다음 연구를 통해 우리는 자연 경관이 싸그리 사라진 농경지에서 해충이 더 극성을 부리고, 그것이 곧 농업 생산에도 지대한 영향을 미친다는 사실을 확인할 수 있습니다.
풀과 나무, 함부로 죽이고 베어내지 맙시다요. 소탐대실입니다.
요약
커지는 농산물 수요를 충족시키고자 계속해서 농업 체계가 강화되었다. 그러나 더 크고, 더욱 연결된 농경지와 자연지역의 상실이 해충의 압력을 악화시킨다는 우려가 높아지고 있는데, 아직까지는 결정적 결론이 나지 않았다. 해충의 압력이 증가하는 게 살충제 사용과 작물 수확량의 감소 등의 측정 가능한 영향을 농민에게 미치는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 373곳의 목화밭에서 5번의 영농철 동안 2-3일마다 샘플을 채취한 광범위한 시공간 자료를 사용해, 우리는 자연지역이 거의 없는(10% 미만) 경관에 둘러싸인 더 큰 규모의 목화밭에서 해충이 더 일찍 이주하고, 더 많이 발생했음을 입증했다. 해충이 더 일찍 이주함에 따라 영농철마다 더 일찍, 더 많은 양의 농약을 살포하는 걸로 이어졌다. 중요한 건, 이러한 강화된 경관에서 작물 수확량이 가장 낮았다는 것이다. 우리의 결과를 토대로 농경지의 크기를 줄이고 주변 경관의 자연식생을 유지함으로써 관행농업에서 환경을 보전하고 생산 목표를 달성할 수 있음이 입증된다.
네팔 Lalitpur 지역의 모내기철. 세계 인구의 절반이 벼, 옥수수, 밀에 의존한다. 사진: Prabin Ranabhat/Sopa/Rex/Shutterstock
국제 보고서에 의하면, 세계 식물 종의 2/5가 자연계의 파괴로 인해 멸종위기에 처해 있다.
식물과 균류는 지구의 생명들을 뒷받침하는데, 과학자들은 현재 그 종들이 사라지기 전에 한시라도 빨리 종을 찾아서 식별하고 있다고 한다.
이들 미확인 종 및 이미 기록된 여러 종은 인류의 가장 큰 과제의 대부분을 해결할 수 있는 먹을거리, 의약품, 생물연료가 되는 “보물상자”이며, 거기에는 코로나 바이러스와 기타 전염병의 치료제가 포함될 가능성이 있다고 한다.
2019년 4,000종 이상의 식물과 균류가 발견되었다. 여기에는 양파와 마늘과 같은 과인 유럽과 중국의 파속 식물(Allium) 6종, 캘리포니아의 시금치 근연종 10종, 그리고 기후위기 시대에 8억 명이 주식으로 삼아 미래에 도움이 될 수 있는 카사바 야생종 2종이 포함되어 있다.
새로운 약용 식물에는 근연종이 염증을 치료할 수 있는 텍사스의 에렌지움(sea holly) 종, 티벳의 항말라리아성 아르테미사Artemisa 종, 세 가지 품종의 달맞이꽃이 포함되었다.
영국 큐Kew 왕립 식물원의 과학 책임자인 교수 Alexandre Antonelli 씨는 “우린 -모든 생명이 의존하는- 식물과 균류 없이는 생존할 수 없다. 이제 보물상자를 열 때이다”라고 말했다. 큐 왕립 식물원은 42개국에서 온 210명의 과학자가 참여한보고서를 주도했다.
Antonelli 씨는 “한 종을 잃을 때마다 인류는 기회를 잃게 된다. 우린 종들을 찾아서 이름을 붙이는 것보다 더 빨리 그들을 잃고 있기에 시간과의 싸움에서 지고 있다.”고 했다.
연구진은 국제 절멸위기 보호연맹(International Union for Conservation of Nature’sRed List)에 기반해 멸종위기에 처한 종의 비율을 평가했다. 하지만 알려진 식물 35만 종 가운데 극히 일부만 평가되었기에, 과학자들은 일부 지역의 부족한 현지조사 같은 자료의 편향을 조정하고자 통계 기법을 이용했다.
또한 그들은 거의 알려지지 않은 지역을 평가하고자 인공지능을 이용했다. “현재 우린 최대 90%까지 정확한 인공지능 접근법을 가지고 있다”고 큐 왕립 식물원의 선임 연구 책임자인 Eimear Nic Lughadha 씨는 말했다. “ ‘이 지역에는 아직 평가되지 않았지만 거의 확실히 위협에 처한 종들이 많다’고 하기에 충분하다.”
In 2019, Nic Lughadha reported that571 species hadbeen wiped outsince 1750, although the true number was likely to be much higher.
The2016 State of Plants report found one in fivewere threatened, but the new analysis reveals the real risk to be much higher. The main cause of plant losses is the destruction of wild habitat to create farmland. Overharvesting of wild plants, building, invasive species, pollution and, increasingly, the climate crisis are also important causes of losses.
