Evolutionary Trade-off in Plant Reproduction
식물의 생식전략 및 작물생산성을 결정하는 핵심 요인인 생식 형질 간의 등가교환 즉 trade-off에 작동하는 메커니즘을 분자 그리고 시스템 수준에서 규명하고, 이를 통하여 r/K-선택 등으로 기술되는 고등식물의 생식전략 진화를 설명하는 생물학적 일반 원리를 제시하고자 함.
◇ Trade-off는 개체의 특정 형질이 강화되는 방향으로 선택될 때 다른 형질의 감쇄를 수반하는 형질 간의 상충관계로서, 생명체 진화를 설명하는 핵심 원리.
◇ 다윈의 적자생존에 의한 종의 진화 이론은 태어나는 즉시 생식이 가능하고, 긴 수명을 가지며, 경쟁력이 강한 자손을 평생 대량으로 생산하는 생식적으로 완전무결한 다윈의 괴물(Darwinian demon)의 발생을 예상케 하였으나, 실제 자연계에서 다윈의 괴물과 같은 생물들이 진화한 예시는 찾아보기 어려움.
◇ 반면 자연계에서는 종의 분화 과정에서 형질 간 trade-off 작용이 이루진 예시가 보다 일반적으로 관찰 가능하며, 이는 trade-off가 한정된 자원을 두고 경쟁하며 살아가는 지구상의 생물이 감수해야하는 필연적인 생명현상임을 제시.
◇ (r/K-선택이론) 자손의 수를 늘리는 방향으로 이루어진 r-선택, 자손의 경쟁력을 높이는 방향으로 자원을 분배하는 생식전략인 K-선택은 trade-off에 의한 생식전략 진화의 대표적 예시 (그림 1).
◇ 이러한 생물학적 중요성에도 불구하고 trade-off는 주로 거시생물학 분야의 담론으로 고려되어 왔으며, 연구의 방법 또한 수리적 해석에 국한되어 왔을 뿐 trade-off에 내재 되어 있는 분자유전학적 원리에 대한 이해의 시도는 매우 부족한 상황.
◇ 식물들은 자손의 수(quantity), 질(quality), 생식 기간 및 생식 횟수 등과 같은 형질 사이의 trade-off를 통하여 다양하고 고유한 생식전략을 진화하여 왔음.
◇ 식물 생식전략의 진화에서 나타나는 이러한 예시들은 trade-off를 설명하는 생물학적 원리를 규명하는 데에 있어 추적가능한 모델시스템을 제공.
◇ 나아가 trade-off 연구는 작물생산성 관련 형질의 개량이 육종결과 다른 형질의 상쇄를 불러일으킬 수 있는 생물학적 제약을 이해하는 중요한 단서를 제공하며, 이는 인류사회의 복지와 밀접한 관계를 맺는 작물생산성 제어에 있어서 trade-off가 지니는 중요성을 상기함.
이에 본 연구실에서는 유전학적으로 추적이 용이한 애기장대 종 내 생식형질의 변이와 결부되어 나타나는 trade-off를 필두로 애기장대와 근연종 간 종분화 과정에서 보다 극명하게 확인되는 종자의 수 그리고 크기 사이에서 나타나는 trade-off에 주목하며 이를 이해하기 위한 연구를 수행.
그림1. 식물 생식전략의 진화과정에서 관찰되는 trade-off의 예시
(A) 난초는 자손의 수와 질이라는 형질 중에서 대량의 자손을 생산하는 쪽을 선택한 대표적 r-생식전략 식물. 난초는 열매 당 수백만 개의 종자를 생산. 그러나 각 종자에 저장된 양분이 거의 없어 자손들이 성체 식물로 성장하는 성공률이 매우 낮음. (B) 콩은 자손들의 경쟁력에 자원을 투자하는 K-생식전략 선택 대표 식물. 콩 낱알은 단백질 포함하여 풍부한 영양분을 축적함으로써 발아 후 생장하는 유식물의 경쟁력 및 생존율을 보장. 그러나 난초와 대조적으로 콩의 열매에는 평균 세 개의 종자만 생성. 콩은 벼, 밀, 옥수수 등에 비하여 단위 면적 당 생산성이 현저히 낮은 식량 작물. 원본 그림 출처 구글.