씨앗부터 수확까지, 한 플랫폼으로 식량 작물 보호를 완성합니다

기후 변화는 전 세계 농업에 영향을 미치고 있으며, 증가하는 인구에 대한 작물 생산과 식량 안보의 미래를 위협하고 있습니다¹. 극한 기상 현상, 변화하는 재배 조건, 그리고 달라진 식물 병원체 역학으로 인해, 보다 회복력 있는 작물과 효과적인 질병 모니터링 프로그램에 대한 수요가 커지고 있습니다. 연구자들은 이제 Oxford Nanopore 시퀀싱이 이러한 다양한 압력 속에서도 작물 생산을 유지하는 데 필수적인 유전체 데이터를 제공할 수 있음을 보여주고 있습니다.

안전성과 정밀성을 갖춘 회복력 있는 작물 육종

정밀 육종은 신중한 형질전환 유전자(transgene) 삽입을 통해, 높은 작물 수확량과 질병 저항성 같은 중요한 농업 형질을 한 식물에서 다른 식물로 도입할 수 있게 합니다. Liu 등²의 연구에서 연구자들은 이 기법을 사용하여, 낮은 질소 조건에서 스트레스 내성을 높이는 유전자를 옥수수(Zea mays)에 도입하였고, 그 결과 두 개의 형질전환 계통을 얻었습니다.

 

이후 연구자들은 형질전환 유전자가 숙주 유전체에 올바르게 통합되었는지, 그리고 원치 않는 편집이 발생하지 않았는지를 확인할 필요가 있었습니다. 이에 대한 분자적 근거는 새로운 식물 품종의 안전성과 신뢰성을 위해 무엇보다 중요합니다². 저자들은 PCR이 이러한 검증에 흔히 사용되지만, 짧은 증폭산물(amplicon)은 해상도가 제한적이며, 복잡한 재배열은 프라이머 서열에 영향을 줄 수 있다고 설명했습니다. 한편, 식물 유전체는 크기, 배수성(ploidy), 그리고 종종 매우 반복적인 특성 때문에 기존의 숏리드 시퀀싱 기술로 해석하기가 어렵고, 이는 철저한 유전체 분석과 잠재적으로 철저한 스크리닝을 방해할 수 있습니다.

현장에 있는 옥수수 작물

이 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 형질전환 옥수수를 특성화하기 위해 Oxford Nanopore 시퀀싱을 선택했습니다. 숏리드 기술은 복잡한 영역을 가로질러(spanning) 읽는 데 어려움이 있는 반면, Oxford Nanopore 기술은 본래의(native) DNA를 시퀀싱하며 길이에 제한이 없는 리드를 생성하여, 기존 방법들이 놓치는 식물 유전체 영역을 해석하는 데 필요한 커버리지를 제공합니다³.

“이 방법론적 선택은 유전자변형 작물의 견고한 안전성 평가와 형질전환 사건 추적을 효과적으로 수행하는 데 핵심적입니다.”

Liu 등(2024)²

 

연구자들은 형질전환 옥수수 계통과 야생형(wildtype) 대조군에 대해 PCR-free 방식의 나노포어 전장유전체 시퀀싱을 수행하여, 10배(10x) 깊이의 커버리지를 확보했습니다. 각 형질전환 계통에서 삽입된 유전자의 존재를 확인하였고, 나노포어의 긴 리드를 통해 각 삽입 부위 양쪽에 위치한 숙주 유전체 서열(flanking sequence)을 확인할 수 있었습니다. 이를 바탕으로 연구팀은 두 삽입 부위 모두에 대해 프라이머를 설계하고, 증폭산물을 생성한 뒤, 표적 시퀀싱(targeted sequencing)을 수행했습니다.

 

나노포어 시퀀싱 데이터는 한 형질전환 유전자가 숙주 유전체에서 75 bp 결실을 유발했음에도 불구하고, 두 삽입 모두 단백질 코딩 영역에는 영향을 주지 않았음을 ‘명확하게(unequivocally)’ 확인해 주었습니다. Oxford Nanopore 플랫폼을 사용해 옥수수 유전체에 원치 않는 영향 없이 정확한 형질전환 유전자 삽입을 자신 있게 확인한 뒤, 연구진은 이 기법이 “새롭게 생성된 형질전환 옥수수 사건을 검출하기 위한 정밀한 방법”을 확립하며, 향후 안전성 평가에 기여할 것이라고 결론지었습니다.

