고사리 단백질은 강력한 새로운 살충제를 가져온다

이들 식물과 기타 고대 식물의 화합물은 옥수수와 콩을 파괴하는 벌레를 억제합니다. 창틀과 정원을 장식하는 아름다운 양치류에는 놀라운 힘이 있습니다. 생물학자들은 이 고대 식물군이 다른 식물군보다 배고픈 곤충을 더 잘 쫓는다는 사실을 오랫동안 알고 있었으며 이제 그 이유를 밝혀내고 있습니다. 그들은 가장 최근에 널리 사용되는 천연 살충제에 저항하는 벌레에 대한 가능성을 보여주는 단백질을 포함하여 해충을 죽이고 억제하는 고사리 단백질을 발견했습니다. 과학 학술지에 기술된 새로운 단백질은 언젠가 화학 살충제에 대한 새로운 대안을 제공할 수 있는 무기고에 추가됩니다. 테네시 대학교 녹스빌 캠퍼스의 곤충학자인 후안 루이스 유라트 푸엔테스는“이러한 단백질은 큰 잠재력을 갖고 있으며 새로운 살충제 작용 방식을 나타낼 수 있습니다"라고 말했습니다. 류블랴나 대학의 생화학자인 크리스티나 셉치치는 "특정 박테리아 독소에 저항하는 곤충에 대해 활성이 있는 것으로 입증되었기 때문에 흥미롭습니다"라고 말했습니다.

 

바킬루스 투링기엔시스라는 토양 박테리아에서 분리된 단백질이 자연 해충 방제의 중심이 되었습니다. 처음에는 살충 스프레이로 사용되었지만, 최근 과학자들은 이러한 단백질에 대한 유전자를 작물에 조작했습니다. 2019년에 전 세계 농부들은 이러한 형질전환 식물을 1억 헥타르 이상 심었습니다. 과학 학술지에 따르면 형질전환 옥수수와 목화만으로도 재배자들은 사용 후 처음 20년 동안 손실된 작물에서 500억 달러 이상을 절약할 수 있었습니다. 또한 바킬루스 투링기엔시스 해충 방제는 유기인산염 살충제 및 기타 독성 화학 물질의 사용을 줄여 환경적 이점을 가져왔습니다. 하지만 예전만큼 잘 작동하지 않을 수도 있습니다. 애리조나 대학의 곤충학자인 브루스 타바시니크은 7개국의 옥수수, 사탕수수, 면화, 대두 및 기타 바킬루스 투링기엔시스 작물에 대한 25년간의 데이터를 검토했을 때 11개 해충 종의 개체군이 단백질에 대한 상당한 저항성을 갖게 되었다는 징후를 발견했습니다. 저항 사례는 2005년 3건에서 2020년 26건으로 급증했다고 그와 그의 동료들은 지난 4월 경제 곤충학 학술지에 보고했습니다. 이러한 추세는 계속되고 있다고 유라트 푸엔테스는 말합니다. 타바시니크는 해충이 저항성을 갖게 된 사례를 17건 더 발견했습니다. 라트로브 대학교의 생화학자인 마릴린 앤더슨은 "이것은 매우 우려되는 일입니다. 우리는 화학 살충제를 과도하게 사용하는 상황으로 돌아가고 싶지 않습니다"라고 말했습니다. 그녀는 대안으로 고사리 단백질을 주목하고 있는 소규모 과학자 그룹 중 하나입니다. 야생에서는 현재 작물로 사용되는 식물보다 오래전에 진화한 이 고대 식물은 종종 곤충의 영향을 받지 않는 것처럼 보입니다.

 

연구자들은 작물에 양치류 추출물을 뿌렸지만 결과는 엇갈렸습니다. 양치류와 기타 비종자 생산 식물은 곤충 살충제로서 거의 주목받지 못했습니다. 그런 다음 2016년에 인도의 연구자들은 수액을 빨아들이는 흰 파리와 싸우기 위해 미늘창고사리의 유전자를 목화에 삽입했습니다. 연방과학산업연구기구의 식물 생명공학자인 PK 싱은 다른 어떤 천연 살충제도 이 해충에 대해 효과가 있었던 적이 없었기 때문에 "우리는 살충 활동에 대한 불분명하고 관련 없는 출처를 조사하려고 생각했습니다"라고 말했습니다. 미늘창 고사리 유전자는 가루이와 기타 흡인 해충으로부터 목화를 보호했으며, 이제 싱은 애벌레와 같은 씹는 곤충을 억제하는 다른 고사리 화합물을 분리했습니다. 그는 "연구팀이 상응하는 유전자를 목화로 조작했으며 현장 연구에서 매우 흥미롭고, 유망한 결과를 보았습니다"라고 말했습니다. 양치류에 유용한 살충제가 숨어 있을 수 있다는 증거도 코르테바와 앤더슨의 회사인 헥시마 간의 협력을 통해 나타났습니다. 8년 전부터 앤더슨의 팀은 10,000그루의 호주 식물을 조사하여 실험실에서 해충에 대한 추출물을 테스트하고 소화 효소에 노출시켜 식물이 인간의 장에서 분해되어 농작물에 사용하기에 안전한지 여부를 결정했습니다.

