

Center for Food Safety 

http://www.centerforfoodsafety.org

This organization’s site has a great deal of good information related to the hazards of GE crops. 

The E. O. Wilson Biodiversity Foundation 

http://www.eowilsonfoundation.org

A foundation with a mission to foster a knowing stewardship of our world through biodiversity research and educational initiatives that promote and inform worldwide preservation of our biological heritage. 

The International Treaty on Plant Genetic Resources for Food and Agriculture 

http://www.planttreaty.org

Access to the international treaty developed by the FAO of the United Nations to protect farmers’ rights and abilities in the production and maintenance of vast genetic resources for agriculture. 

Native Seeds/SEARCH 

http://www.nativeseeds.org

This organization works to preserve the many locally adapted plant varieties used by indigenous groups in the Americas.

People and Plants International 

http://www.peopleandplants.org

An organization devoted to sustainable resource management, and focused on the preservation of plant biodiversity and cultural diversity worldwide. 

Union of Concerned Scientists, genetic engineering section 

http://www.ucsusa.org/food_and_agriculture/our-failing-foodsystem/genetic-engineering/

A wealth of information and research on the risks of genetic engineering.

읽을거리

Bellwood, P. 2004. First Farmers: The Origins of Agricultural Societies. Blackwell Science: London, U.K. 

An archaeological perspective on the origins and history of agriculture and crop domestication. 

Brookfield, H. 2001. Exploring Agrodiversity. Columbia University Press: New York. 

An integrated overview of the concept of diversity in agriculture, focusing as much on the choice of crops as on the management of land, water, and biota as a whole. 

Brush, S. 2004. Farmer’s Bounty: Locating Diversity in the Contemporary World. Yale University Press: New Haven, CT. 

A thorough assessment of the present state of crop diversity worldwide, written from the standpoint of an anthropologist but with a wide scope that includes the work of ecologists, geneticists, and ethnobotanists. 

Doyle, J. 1985. Altered Harvest: Agriculture, Genetics, and the Fate of the World’s Food Supply. Viking Penguin: New York. 

A review of the social and economic factors that have switched the emphasis from genetic diversity to chemical inputs for increased production, while limiting access to seed for farmers of the world. 

FAO. 2010. The Second Report on the State of the World’s Plant Genetic Resources for Food and Agriculture. Food and Agriculture Organization of the United Nations: Rome, Italy. 

A very comprehensive report on the state of conservation, both in situ and ex situ, and the programs and needs of conservation efforts around the world. 

Fox, C. W., D. A. Roff, and D. J. Fairbairn (eds.). 2001. Evolutionary Ecology: Concepts and Case Studies. Oxford University Press: New York. 

A synthetic view of the field of evolutionary ecology, viewed as an integration of ecology and evolutionary biology.

Gaston, K. J. and J. I. Spicer. 2004. Biodiversity: An Introduction, 2nd edn. Blackwell Science: Malden, MA. 

An overview of what biodiversity is, its relevance to humanity and issues related to its conservation. 

Lammerts van Bueren, E. T. and J. R. Myers. 2011. Organic Crop Breeding. John Wiley & Sons: Hoboken, NJ. 

A thorough review of the latest efforts by crop breeders and geneticists to develop improved varieties for organic production. 

Maxted, N. 2012. Agrobiodiversity Conservation: Securing the Diversity of Crop Wild Relatives and Landraces. CABI: London, U.K. 

By focusing on agrobiodiversity conservation, this book considers the benefits of understanding and preserving crop wild relatives and landraces. It encompasses issues as wide ranging as habitat protection, ecosystem health and food security. 

National Academy of Sciences. 1972. Genetic Vulnerability of Major Crops. National Academy Press: Washington, DC. 

An early call for concern about the potential risks of narrowing the gene pool for our major crop varieties. 

Ridley, M. 2009. Evolution, 3rd edn. Blackwell Science: Malden, MA. 

A text that covers the history of evolutionary theory from its origins until present times. 

Schurman, R. A. and D. D. T. Kelso (eds.). 2003. Engineering Trouble: Biotechnology and Its Discontents. University of California Press: Berkeley, CA. 

With examples from agriculture, food, forestry, and pharmaceuticals, this book critically examines some of the most contested issues of GE organisms, including its social and political consequences. 

Silvertown, J. and D. Charlesworth. 2001. Introduction to Plant Population Ecology, 4th edn. Blackwell Science: Oxford, U.K. 

The fundamentals of plant genetics presented from a population ecology perspective. 

Simpson, B. B. and M. C. Ogorzaly. 2001. Economic Botany: Plants in Our World, 3rd edn. McGraw-Hill, Inc.: New York. 

A very complete and well-illustrated coverage of the useful plants of the world, including aspects of history, morphology, taxonomy, chemistry, and modern use.