유용한 작물 형질의 유전적 요인 규명

다른 작물에서는 새로운 품종을 육종하는 것이 반드시 목표가 아닐 수 있습니다. Max Schmidt(독일 Geisenheim University)는, 전통적인 와인용 포도 품종이 가진 알려진 특성에 대한 수요 때문에 새로운 포도나무(Vitis vinifera) 품종의 육종이 흔하지 않다고 설명했습니다⁴. 그러나 오랜 기간 삽목(cutting)으로 번식해 온 결과, 특정 품종 내에서도 상당한 표현형(phenotypic) 변이가 축적되었습니다. 이러한 변이 중에서 원하는 형질을 선택하는 전통적 방법은 노동 집약적이며 결과가 불확실하고, 최대 30년까지 걸릴 수 있습니다.

 

Max의 연구팀은 리슬링(Riesling) 포도나무에서 회복력 있는 형질 탐색을 가속하기 위해 유전체학을 적용하고 있습니다⁴,⁵. MinION과 GridION 장비에서 전장유전체 나노포어 시퀀싱을 사용하여, 해당 품종의 참조 유전체를 조립했습니다. 그 결과 약 930 Mb 규모의 위상(phased)된 이배체(diploid) 어셈블리를 얻었으며, 길이에 제한이 없는 나노포어 리드 덕분에 대부분의 염색체를 5개 미만의 컨티그(contig)로 조립할 수 있었습니다.

“포도 산업의 미래는 상업적으로 가치 있는 형질에 대한 유전적 개선을 가속하기 위해, 멀티오믹 기술과 예측 육종 도구를 활용하는 데 달려 있습니다.”

Schmidt 등(2025)⁵

 

Max는 기후 변화로 인해 독일의 여름이 더 따뜻해지고 강수량이 늘어나면서, 더 촘촘한 송이(cluster)로 자라는 포도는 곰팡이 발생 위험이 높아져 수확량을 제한할 수 있다고 설명했습니다⁴. 곰팡이 저항성의 유전적 요인을 찾기 위해, 연구팀은 더 느슨한 송이 형질을 가진 리슬링 포도나무 클론을 조사했습니다.

 

기존의 표현형 데이터와 숏리드 데이터를 이용해 연구진은 관심 후보 8개 좌위(loci)를 확인했지만, 기존의 Pinot Noir 참조 유전체에서는 코딩 영역 내에 매핑되는 좌위를 찾지 못했습니다. 반면, Oxford Nanopore로 생성한 이배체 리슬링 참조 유전체에 좌위를 매핑했을 때, Pinot Noir 참조에는 존재하지 않던 영역에서 단일 하플로타입(haplotype)에 존재하는 관심 변이 1개를 확인했습니다.

 

이 변이는 열매(berry) 발달에 관여하는 전사인자(transcription factor)에 영향을 줄 것으로 예측되었으며, 병원체 저항성 형질을 표적 선택(targeted selection)하기 위한 유망한 후보로 제시되었습니다. 연구팀의 연구는 나노포어 시퀀싱이 이 경제적으로 중요한 작물에서 선발 과정을 수년 또는 수십 년 단축할 수 있는 잠재력을 강조합니다.

증가하는 식물 병원체 위협에 대응

작물이 자리잡은 이후에도, 유행하는 병원체는 작물의 성공을 위협합니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 식물 병원체 검출을 현장으로 가져가기 위해 나노포어 시퀀싱을 활용하고 있습니다. Savva 등은 곰팡이성 식물 질병이 농업과 식량 안정성, 그리고 생물다양성에 미치는 위협이 크며 증가하고 있음을 설명했습니다⁶. ‘악명 높은’ 밀 줄기녹병균, Puccinia graminis f. sp. tritici(Pgt)는 밀 작물을 파괴할 수 있으며, 병원체 저항성 품종을 자주 극복합니다. 따라서 Pgt를 효과적으로 관리하려면, 채취 지점(point of sampling)에서 즉시 사용할 수 있는 빠른 검사가 필요하며, 이를 통해 농부들이 신속히 대응할 수 있습니다.

 

휴대형 Oxford Nanopore MinION을 사용하여, 연구팀은 최초의 현장진료형(point-of-care) Pgt 유전자형 분석(genotyping) 워크플로우를 개발했습니다⁶. 이들의 모바일 및 실시간 식물 질병(MARPLE) 병리 플랫폼은 표적 PCR, 신속한 나노포어 라이브러리 준비, MinION 시퀀싱, 그리고 자동화된 분석을 결합하여, 해당 곰팡이 병원체의 276개 유전자를 특성화합니다.