Billions of people rely on herbal medicines as their primary source of healthcare, but the report found that 723 species used as treatments are threatened with extinction. These include a type of red angel’s trumpet in South America used for circulatory disorders that is now extinct in the wild and an Indian pitcher plant traditionally used for skin diseases.
나이지리아에서 한 여성이 카사바를 잘라 나눠주고, 다른 여성들은 이를 두둑에 심는 모습. 사진: Stefan Heunis/AFP/Getty
“Only 7% of [known] plants have documented uses as medicines and therefore the world’s plants and fungi remain largely untapped as potential sources of new medicines,” said Melanie-Jayne Howes, a research leader at RBG Kew. “So it is absolutely critical that we better protect biodiversity so we are better prepared for emerging challenges to our planet and our health.”
Prof Monique Simmons, who researches the uses of plants and fungi at RBG Kew, said nature was a key place to look for treatments for coronaviruses and other diseases with pandemic potential: “I am absolutely sure going forward that some of the leads for the next generation of drugs in this area will come from plants and fungi.”
The report also highlighted the very small number of plant species that humanity depends on for food. This makes supplies vulnerable to changes in climate and new diseases, especially with the world’s population expected to rise to 10 billion by 2050. Half the world’s people depend on rice, maize and wheat and just 15 plants provide 90% of all calories.
“The good news is that we have over 7,000 edible plant species that we could use in the future to really secure our food system,” said Tiziana Ulian, a senior research leader at RBG Kew.
These species are all nutritious, robust, at low risk of extinction, and have a history of being used as local foods, but just 6% are grown at significant scale.
Potential future foods include the morama bean, a drought-tolerant South African legume that tastes like cashew nuts when roasted, and a species of pandan fruit that grows from Hawaii to the Philippines.
Stefano Padulosi, a former senior scientist at the Alliance ofBiodiversityInternational, said: “The thousands of neglected plant species are the lifeline to millions of people on Earth tormented by unprecedented climate change, pervasive food and nutrition insecurity, and [poverty].
“Harnessing this basket of untapped resources for making food production systems more diverse and resilient to change should be our moral duty.”
The report also found the current levels of beekeeping in cities such as London was threatening wild bees, as there was insufficient nectar and pollen available to support beehive numbers and honeybees were outcompeting wild bees.
"대관령 지역에서 구한 인류세 이전 토양 생성률은 평균 0.05 [mm yr-1]인데, 토지 이용이 집약적인 농경지의 토양 유실률은 생성률에 비해 60배나 높다. 이러한 속도라면 대하천 상류지역 농경지의 표토는 불과 수십 년 안에 사라질 것으로 전망된다.
만약 현재와 같은 토양 유실이 계속 진행된다면 농업생산비는 더욱 상승하여 현재의 농경 방식은 유지되기 어려울 것이며, 토양으로 피복된 사면이 암석으로 노출된 경관으로 전환되어 이전 상태로 복원되기 힘들어진다. 따라서 토양 보전을 중심으로 한 토양 유실 방지책이 수립되어야 하며, 토양의 생성과정 및 토양 생성률 조사와 함께 토양 복원이 지역의 농산물에 미치는 영향에 대해 연구해야 한다."
언제 자리를 마련해서 토양 유실을 막을 수 있는 방안에 대한 이야기를 들으면 참 좋겠습니다.
토양 미생물은 식물이 질병에 저항하도록 돕는 일 말고도 성장을 촉진하기도 한다. 오른쪽의 두 화분은 서로 다른 이로운 균류가 들어 있고, 가장 왼쪽의 화분은 아무 균류도 없다.
식물은 질병이 발생하면 자가격리를 할 수 없지만, 친구의 도움을 받을 수는 있다. 이로운 토양 미생물이 여러 질병을 예방하는 데 도움이 되기 때문이다. 미국 텍사스 A&M AgriLife의 과학자들은 옥수수가 병원균을 방어하는 데 이로운 균류가 어떻게 도움을 주는지 밝혔다.
그 결과가 The Plant Cell 1월호에 발표되었다. 연구를 주도한 것은 텍사스 A&M 대학 농생명과학의 식물병리학 및 미생물학 박사 Michael Kolomiets 씨이다. 연구비는 미국 농무부 국립 식량농업원(National Institute for Food and Agriculture)에서 제공했다. 결과적으로, 식물 면역의 신비한 측면을 밝히고 더 생산적인 곡식 작물의 연구를 가능하게 한다.
신중히 작물을 선발, 육종하면 수확량과 내성, 질병 저항성이 높아져 전 세계의 작물이 크게 개량된다. 하지만 Kolomiets 씨는 오늘날 유전자 선발만으로는 작물의 생산성을 크게 개선시키기 힘들다고 한다.
그는 "현재 가장 중요한 다음 전략으로 여겨지는 건 우리가 '갈색 혁명'이라 부르는 것입니다. 토양에 서식하는 이로운 미생물에게서 도움을 받을 수 있어요."라고 한다.
토양 미생물은 '침투성 저항성'을 유발한다
토양 미생물은 놀라운 방식으로 식물에 영향을 미친다. 예를 들어, 식물이 질병과 싸우면 성장이 둔화된다. 하지만 식물의 뿌리에 이로운 균류가 있으면 정상적으로 성장하면서 질병과 맞설 수 있다.
