[강석기의 과학카페] 식물 접붙이기의 비밀 풀렸다

픽사베이 제공 "약간의 과장을 섞어 이야기하자면 와인의 역사는 포도뿌리혹벌레 이전과 이후로 나뉜다."
- 로드 필립스

올해 들어 대형마트의 와인 매출이 급증했다고 한다. 코로나19로 집에서 술을 마시게 되면서 소주나 위스키 같은 증류주보다는 와인이나 맥주를 선호하기 때문이다. 그런데 맥주는 우리나라 사람들이 그렇게도 좋아하던 일본 맥주가 한일갈등으로 외면받으면서 주춤한 반면 와인은 5000원 미만의 초저가제품까지 등장하며 문턱을 확 낮췄다.

와인업계가 코로나19 덕을 톡톡히 보고 있지만 이들 역시 150년 전에 포도나무판 코로나19를 겪으며 자칫 산업이 붕괴될 위기를 겪었다. 와인용 포도나무에 치명적인 포도뿌리혹벌레가 창궐했기 때문이다. 캐나다 칼턴대 역사학과 교수이자 식음료문화역사연구소 소장인 로드 필립스는 지난 2000년 출간한 책 ‘도도한 알코올, 와인의 역사’에서 당시 상황을 자세히 소개하며 위의 문구로 요약했다. 지난봄 미국의 칼럼니스트 토머스 프리드먼은 “우리의 새로운 역사 구분은 B.C.(Before Corona, 코로나 이전)와 A.C.(After Corona, 코로나 이후)가 될 것이다”라고 썼는데 어쩌면 필립스의 문구를 패러디한 게 아닐까.

접붙이기가 와인 산업 살려

19세기 중후반 와인용 포도밭을 초토화시키며 세계 와인 산업을 붕괴 위기로 몰고 갔던 필록세라는 북미 종 포도나무를 대목으로 쓰는 방법이 개발되면서 기세가 꺾였다. 필록세라를 의인화한 1890년 풍자화. 위키피디아 제공 비티스속(Vitis) 식물들을 포도나무라고 부르지만 와인은 거의 유럽포도(학명 Vitis vinifera) 한 종(species)으로 만든다. 유럽포도의 품종(cultivar)에 따라 다양한 와인이 나오는 것이다. 그런데 19세기 중반 유럽에 식물학이 유행하며 외래 식물 수집 붐이 일었고 북미 자생종인 콩코드포도(학명 Vitis labrusca)가 들어올 때 포도뿌리혹벌레도 딸려왔다.

자연생태계에서 오랜 진화로 콩코드포도는 포도뿌리혹벌레에 내성을 지니고 있지만 이들을 처음 만난 유럽포도는 속수무책으로 당했다(혹멧돼지에게는 별 게 아닌 아프리카돼지열병바이러스에 돼지들이 당한 것처럼). 몸길이 1밀리미터인 노란색 진딧물인 포도뿌리혹벌레는 유럽포도의 뿌리를 공격해 수액을 빨아먹는다. 그 결과 뿌리에 혹이 생기고 수액 공급이 끊겨 포도나무가 말아 비틀어진다.

1863년 프랑스 남부에서 첫 감염 사례가 보고된 이래 프랑스 전역에 파죽지세로 퍼졌고 뒤이어 이탈리아, 스페인 등 주요 와인생산국을 덮치며 세계 와인 산업이 위기에 몰렸다. 1968년 프랑스 과학자 쥘 플랑숑은 이 진딧물이 원인임을 밝히고 필록세라 바스타트릭스라는 학명을 붙였다. 바스타트릭스(vastatrix)는 파괴자라는 뜻이다.

1870년 프랑스 정부는 2만 프랑(4년 뒤에는 15배인 30만 프랑(현재 가치로 약 60억 원)으로 올림)을 걸고 퇴치법을 공모했고 696가지 제안이 들어왔지만 이렇다 할 묘책은 없었다. 그 결과 한 해 생산량이 50억~60억 리터에서 30억 리터로 반토막이 났다.