 

케냐와 에티오피아의 자원 제한 환경에서, 완전히 현장 기반으로 구성된 워크플로우는 감염된 밀 잎으로부터 48시간 이내에 정밀한 Pgt 균주 타이핑(strain typing)과 살균제 감수성 정보를 제공하여, 유행 균주의 변화와 내성 변화에 대한 ‘조기 경보 시스템(early warning system)’ 역할을 했습니다. 연구자들은 또한 기존 Pgt 분리주들과 함께 샘플의 계통발생학적 분석(phylogenetic analysis)을 수행하여, 이들 사이의 유연관계를 보여주었습니다(그림 1). 이러한 적시 정보는 이 파괴적인 병원체로 인한 작물 손실을 줄이기 위한 신속한 조치를 가능하게 하며, 식량 안보를 보호하는 데 도움이 됩니다.

 

케냐와 에티오피아에서 채취한 Pgt 샘플의 계통발생학적 분석은, 현장에서 시퀀싱한 샘플과 동아프리카에서 이전에 확인된 대표 분리주들 간의 가까운 관계를 보여주었습니다.

그림 1. 케냐와 에티오피아에서 채취한 Pgt 샘플의 계통발생학적 분석은, 현장에서 시퀀싱한 샘플과 동아프리카에서 이전에 확인된 대표 분리주들 간의 가까운 관계를 보여주었습니다. Savva 등6의 그림이며, Creative Commons 라이선스(creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 하에 제공됩니다.

“이 Pgt MARPLE 진단 플랫폼을 국가 감시 프로그램에 더 통합하면, 더 정보에 기반한 관리 의사결정과 Pgt 질병 유행에 대한 적시 대응을 지원하여, 현재 이 ‘곡물 살인자(cereal killer)’가 유발하는 막대한 작물 손실을 줄이는 데 도움이 될 것입니다.”
Savva 등(2025)⁶

 

최적의 식물 품종을 개선하고 선발하는 것부터, 현장에서 소중한 식량 작물을 보호하는 것까지, 이러한 연구들은 점점 더 어려워지는 환경 조건 속에서 식량 안보를 유지해야 하는 시급한 필요에 대응하기 위해 연구자들이 Oxford Nanopore 시퀀싱을 어떻게 활용하고 있는지를 보여줍니다.

 

Oxford Nanopore Technologies 제품은 건강 평가에 사용하거나, 어떠한 질병 또는 상태를 진단, 치료, 완화, 치유 또는 예방하기 위한 용도로 사용되도록 의도되지 않았습니다.

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1. Mirzabaev, A. et al. Severe climate change risks to food security and nutrition. Clim. Risk Manag. 39(2121):100473 (2023). DOI: https://doi.org/10.1016/j.crm.2022.100473
2. Liu, Q., and Wang, Q. et al. Efficient identification of genomic insertions and surrounding regions in two transgenic maize events using third-generation single-molecule nanopore sequencing technology. Sci. Rep. 14(1):31921 (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-83403-6
3. Gladman, N., Goodwin, S., Chougule, K., Richard McCombie, W., and Ware, D. Era of gapless plant genomes: innovations in sequencing and mapping technologies revolutionise genomics and breeding. Curr. Opin. Biotechnol. 79:102886 (2023). DOI: https://doi.org/10.1016/j.copbio.2022.102886
4. Schmidt, M. Using Oxford Nanopore sequencing in grapevine breeding. Presentation. Available at: https://nanoporetech.com/resource-centre/using-oxford-nanopore-sequencing-in-grapevine-breeding [Accessed 07 January 2026]
5. Schmidt, M. et al. A new climate for genomic and epigenomic innovation in grapevine. Mol. Hortic. 5(1):44 (2025). DOI: https://doi.org/10.1186/s43897-025-00171-1
6. Savva, L. et al. A portable, nanopore-based genotyping platform for near real-time detection of Puccinia graminis f. sp. tritici lineages and fungicide sensitivity. BMC Genom. 26(1):327 (2025). DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-025-11428-w

https://nanoporetech.com/resource-centre/case-study-from-seed-to-harvest-protecting-food-crops-with-a-single-platform