페트리에 배양된 토양 균류 트리코데르마.
이들 토양 미생물은 식물을 질병에서 보호하는 특별한 역할을 한다. 토양 미생물이 존재하면 식물은 광범위한 병원균으로부터 면역력을 높이는 "유도된 침투성 저항성(Induced systemic resistance)"이라 부르는 걸 받는다.
Kolomiets 씨는 "병원균에 저항성을 가진 작물을 설계할 때, 우린 보통 각각의 특정한 균주나 병원균 집단에 대한 저항성을 식별해야 합니다."라고 한다. "유도된 침투성 저항성은 다양한 병원균에 효과적이기에 훨씬 좋은 전략이죠."
이러한 이유로 식물과 미생물의 상승 효과를 이해하면 작물의 건강과 수확량을 향상시킬 수 있는 가능성이 있다.
미생물은 정확히 어떤 일을 하는가?
과학자들은 미생물이 식물에 미치는 영향이 재스몬산이라 부르는 식물 호르몬과 관련되어 있다는 걸 알고 있었지만, Kolomiets 씨에게 그 그림은 이치에 맞지 않았다. 호르몬은 방어력을 높이는 반면 성장을 늦춘다. 이 때문에 식물은 식물의 조직에 이 호르몬이 지속적으로 존재하면 성장에 불리해지기에 스트레스를 감지하는 짧은 시간 동안에만 재스몬산을 생산한다.
그는 식물이 생존하는 동안 뿌리에 상주하는 이로운 균류가 식물이 늘 재스몬산을 생산하게 하는데, "균류가 어떻게 식물의 성장도 촉진하는지 늘 궁금했습니다. 이해가 되지 않았죠."라고 한다.
재스몬산의 화학 구조
수액에 관한 모든 것
균류가 있든 없든, 옥수수 내부에서 무슨 일이 일어나는지 확인하기 위해 연구진은 뿌리에 트리코데르마균이 있는 옥수수에서 수액을 채취했다. 그 다음 연구진은 이 "강력한" 수액을 트리코데르마균과 접촉하지 않은 옥수수에 주입했다.
또한 연구진은 이전 연구에서 발견된 두 가지 이상의 옥수수 품종으로 이 실험을 반복했다. 첫번째 품종은 트리코데르마균이 없어도 자연적으로 더 강한 면역력을 가지고 있었다. 이와 반대로 두번째 품종은 면역력이 약했다. 마지막으로 연구진은 이전에 발견된 두 가지 트리코데르마균의 돌연변이로 실험을 반복했다. 한 돌연변이는 옥수수의 면역력을 향상시키지 못했고, 다른 하나는 야생형 조상보다 더 높은 수준의 면역력을 유도했다.
면역력이 강한 식물에서 채취한 수액을 면역력이 정상 또는 약한 식물에 주입한 모든 사례에서 수액은 백신과 유사하게 작용해 면역력이 약한 식물이 질병에 저항성을 갖도록 만들었다. 그리고 면역력이 약한 식물의 수액이 향상된 식물에 주입되면 면역력이 약해졌다.
부분의 합과 다른 물질
다음으로, 연구진은 각각의 실험에서 식물 내의 완전한 대사 산물들을 분석했다. 최종 분석에서, 두 가지 화합물이 트리코데르마균의 효과를 해명했다. 12-OPDA라는 한 화합물은 재스몬산과 친숙한 구성요소이다. 그러나 재스몬산과 달리 이 화합물은 식물의 성장을 방해하지 않는 듯하다.
12-OPDA의 화학 구조
또한, 분석 결과 트리코르데마균은 식물이 12-OPDA를 생산하도록 장려하고 12-OPDA를 활용하며 재스몬산을 만들지 않도록 하는 화학 신호를 보낸다는 것이 밝혀졌다.
Kolomiets 씨는 "사람들은 이러한 다단계의 경로를 단일한 사건이라 생각합니다. 하지만 중간 과정이 마지막 결과만큼 중요하단 사실이 밝혀졌습니다."라고 한다. 그 결과는 더 튼튼한 식물을 육종하려는 식물 육종가들이 이러한 중간 과정이 변경된 옥수수 품종을 구할 수 있단 것을 시사한다.
옥수수와 미생물이 함께 더 잘 작용할 수 있는가?
연구진의 목표 가운데 하나는 현재 이용되는 트리코르데마균보다 훨씬 더 유용한 자연적 변형을 찾는 일이다. Kolomiets 씨는 "자연에는 광범위한 다양성이 있으며, 우린 그 다양성을 이용해야 합니다."라고 한다.
또한 Kolomiets 씨는 연구진이 "이러한 이로운 미생물과 더 잘 상호작용하는 옥수수 품종을 찾을 수 있습니다."라고 한다. "우리가 그들이 어떻게 작용하는지만 안다면, 미생물에게 더 나은 옥수수를 생산하고 옥수수에게는 더 나은 미생물을 생산할 수 있어서 현장에 더 건강한 옥수수를 내놓게 됩니다."