 

한편 코르테바는 북미 및 기타 지역의 식물을 선별했습니다. 두 연구팀 모두 바킬루스 투링기엔시스를 대체할 수 있는 새로운 메커니즘을 가진 단백질을 찾았다고 앤더슨은 말했습니다. 2019년 코르테바는 메이든헤어 양치류에서 발견된 단백질 유전자가 대두 루퍼와 벨벳빈 애벌레로부터 대두를 보호할 수 있다고 보고했으며, 그 이후로 두 그룹 모두 양치류에 초점을 맞췄습니다. 코르테바는 성명에서 "이후 우리는 이 식물에서 여러 종류의 살충 단백질을 발견했습니다"라고 말했습니다. 그들은 아직 이 단백질이 어떻게 작동하는지 정확히 알지 못합니다. 최근 과학학술지 논문에서 앤더슨과 코르테바 과학자를 포함한 연구팀은 해충에 대한 최신 잠재적 무기인 큰봉의꼬리 식물의 단백질을 보고했습니다. 크레탄 브레이크 펀, 리본 펀 또는 테이블 펀이라고도 불리는 알보리네아타는 유럽, 아시아 및 아프리카에 자생하는 흔한 관엽 식물입니다. 실험실에서는 고사리 추출물이 콩루퍼와 옥수수 귀벌레의 성장을 방해했습니다. 연구원들은 양치류의 먼 친척들이 이 단백질의 변종을 가지고 있다는 사실을 발견했는데, 이는 이 단백질이 약 3억 년 전 양치류 진화 초기에 발생했음을 나타냅니다. 그들은 이 단백질 그룹을 IPD113이라고 불렀습니다.

 

공동저자인 멜버른 대학의 구조생물학자인 메건 마허와 동료들은 한 변종의 구조를 해결했습니다. 그들은 이것이 살충제로 사용되는 바킬루스 투링기엔시스 단백질과 유사하다는 것을 발견했는데, 바킬루스 투링기엔시스 단백질에는 주요 활성 부분이 두 개뿐인 반면, 바킬루스 투링기엔시스 단백질에는 세 개의 주요 활성 부분이 있다는 점만 다릅니다. 바킬루스 투링기엔시스 단백질은 곤충의 내장에 구멍을 뚫는 방식으로 작동합니다. 연구자들은 고사리 단백질도 그렇다고 생각하지만, 고사리 단백질에 없는 활성 부분은 바킬루스 투링기엔시스 단백질이 세포막의 수용체에 결합하는 데 사용하는 부분이기 때문에 고사리 단백질은 다른 수용체와 결합할 수 있습니다. 희망은 새로운 양치류 단백질이 골디락스 살충제가 될 수 있다는 것입니다. 타바시니크는 "이는 바킬루스 투링기엔시스와 안전하고 효과적일 만큼 유사하지만 바킬루스 투링기엔시스에 대한 저항성을 진화시킨 곤충을 죽일 만큼 충분히 다릅니다"라고 말했습니다.

 

코르테바 팀이 가장 효과적인 IPD113 버전의 유전자를 옥수수에 옮겼을 때 가을 거세미나방 및 옥수수 귀벌레와 같은 주요 해충으로 인한 잎 피해는 변형되지 않은 옥수수의 50% 이상에 비해 최대 30%로 감소했습니다. 고사리 단백질은바킬루스 투링기엔시스 단백질에 저항성을 갖는 곤충 계통에도 작용했습니다. 이 논문은 "훌륭한 발전이며 양치류를 새로운 분자의 레퍼토리로 확립했습니다"라고 싱은 말했습니다. 이러한 성공에 대해 보이스 톰슨 연구소의 화학 생태학자인 게오르그 젠더는 "다른 연구 그룹의 관심을 끌 가능성이 높습니다"라고 말합니다. 그리고 그는 다른 회사들이 새로운 살충 단백질을 찾기 위해 조용히 더 넓은 범위의 그물을 던지고 있다고 생각합니다. 예를 들어, 얀데레와 보이스 톰슨 연구소 양치류 생물학자인 페이웨이라고 불리는 원시 식물의 방어 화합물을 조사하고 있습니다. 그리고 셉치치는 다른 메커니즘으로 곤충을 죽이는 버섯 유래 화합물을 평가하고 있습니다. 고사리 단백질처럼 세포막에 있는 단백질 기반 수용체에 결합하는 대신 세포막을 구성하는 지질에 결합합니다. 이러한 지질은 생명나무 전반에 걸쳐 보존되기 때문에 곤충이 쉽게 저항성을 갖지 않을 것이라고 셉치치는 생각합니다. 이러한 화합물이 바킬루스 투링기엔시스 저항성 해충에 대해 효과적인 것으로 입증되면 초기 육상 유기체의 단백질이 미래의 식량 안보를 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다.