김지현 교수, 미생물유전체전략연구사업단 이끌며 과수 화상병균 유전체 해독

Plant Disease 誌에 게재, 우리나라 균주 북미에서 유래 가능성

우리 대학교 김지현 교수가 단장으로 있는 미생물유전체전략연구사업단은 농림축산검역본부(이하 검역본부) 및 단국대학교와 공동으로 우리나라에서 발생한 과수 화상병의 원인균인 ‘어위니아 아밀로보라(Erwinia Amylovora)’의 유전체 서열을 완전 해독하고 정보를 분석해 전문 국제학술지 <Plant Disease>에 발표했다.

농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단은 농림축산식품부(이하 농식품부)의 농림식품기술기획평가원(이하 농기평)으로부터 연구 지원을 받아, 검역본부 식물검역부(이성진 연구관) 및 단국대(김성환 교수)와 과수 화상병균의 유전체 해독 연구를 공동으로 수행했다. 

연구사업단은 경기도 안성시, 충남 천안시, 충북 제천시에서 2015년에 분리된 화상병 균주 5종의 유전체 전체 염기서열을 완전 해독해 공개했다. 다른 화상병 균주와 유전체 정보를 상세 비교분석한 결과를 미국식물병리학회(APS)에서 출판하는 저명 식물병 연구 국제학술지인 <Plant Disease> 온라인에 게재했다.

연구진은 국내에서 분리된 화상병균의 유전체가 북미에서 발견되는 종류 중의 한 유전형과 매우 가까운 관계인 것을 밝혀냈다. 국내에서 발생하고 있는 화상병은 단 한 번 유입된 병원균이 확산돼 생겨난 것으로 결론지었다.

이번에 해독된 화상병균의 유전체는 북미, 유럽 등에서 분리된 다른 화상병균과 마찬가지로 약 380만 염기쌍으로 이루어진 염색체와 2만8천 염기쌍의 플라스미드로 구성돼 있다. 비록 이번에 분석된 균주 수가 적어서 단정하기는 어렵지만, 검역병원균인 화상병균의 국내 유입 시점도 첫 발생한 2015년보다 몇 년 앞서 일어난 것으로 보고 있다.

연구진은 세계 각지의 다양한 숙주에서 분리된 균주와 유전체 서열을 비교해 찾아낸 다양한 유전변이를 분석해 한국 균주는 크리스퍼(CRISPR) I 그룹에 해당되며, 핵심 유전자 세트를 이용한 유전체 계통분석을 수행해 미국, 캐나다, 멕시코, 유럽 등지에서 분리된 Widely Prevalent 클레이드(Clade)의 한 유형에 속한다는 것을 발견했다.

과수의 ‘흑사병’ 또는 ‘코로나’라고도 불리는 화상병은 우리나라에서는 지난 2015년 경기도 안성의 배 과수원에서 처음으로 발견됐는데 이는 동아시아(극동)에서 첫 사례이며, 뾰족한 방제 대책이 없어 발견 즉시 소각 또는 매몰해야 했다.

화상병은 1780년 뉴욕 허드슨 밸리의 사과, 배, 퀸스에서 첫 발병이 보고된 이후 북미에서 뉴질랜드, 유럽, 중앙아시아 등 세계 여러 지역으로 퍼져나갔다. 한편 화상병균과 비슷한 ‘어위니아 파이리폴리애(Erwinia Pyrifoliae)’ 세균이 일으키는 유사한 병징의 가지검은마름병은 일본과 우리나라에서 발생한다.

올해는 특히 화상병이 한반도 내륙지방에서 크게 발생해 충주, 제천 등 충청과 경기, 강원뿐만 아니라 전북 익산까지 퍼졌고, 경북의 사과 주산지와 나주, 진주 등 배 주산지까지 위협받고 있다.