풍전등화의 프랑스 와인 산업을 구원한 건 아이러니하게도 필록세라를 프랑스에 가져온 미국의 포도나무였다. 미국의 곤충학자 찰스 라일리는 미국 자생 포도나무가 필록세라에 저항성이 있다는 데 착안해 이를 대목(臺木: rootstock)으로 쓰고 유럽포도를 접수(接穗: scion)로 해 접붙이기를 하자는 의견을 냈다.

라일리와 플랑숑은 콩코드포도를 비롯해 몇몇 미국 자생종을 대목으로 써 접붙이기를 했다. 접붙이기가 효과가 있자 1881년 보르도에서 열린 국제회의에서 최선의 퇴치법으로 선택했다. 1900년 프랑스 포도밭의 3분의 2가 위는 유럽포도 아래는 북미 종 포도로 이뤄진 키메라 포도나무로 바뀌었다.

필립스는 책에서 “포도뿌리혹벌레의 창궐은 세계 와인 산업을 송두리째 뒤흔든 충격이었고 무분별한 동물・식물의 반입이 환경에 미치는 영향을 단적으로 보여주는 호된 교훈이었다. 접붙이기라는 대응책이 개발되지 않았더라면 비니페라 종은 자취를 감추었을지도 모른다.”라고 썼다. 오늘날 와인이 유럽과 북미를 넘어 세계인이 즐기고 있는 술이 된 건 접붙이기 덕분이라는 말이다.

한 개체에서 두 게놈의 장점 살려

접붙이기에서 대목(검은색)은 물과 영양분을 공급할 뿐 아니라 접수(회색)의 특성에 다양한 영향을 미칠 수 있다. 위 왼쪽부터 왜소화, 조생화(일찍 열매가 맺게 함), 생산성 증대이고 아래 왼쪽부터 과일 품질 개량, 병충해 저항성, 내한성 등 몇 가지 예를 보여준다. (제공 ‘식물과학 경향’) 3_접붙이기는 한자어 접목(接木)과는 달리 초본 작물에서도 널리 행해지고 있다. 영국 종묘회사 톰슨&모건은 토마토와 감자를 접붙인 톰테이토(TomTato. 사진)와 가지와 감자를 접붙인 에그앤칩스(Egg&Chips) 모종을 판매하고 있다. 이 키메라를 키우면 토마토(또는 가지)와 감자를 함께 수확할 수 있다. Thompson & Morgan 제공 인류는 1만여 년 전 농업을 시작한 이래 가축과 작물의 개량에 힘을 쏟았다. 가축은 우연히 얻은 돌연변이체나 교배를 통해 얻은 잡종에서 선별하는 방법뿐이지만 작물은 이외에도 접붙이기라는 놀라운 방법이 가능하다. 접붙이기는 기원을 알 수 없을 정도로 오래된 농업기술로(수천 년 전 중국에서 발명된 것으로 보인다) 작물 특히 과일나무의 개량에서 큰 역할을 했다.

식물은 기능에 따라 지상부와 지하부로 나뉜다. 지상부의 잎에서는 광합성으로 포도당 같은 유기물을 만들어 가지와 줄기를 통해 지하부로 전달하고 지하부는 뿌리를 뻗어 물과 영양분을 흡수해 지상부로 전달한다. 접붙이기는 한 개체의 지상부와 다른 개체의 지하부를 연결해 하나의 개체로 만드는 방법이다.

접붙이기에서 지하부(대목)는 단순히 물과 영양분만을 공급하는 게 아니다. 포도나무의 예에서 볼 수 있듯이 병해충 저항성이나 가뭄이나 홍수 같은 환경 스트레스에 대한 저항성도 갖게 한다. 또 지상부(접수)의 성장 패턴이나 열매 특성에도 영향을 미친다. 호르몬과 RNA, 단백질 같은 다양한 생체분자도 이동한다는 말이다.

예를 들어 사과에서 M27 사과나무를 대목으로 쓰면 접수가 접붙이기를 하지 않았을 때 크기의 30%밖에 자라지 않아 정원 관상용으로 적합하다. 반면 MM111 사과나무를 대목으로 쓰면 같은 품종의 접수라도 크기가 90%까지 자라 과수원용으로 맞다. 대목만 잘 고르면 교배를 통해 게놈을 뒤섞지 않고도 바라는 특성을 지니게 할 수 있다는 말이다.

