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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. 

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. 

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. 

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."

https://phys.org/news/2020-04-soil-microbes-resist-disease.html

예산에 볼일이 있어 갔다가 마침 근처에 황새 복원센터가 있어 잠시 들렀다.

조성된 지 얼마 되지 않아 그런지 큰 나무가 별로 없어서 뙤약볕에 휘청했다. 

그래도 날씨는 좋네.

건물 안에는 황새에 대해 간략한 정보를 얻을 수 있는 전시관이 마련되어 있다.

전 세계 곳곳에 황새의 친척들이 존재한다는 걸 알았다. 일단 기본적으로 습지가 있는 곳이라면 황새가 살 수 있나 보다.

논도 하나의 습지이기에 황새들이 서식하기 좋은 환경 가운데 하나이겠다. 물론 과거 농약과 비료가 과다하게 사용되지 않고, 농수로와 둠벙이 살아 있던 조건이었다면 더욱 좋았겠다. 

왜 벼농사의 사람들은 황새를 길조로 여겼을까? 제비와 같은 존재였던 것일까?

황새는 서해 쪽 여기저기에서 활동하지만, 번식은 특정 지역에서만 했다는 걸 볼 수 있다. 주로 경기-충청 접경지와 황해도, 그리고 함경도의 동해 쪽이다. 왜일까? 궁금하다. 언제 연구자를 만나면 묻고 싶다. 

황새의 비행 원리를 설명해주고 있다. 낮에 햇빛에 뜨거워진 기류가 상승하면 그걸 타고 하늘로 날아오른다고 한다. 그리고 바람을 타고 멀리 가는 것이다. 그 큰 덩치를 온전히 날개의 힘만으로 날아가려면 엄청난 에너지가 소모될 테니 바람을 이용하는 것이겠지?

황새의 생활주기는 아래와 같다. 모내기가 끝나고 벼가 자랄 무렵에 새끼를 키우는 걸 알 수 있다. 그래 벼농사의주기와 황새의 번식 주기가 묘하게 일치한다. 

황새는 철새이다. 예전엔 사계절 머물러 있는 텃새였다고 한다. 하지만 현재는 해외에서 날아오는 철새이다. 그래서 황새를 복원하려고 노력하는 것이겠다. 

복원센터 한쪽에 마련되어 있는 사육장에서 황새를 직접 볼 수도 있다. 

마지막으로 나는 이런 황새랑 쌀을 사서 더 좋았다. 자연과 공존하며 생산되는 농산물이다. 이런 농산물을 자꾸 소비해 주어야 황새만이 아니라 다른 동물들도 우리와 함께 살아갈 수 있다. 생산에 방해가 된다고 배제하고 없앨 것이 아니라, 어떻게 하면 그들과 공생하며 살 수 있을지 고민하고 실천해야 한다. 거기에 내가 할 수 있는 이러한 소비 행위이다. 

마지막으로 인터넷에서 사진 하나를 보았다. 

여긴 어디? 또 저 황새들은 누구인가? 

시에라 믹스 지역의 실험용 옥수수밭을 살펴보는 공동 저자 Javier Lopez 씨.

멕시코에서 공기 중의 질소를 고정하는 토종 옥수수가 발견되었답니다. 100년 이상 재배된 것으로 추정되는 이 토종 옥수수가 지닌 특성을 미국의  연구진이 규명했다네요. 다비성 작물로 알려진 옥수수에게 이런 능력이 있다니, 놀랍네요.

미국 위스콘신 대학의 앨런 반 데인즈Allen Van Deynze 씨 외의 연구진은 최근 발표한 논문에서, 멕시코 시에라믹스Sierra Mixe 지역의 한 외딴 마을에서 재배되는 토종 옥수수가 발뿌리에서 끈끈한 점액질을 분비해 공기 중의 질소를 고정시킨다는 사실을 밝혔다고 합니다. 옥수수의 조상이라 하는 테오신트에서 진화해 온 이 옥수수는 아마도 양분이 부족한 환경에서 자라다 보니 그런 특성이 발달했을 것이라 추정한답니다. 연구진은 이 토종 옥수수가 생육에 필요한 질소의 약 30~80% 공기 중에서 흡수한다고 이야기합니다.  

연구진은 10년 전 이 토종 옥수수를 처음 발견한 뒤 최근까지 연구를 진행했습니다. 논문에 의하면, 이 옥수수는 최대 5ｍ까지도 자라며, 파종을 하고 3개월이 지나면 줄기의 마디에서 손가락처럼 가는 발뿌리가 뻗어 나옵니다. 그리고 이 뿌리의 끝부분에서 점액질이 분비되는데, 여기에는 많은 당분이 포함되어 미생물이 서식하기 좋은 환경이 조성된다네요. 그리고 이 점액질에 공생하는 미생물들이 공기 중에 있는 질소를 고정시켜 옥수수가 이용하기 좋은 형태로 변형시킨다는 것입니다.

그러니까 수수나 옥수수, 사탕수수는 줄기를 쭉쭉 빨면 달달한 물이 나오지 않습니까? 그걸 발뿌리를 통해 점액질의 액체로 내보내 미생물에게 먹이를 제공하고,  그 대가로 양분을 공급받는 원리라고 할 수 있겠네요.