한국 균주의 유전체 해독 및 분석을 주도한 우리 대학교 송주연 연구교수는 “이번에 확보된 우리나라 화상병균의 유전체 정보는 향후 유전학 및 역학 연구에 기초 자료로 제공될 수 있으며, 특히 화상병 예찰 및 신속 진단‧방제를 위한 기술 개발에도 활용될 수 있을 것”이라고 했다.

이번 성과에 대해 김지현 교수는 “농가의 피해와 커다란 경제적 손실을 야기해 사회적 현안으로 대두된 화상병의 진단과 방제를 위한 기본 정보를 제공함으로써 세계로 수출되는 우리나라 대표 과일인 사과·배의 안전한 생산과 과수 농가의 어려움 극복에 도움이 되기를 바란다.”고 밝혔다. 아울러 향후 계획에 대해 ”국내 화상병균의 유전자 변이 여부 확인 및 국외 화상병균의 유입 등을 모니터링하기 위한 지속적인 화상병균의 유전체 정보 분석이 필요하다.”라고 설명했다.

미생물유전체전략연구사업단은 농식품 분야의 유용 미생물과 유전체 정보를 자원화하고 실용화·산업화로 연계해 바이오산업의 발전을 견인하고 국가경쟁력 강화를 뒷받침하는 사업을 수행하고 있다. 사업단은 포스트게놈 다부처 유전체사업의 일환으로 2014년부터 농식품부에서 추진하고 있으며, 현재 추진 중인 2단계 사업에서 농축식품 마이크로바이옴 연구개발의 초석을 닦고 있다. 화상병 예방 및 치료기술의 조속한 개발을 위해서도 마이크로바이옴 연구가 중요한 기반이 될 것으로 기대하고 있다.

한편 본 연구는 농식품부에서 농기평을 통해 지원하는 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업과 수출전략기술개발사업, 농생명산업기술개발사업 그리고 검역본부의 식물검역검사 및 수출촉진사업으로 수행됐다.

논문명 : Genome analysis of Erwinia amylovora strains responsible for a fire blight outbreak in Korea (Plant Disease 2020.9.15. First Look 온라인 공개; https://apsjournals.apsnet.org/doi/10.1094/PDIS-06-20-1329-RE)

《 주 요 내 용 》

- 우리 대학교 미생물유전체전략연구사업단은 검역본부, 단국대와 함께 국내에서 분리한 과수 화상병균의 유전체 서열을 해독하고 정보를 분석

 * 화상병균 ‘어위니아 아밀로보라(Erwinia Amylovora)’의 유전체 분석 논문을 미국식물병리학회에서 출판하는 저명 국제학술지 Plant Disease에 게재

- 유전체 비교 및 계통분석 결과, 우리나라에서 분리된 화상병균은 북미 지역에서 발견되는 유전형과 가장 가까운 것으로 밝혀짐

 * 동아시아에서 첫 발생한 화상병 사례로서, 분석된 5균주 모두 동일 그룹에 속하며 병원균의 신속한 진단에 많은 도움을 줄 것으로 기대

《 주요 용어 설명 》

화상병(Fire Blight)이란?

Erwinia Amylovora라는 대장균과 세균에 의해 사과·배나무 등 장미과(Rosaceae) 과수에 발생하며, 잎, 새순, 꽃, 나뭇가지, 열매 등이 시들고 갈색으로 변해 불에 그을린 것처럼 보여 화상병이라고 명명됐다. 봄에서 여름 사이에 매개곤충, 비, 바람, 농기구 접촉, 묘목 이동 등에 의해 전파되며, 발병 시 심각한 농가의 피해와 막대한 경제적 손실이 야기된다.

다부처 유전체사업이란?

국가 신성장동력으로 유망한 유전체 분야의 연구 역량 및 기술 수준을 글로벌 수준으로 향상시켜 산업화 연계시스템을 구현함으로써 국민건강 증진 및 국가경쟁력 향상을 견인하려는 목적으로 7개 부·청이 참여하는 포스트게놈 신산업 창출을 위한 다부처 대형 국가 R&D 사업이다. 2014년에 출범해 현재 2단계 사업(2021년 종료 예정)이 추진 중이다.