사실 대목(臺木)이라는 한자어는 접붙이기가 목본식물에서만 가능하다는 오해를 불러일으킬 수도 있어 다소 부적절한 용어다. 접붙이기는 초본식물에서도 널리 행해지고 있고 실제 우리나라와 일본에서는 주로 가짓과(토마토, 가지, 고추)와 박과(수박, 멜론) 작물에서 10억 회가 넘는 접붙이기가 이뤄지고 있다.

접붙이기는 일종의 상처치유 과정이다. 절단된 줄기 또는 가지의 두 단면이 닿으면서 접합 부위가 달라붙고 위와 아래의 물관과 체관이 연결돼 제 기능을 할 수 있어야 한다. 이 과정에 옥신 같은 호르몬과 다양한 효소가 관여하는 것으로 보이는데 아직 제대로 규명하지 못한 상태다.
한편 아무 식물에서나 접붙이기가 되는 건 아니다. 접붙이기가 가능하면 친화성, 불가능하면 불친화성이라고 부르는데, 유전적으로 가까울수록 친화성일 확률이 높다. 같은 종 사이가 다른 종 사이보다 높고 같은 과 사이가 다른 과 사이보다 높다. 어찌 보면 장기이식의 면역반응과 비슷하지만 꼭 그렇지도 않다. 식물에 따라 친화성 범위가 천차만별이기 때문이다. 예를 들어 가짓과 식물들은 심지어 다른 과의 식물들과도 종종 접붙이기가 되지만 외떡잎식물은 같은 종끼리도 접붙이기가 안 된다.

셀룰로스 분해하는 효소가 핵심

접붙이기는 한자어 접목(接木)과는 달리 초본 작물에서도 널리 행해지고 있다. 영국 종묘회사 톰슨&모건은 토마토와 감자를 접붙인 톰테이토(TomTato. 사진)와 가지와 감자를 접붙인 에그앤칩스(Egg&Chips) 모종을 판매하고 있다. 이 키메라를 키우면 토마토(또는 가지)와 감자를 함께 수확할 수 있다. Thompson & Morgan 제공 학술지 ‘사이언스’ 8월 7일자에는 접붙이기 친화성에서 핵심적인 역할을 하는 효소의 실체를 밝혔다는 일본 나고야대 연구자들의 논문이 실렸다. 앞서 말했듯이 가짓과 식물들은 접붙이기 친화성이 큰데 특히 담배(이하 식물을 뜻한다)가 유별나다. 예를 들어 대목으로 국화(국화과)를 쓰고 접수로 각각 국화, 대두(콩과), 담배(가짓과)를 써서 키메라를 만들면 국화/국화, 담배/국화의 접수는 사는 반면 대두/국화의 접수는 죽는다.

연구자들은 담배의 친화성 범위를 알아보려고 속씨식물 42과 84종과 접붙이기를 시도했고 그 결과 무려 38과 73종과 가능하다는 사실을 발견했다. 이 가운데는 옥수수 같은 외떡잎식물도 5종 포함됐다. 같은 종끼리도 접붙이기가 안 되는 외떡잎식물까지 키메라 파트너로 삼는 담배의 친화성 비밀은 무엇일까.

연구자들은 담배/애기장대(친화성), 대두/애기장대(불친화성)의 접붙인 부분의 유전자 발현을 비교분석한 결과 담배/애기장대에서 발현이 높은 담배 유전자들을 찾았고 이 가운데 셀룰라아제 유전자에 주목했다. 셀룰라아제는 세포벽을 이루는 고분자 섬유인 셀룰로스를 구성단위(포도당 분자)로 분해하는 효소다.

담배/애기장대에서는 접붙이기를 한 뒤 담배의 셀룰라아제 유전자 발현이 크게 늘어난 반면 대두/애기장대에서는 증가 폭이 작았다. 한편 담배 셀룰라아제의 유전자 발현을 억제한 담배/애기장대에서는 접붙이기 성공률이 억제하지 않았을 때 50%에서 10%로 뚝 떨어졌다.

