콩, 애벌레에 공습을 요청하는 면역 수용체를 가지고 있다

수십 년 동안 과학자들은 식물이 휘발성 유기 화합물, 즉 공기 중 화학 신호를 방출하여 애벌레 같은 자신을 먹는 것들의 천적을 부를 수 있다는 것을 알고 있었다. 그들이 몰랐던 것은 식물이 먹히는 물리적 행위를 어떻게 특정한 포식자 소집 조난 신호로 변환하는지였다. 이제, 멕시코 오악사카의 실험실과 농업 현장에서 일반 콩 식물을 대상으로 수년간 실험한 끝에, 워싱턴 대학 생물학자 아담 슈타인브레너가 이끄는 팀이 애벌레 방어 시스템을 조율하는 단일 면역 수용체를 정확히 찾아냈다.

애벌레 같은 초식 곤충이 식물을 먹을 때, 손상된 조직에 직접 침을 주입한다. 이 침에는 HAMP(초식동물 관련 분자 패턴)라는 생물학적 단서가 포함되어 있다. HAMP 분자 중 하나는 인셉틴이라는 펩타이드이며, 인셉틴의 11개 아미노산 조각인 In11이 있다. 둘 다 엽록체에서 발견되는 ATP 합성효소의 조각, 즉 식물 자체 단백질의 일부로 밝혀졌다. 애벌레가 잎을 섭취할 때, 장 효소가 식물의 세포 엔진을 분해하고 In11을 포함한 조각이 극소량으로 잎 표면에 역류된다.

수백만 년에 걸쳐, 일반 콩 같은 식물은 In11을 감지하기 위해 인셉틴 수용체라는 특수한 세포 표면 수용체를 진화시켰다. 이 수용체가 In11과 상호작용하면 식물 세포에서 신호 전달 캐스케이드가 시작되어 면역 반응이 개시된다. 그러나 이 특정 수용체가 포식자 소집 신호를 방출하는 책임이 있다는 것을 증명하는 것은 매우 까다로웠다. "우리는 그걸 하고 싶었지만, 완벽한 비교 식물이 필요했습니다. 수용체가 없는 식물과 온전한 수용체를 가진 식물이요." 슈타인브레너가 말한다.

문제는 일반 콩 식물이 유전자 변형이 악명 높을 정도로 어렵다는 점이어서, 유전자 침묵 같은 현대 기술은 사용할 수 없었다. 변형이 쉬운 식물을 선택하는 것도 불가능했는데, 그 수용체가 특정 콩 종에만 존재하기 때문이다. 이를 해결하기 위해 그의 팀은 구식 방법인 선택적 교배를 통해 필요한 변형을 도입해야 했다. 첫 번째 단계는 In11 수용체가 약화된 일반 콩 식물을 찾는 것이었다. 그들은 In11에 노출되었을 때 전형적인 식물 스트레스 지표인 에틸렌 가스를 생성하지 못하는 품종을 찾기 위해 방대한 메소아메리카 콩 패널을 선별했다. 테스트한 89개 품종 중에서 그들은 펩타이드를 완전히 무시하는 두 품종을 찾았다. 이 중에서 그들은 W6 13807이라는 온두라스 계통을 선택했다.

연구자들이 이 둔감한 콩의 게놈을 시퀀싱했을 때, 인셉틴 수용체를 코딩하는 유전자에 자연적으로 발생하는 103염기쌍 결실이 있음을 발견했다. 이 돌연변이는 수용체의 중요한 부분을 삭제하여 절단된 비기능성 단백질을 초래한다. 이 기능 장애 수용체가 식물 방어에 미치는 영향을 테스트하기 위해 팀은 실험용 식물을 교배하기 시작했다. 돌연변이체와 In11에 반응하는 표준 콩 변종 간의 일련의 유전적 교배와 역교배를 통해, 그들은 기능성 인셉틴 수용체의 유무를 제외하고는 거의 동일한 유전자를 가진 자매 식물을 만들었다. "우리는 그저 육종가였고, 그 작업은 몇 년이 걸렸습니다." 슈타인브레너가 회상한다.

이 두 자매 식물을 실험실과 현장에서 나란히 두었을 때, 고장난 인셉틴 경보의 결과는 콩 식물에게 상당히 심각했다. 먼저, 연구자들은 직접 방어, 즉 식물이 잎을 애벌레에게 덜 맛있게 만들고 성장을 방해하기 위해 겪는 화학적 및 물리적 변화를 조사했다. 애벌레가 비활성 인셉틴 수용체를 가진 돌연변이 콩을 먹었을 때, 그들은 신나게 먹어댔다. 5일간의 섭식 기간 동안, 그들의 성장률은 기능성 수용체를 가진 식물보다 70% 이상 높았다.