그러나, 이 옥수수 품종은 열매가 커다랗게 달리지는 않는 것 같습니다. 여러 갈래의 길 중 척박한 환경에서 스스로 살아남는 법을 발달시키는 쪽으로 진화했지 열매를 커다랗게 맺는 쪽으로 가지는 않았나 봅니다.

하지만 이렇게 척박한 환경에서도 살아남는 방법을, 다른 열매가 크게 달리는 품종과의 교배 육종 등을 통해 전해주게 된다면 옥수수 농사에 큰 변화가 일어날 것임이 틀림없습니다. 언젠가 그런 날이 올 수도 있고, 실패할 수도 있겠지요. 아무튼 재미납니다.

레오나르도 다빈치가 이런 이야기를 했다고 합니다. "우린 발 아래 흙에 관해 아는 것보다 천체의 움직임에 관해 아는 게 더 많다." 그리고 현대의 토양학자들은 여전히 그러하다고 이야기한답니다. 흙을 알아야 농사가 사는데 말이죠. 

흙은 인간을 기릅니다. 흙에서 자란 식물과 그에 의존하며 사는 가축을 먹고 사니까요. 그런데 건강한 흙은 이렇게 인간의 건강과 연결될 뿐만 아니라, 토양침식을 막으며 기후변화의 영향도 완화시킬 수 있습니다.

먼저, 토양을 건강하게 하면 음식을 통해 인간의 건강을 개선시킵니다. 덮개작물 -녹비로 알려져 있죠- 은 토양을 비옥하게 하고자 땅이 놀 때 농민들이 심는 작물입니다. 예를 들어, 농민이 콩을 수확한 뒤 땅을 그대로 비워두기보다는 토끼풀을 심기로 하는 식이죠. 그렇게 땅이 놀 때 덮개작물을 심어 놓으면 그냥 놀릴 때보다 흙과 상호작용을 하고, 뿌리를 통해 영양분을 교환하며 비옥하게 만듭니다. 그렇게 되면 비료 없이도 농사가 잘 되고, 또 잡초도 적어져 농약 같은 것도 덜 써도 되지요. 외국에서는 사슴이나 먹는다고 하여 buckwheat이라 불리는 메밀도 아주 좋은 덮개작물입니다. 이걸 심으면 나중에 수확해서 국수나 묵 같은 건강식을 만들어 먹어도 되겠지요.

다음으로, 토양침식은 건강한 흙에서는 줄어들 수밖에 없습니다. 흙속의 미생물들이 활발히 활동하면 이것이 풀처럼 작용해 흙이 떼알구조를 이루도록 돕지요. 그렇지 않으면 흙이 밀가루처럼 풀풀 날려 버릴 겁니다. 그런 흙은 당연히 비바람에 침식이 훨씬 심하겠지요. 그런데 농약을 너무 치면 흙속의 복잡하고 미묘한 관계를 형성하며 살고 있는 미생물들이 죽어 사라지게 됩니다. 그러면 흙의 떼알구조도 무너지고 밀가루 같은 흙이 되어 버리는 것이지요. 떼알구조의 흙은 물을 잘 머금고 있으면서도, 또 물이 너무 많으면 그건 배수해 버리는 특징도 있습니다. 그래서 가뭄에도 작물들이 가뭄을 덜 타고, 비가 너무 많이 와도 침수 피해를 덜 받아 농사에 아주 좋답니다. 이런 건강한 흙이 여러 이유로 그 건강을 잃고 침식되기 시작하면 악순환의 고리에 빠져 계속해서 나빠지게 되지요. 사람이나 흙이나 건강할 때 건강을 잘 지키고 볼 일입니다.   

마지막으로, 덮개작물이나 목초 등을 활용해 흙을 건강하게 함으로써 기후변화의 영향도 완화시킬 수 있지요. 덮개작물이나 목초를 심으면 그들이 흙에 뿌리를 박고 살면서 기후변화의 원인이 된다는 대기 중의 이산화탄소를 변환시킵니다. 뭐 그 양이 얼마나 되고 얼마나 효과가 있는지에 대해서는 저도 잘 아는 바는 아니지만, 어쨌든 미약하나마 기후변화를 줄이는 데 일조하지 않겠습니까. 이렇게 덮개작물이나 목초 같은 걸 심으면 흙만 건강해지는 게 아니라 그걸 이용해 가축을 잘 키울 수도 있겠죠. 요즘 겨울에 사료작물을 심으라고 농진청에서 엄청 권고하더만요. 현장에서 얼마나 실천될지는 모르겠습니다만. 

자, 농사를 잘 지으려면 흙이 건강해야 합니다. 그리고 흙이 건강하려면 덮개작물 같은 걸 잘 활용해야 합니다. 그러니 농진청에서 권고하는 사안을 받아들여서 한번 속는 셈 치고 따라해 봅시다. 이러저러한 덮개작물이 많은데 어떤 것이 필요할지 고객상담센터에 전화해서 귀찮게 묻고 따지고 그래 봅시다. 농사도 잘 짓고, 인간도 건강하게 하고, 지구를 살리는 일은 그리 어렵지 않을지도 모릅니다. 

David Attenborough 경은 자신의 알을 졸참나무의 방호층 안에 낳는 이상하고 놀라운 말벌의 생명 주기를 밀착하여 관찰한다. BBC 동물과 야생생물의 빛나는 영상은 '숲의 생명'을 보여준다.