다만 담배의 셀룰라아제가 어떻게 작용해 접붙이기가 성공하게 도와주는지는 아직 모른다. 두 가지 가능성을 생각해볼 수 있는데 먼저 절단 부위의 세포벽 셀룰로스를 분해해 접촉면에서 셀룰로스 섬유가 다시 형성될 수 있는 상태를 만들어주는 역할을 하는 것일 수 있다. 접착제를 바르고 열을 가해 녹인 뒤 붙이면 더 단단하게 붙는 것과 비슷한 원리다.

다음으로 셀룰라아제가 세포벽의 셀룰로스를 분해하면 식물이 이를 감지해 위기 신호를 보내고 그 결과 세포벽 복구 시스템이 작동하며 대목과 접수가 단단히 붙는다는 시나리오다. 추가 연구를 통해 정확한 메커니즘이 밝혀지기를 바란다.

친화성 큰 식물이 어댑터 역할 해

가짓과 식물인 담배는 접붙이기 친화성이 유난히 커 다른 과의 식물과도 종종 접붙이기가 가능하다. 대목으로 국화(Cm)를 쓰고 접수로 각각 국화와 대두(Gm), 담배(Nb)를 써 접붙이기를 하고 4주 뒤 모습이다(왼쪽부터). 대목과 같은 과(같은 종)인 국화는 살았지만 다른 과인 대두는 죽었다. 친화성이 큰 담배는 다른 과임에도 살아남았다. 사이언스 제공

연구자들은 담배의 높은 친화성을 이용해 서로 불친화성인 식물 사이에 접붙이기가 가능할지 알아봤다. 담배 줄기를 두 식물 사이에 끼워(사이접수) 3종으로 이뤄진 키메라를 만드는 것이다.

예를 들어 토마토와 국화는 서로 접붙이기 불친화성이지만 각각은 담배와 접붙이기가 된다. 그렇다면 토마토를 접수로 담배를 사이접수로 국화를 대목으로 쓰면 접붙이기가 가능하지 않을까. 실제 실험을 해보니 토마토와 담배, 국화를 붙인 키메라 식물이 살아남아 자라 열매(토마토)가 열렸다.

연구자들은 이 방법이 작물 접붙이기의 가능한 조합 수를 크게 늘릴 수 있다고 내다봤다. 기후변화로 병충해와 자연재해가 빈번해지는 상태에서 늘어나는 지구촌 인구를 먹여 살리기 위해 식량 생산량을 증대해야 하는 난관을 극복하는데 접붙이기가 큰 도움을 줄 수 있을 거란 말이다. 특히 인류가 섭취하는 칼로리의 3분의 2를 공급하는 외떡잎식물(벼, 밀, 옥수수 등) 사이에서 접붙이기가 가능한 방법을 찾는다면 제2의 녹색혁명이 일어날지도 모른다. 게다가 접붙이기는 유전자 차원에서 개입하는 게 아니라서 GMO 논쟁에서도 자유롭다.

연구자들은 접붙이기를 위해서라도 대목이나 접수로 쓸 잠재력이 있는 야생 식물들을 보존하는 데 노력을 더 기울여야 한다고 덧붙였다. 수천 년 전 농부들이 발명한 기술(물론 자연상태에서도 식물 사이에 종종 접붙이기가 일어나지만)이 21세기에 새삼 주목을 받으며 과학자들의 본격적인 도전을 기다리고 있다.

서로 불친화성인 두 식물도 친화성이 큰 식물을 사이접수(interscion)로 쓰면 접붙이기가 가능하다. 사진을 보면 토마토 접수와 국화(Cm) 대목 사이에 담배(Nb) 줄기가 사이접수로 쓰였고(노란 화살표로 경계표시) 그 결과 접붙이기에 성공해 토마토가 열렸다. 사이어스 제공 ※필자소개
강석기.  LG생활건강연구소에서 연구원으로 일했다. 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 활동하고 있다. 직접 쓴 책으로 《강석기의 과학카페(1~8권)》,《생명과학의 기원을 찾아서》가 있다. 번역서로는 《반물질》, 《가슴이야기》, 《프루프: 술의 과학》을 썼다.

[강석기 과학 칼럼니스트 [email protected]]