식물검역(Plant Quarantine)이란?

농림축산검역본부 식물검역부에서는 외래 식물 병해충의 국내 유입을 차단하고 확산을 방지하기 위한 업무를 담당하고 있다. 수입식물의 검역, 외래병해충 예찰, 방제, 역학조사 등을 통해 먹거리를 안전하게 지키고 농업 생산에 이바지하는 한편, 수출식물 검역을 통해 농업 생산품의 수출 지원 및 식물검역 R&D를 통한 식물병해충 진단, 예측 기술 개발 업무 등이 식물검역에 관련된다.

《 국내 분리 화상병균의 유전체 정보 요약 그림 》

[그림1: 국내에서 최초로 발병이 확인된 화상병균의 유전체 지도]

화상병균의 유전체 정보 및 참조유전체와의 비교를 통해 분석된 염기서열 변이를 나타낸 지도. 가장 바깥쪽 원은 염색체, 플라스미드(pEA29, pEA72)들을 가진 ATCC 49946의 염색체, 플라스미드들이 표시됐으며 안쪽 내부에 있는 색으로 표시된 원형 쌍은 유전자 기능 카테고리(COG 기준), 그리고 rRNA와 tRNA를 암호화하는 유전자들이 차례로 색으로 표시됨. 안쪽 원형 내에는 각각 CFBP 1430, FB-20, FB-86, FB-207, FB-307, TS3238의 순서로 SNP, 삽입, 결실 염기서열들이 표시돼 있음.

[그림2: 화상병균의 유전체 정보를 이용한 진화계통 분석 결과]

국내외 화상병균들의 계통유전체학적 유연관계: 43개의 화상병균 유전체 서열의 핵심 정렬 부위를 가지고 계통유전체학적 유연관계를 유추한 결과, 우리나라에서 분리된 5균주들은 미국, 캐나다, 멕시코, 유럽 등지에서 분리된 Widely Prevalent 클레이드(Clade)의 한 유형에 속하며 그 중에서도 북미에서 발견되는 균주들과 근연관계에 있는 것으로 나타났음. 화상병균의 기주 종류 및 분리 지역 구분을 위해 색깔들로 표시함.

《 저자 이력사항 》

교신저자: 김지현 교수

경력사항

1992~1997  농촌진흥청 경제작물과 농업연구사

1993~1996  교육부 국비유학 장학생(1991 선발)

1997~2000  Postdoctoral Associate, Depart. Plant Pathol., Cornell Univ.

2000~2012  한국생명공학연구원(KRIBB) 선임연구원, 책임연구원, 센터장

2000~현재  한국식물병리학회 정회원, 평의원, 부회장

2004~2012  과학기술연합대학원대학교(UST) 부교수(겸임), 교수(겸임)

2012~현재  연세대학교 생명시스템대학 시스템생물학과 부교수/교수, 학과장

2014~현재  농식품부 농림축산식품 미생물유전체전략연구사업단 단장

2016~현재  한국과학기술한림원 농수산학부 준회원, 정회원

전문분야정보 (Google Scholar h-index 43)

미생물유전체학, 메타유전체학, 시스템/합성생물학, 미생물-숙주 상호작용

※ 연구성과: 연구/리뷰 논문 110여 편, 국내외 특허 및 프로그램 등록 30여 건 등; 2009 한국생물정보시스템생물학회 온빛상; 2010 생명연 KRIBB상 대상; 2010, 2019 국가연구개발 우수성과 100선; 2011 교육과학기술부 장관상; 2018 한국미생물학회 학술대상; 2019 대한민국학술원상; 2019 과학기술정보통신부 장관표창 등

제1저자: 송주연 박사

경력사항

2008~2012  한국생명공학연구원 박사후연구원

2012~현재  연세대학교 생명시스템연구원 연구교수

전문분야정보

미생물유전체학, 메타유전체학, 상호작용생물학, 환경미생물학

※ 2019년 한광호농업상 농업연구상 수상