과학자들은 브로콜리가 강력한 영양가를 가지고 있다는 사실을 오랫동안 알고 있었지만, 새로운 연구에서는 이 겸손한 야채가 정확히 어떻게 암과 싸우는 화합물을 생성하는지에 대한 빛을 비추고 있습니다. 중국의 한 연구팀이 전례 없는 수준의 세부 사항으로 브로콜리의 유전체를 시퀀싱하여 브로콜리의 건강상의 이점과 독특한 맛을 담당하는 화합물인 글루코시놀레이트를 생성하는 능력의 유전적 비밀을 밝혀냈습니다.
이 연구는 브로콜리가 유전자 수준에서 건강을 증진하는 화합물을 생성하는 방법에 대한 놀라운 새로운 창을 제공합니다. 과학자들은 본질적으로 브로콜리 게놈의 고해상도 지도를 만들어 글루코시놀레이트 생성을 담당하는 유전자를 정확히 찾을 수 있게 했습니다.
연구 저자들은 Horticulture Research 저널에 발표된 논문이 브로콜리의 유전적 구성에 대한 가장 포괄적인 시각을 제공한다고 말합니다. 최첨단 시퀀싱 기술로 야채의 DNA를 지도화함으로써 연구자들은 글루코시놀레이트, 특히 글루코라파닌이라는 화합물을 생산하는 데 관여하는 핵심 유전자를 식별할 수 있었습니다. 브로콜리를 잘게 썰거나 씹으면 글루코라파닌은 다양한 유형의 암 위험을 줄이는 것으로 밝혀진 강력한 항암 분자인 설포라판으로 전환됩니다 .
이번 발견은 더욱 영양가 높은 브로콜리 품종과 콜리플라워, 양배추 같은 관련 야채를 육종할 수 있는 흥미로운 가능성을 열어줍니다. 글루코시놀레이트 수준을 조절하는 유전자를 이해함으로써 과학자들은 향상된 암 퇴치 특성을 지닌 새로운 브로콜리 품종을 개발할 수 있을 것입니다 .
브로콜리뿐만 아니라 이 연구는 전체 브라시카 채소과의 진화와 다양성에 대한 더 광범위한 통찰력을 제공합니다. 연구자들은 브로콜리 게놈을 관련 식물의 게놈과 비교하여 이 영양가 있는 작물이 수백만 년의 진화를 거쳐 어떻게 갈라졌는지에 대한 빛을 비췄습니다.
유전자 코드 해독
연구자들은 분석을 수행하기 위해 최첨단 DNA 시퀀싱 기술을 결합하여 브로콜리 게놈의 매우 정확한 지도를 조립했습니다. 그들은 PacBio 기술을 사용하여 긴 읽기 시퀀싱을 사용했는데, 이 기술은 한 번에 매우 긴 DNA 구간을 읽을 수 있습니다. 이것은 염색체의 3차원 구조를 포착하는 기술인 Hi-C 시퀀싱으로 보완되었습니다.
이러한 방법을 통해 팀은 브로콜리 게놈을 총 약 6억 1400만 개의 DNA 염기쌍에 달하는 9개의 염색체 규모 서열로 조립할 수 있었습니다. 이는 추정된 전체 게놈 크기의 93% 이상을 나타내므로 현재까지 가장 완전한 브로콜리 게놈 어셈블리가 됩니다.
이 고품질 게놈을 통해 연구자들은 글루코시놀레이트 생산과 관련된 유전자를 식별하고 분석할 수 있었습니다. 그들은 브로콜리와 그 친척의 진화 역사에서 과거 게놈 복제 사건을 반영하는 주요 유전자의 여러 복사본을 발견했습니다.
특히 관심을 끄는 것은 글루코시놀레이트 합성의 초기 단계에 관여하는 MAM 계열의 유전자입니다. 연구자들은 브로콜리에서 6개의 MAM 유전자를 발견한 반면, 관련 식물인 아라비돕시스 탈리아나에서는 3개에 불과했습니다. MAM 유전자의 이러한 확장은 브로콜리가 건강에 도움이 되는 글루코시놀레이트를 높은 수준으로 생산하는 능력에 기여할 가능성이 높습니다.
이 연구는 유전자를 분류하는 것에서 그치지 않고 유전자의 기능을 조사했습니다. 연구자들은 다양한 브로콜리 조직과 성장 단계에 걸쳐 유전자 발현 패턴을 분석했습니다. 그들은 많은 글루코시놀레이트 관련 유전자가 초기 성장 단계에서 뿌리에서 높게 발현된다는 것을 발견했습니다.
이는 브로콜리 뿌리가 식물의 초기 단계에서 글루코시놀레이트 생산의 핵심 부위일 수 있음을 시사합니다. 그런 다음 이 화합물은 식용 꽃을 포함한 식물의 다른 부분으로 운반될 가능성이 높습니다.
연구팀은 또한 설포라판의 전구체인 글루코라파닌을 생성하는 데 중요한 MAM1 유전자에 대한 자세한 분석을 수행했습니다. 그들은 브로콜리가 일부 관련 채소에 비해 이 유전자의 특히 활성적인 버전을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 이는 브로콜리가 글루코라파닌이 특히 풍부한 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.
MAM1의 중요성을 확인하기 위해 연구자들은 이 유전자를 과발현하는 형질전환 브로콜리 식물을 만들었습니다. 이들 식물은 일반 브로콜리에 비해 글루코라파닌 및 관련 화합물의 수준이 상당히 높은 것으로 나타났습니다. 이는 MAM1이 실제로 브로콜리의 영양학적 우수성 에 있어 핵심 역할을 한다는 강력한 증거를 제공합니다 .
방법론
연구자들은 브로콜리 게놈을 분석하기 위해 다각적인 접근 방식을 채택했습니다.
DNA 시퀀싱: 그들은 PacBio HiFi 시퀀싱을 사용하여 길고 정확도가 높은 DNA 판독을 생성했습니다. 이는 추가 커버리지를 위해 Illumina 단문 판독 시퀀싱으로 보완되었습니다.
게놈 조립: 시퀀싱 데이터는 특수 소프트웨어 도구를 사용하여 연속적인 시퀀스로 조립되었습니다. 그런 다음 Hi-C 데이터를 사용하여 이러한 시퀀스를 염색체 규모의 스캐폴드로 구성했습니다.
유전자 예측: 연구자들은 계산적 예측과 RNA 시퀀싱 데이터를 결합하여 조립된 게놈 내에서 유전자를 식별했습니다.
비교 분석: 브로콜리 게놈을 관련 식물의 게놈과 비교하여 진화 관계 및 유전자군 확장을 연구했습니다.
유전자 발현 분석: 다양한 브로콜리 조직에서 RNA 서열 분석을 수행하여 서로 다른 유전자가 언제 어디서 활성화되는지 조사했습니다.
기능적 검증: MAM1과 같은 핵심 유전자는 형질전환 식물에서 과잉발현 실험을 통해 더욱 자세히 연구되었습니다.
이 연구에서는 다음과 같은 몇 가지 중요한 결과가 나왔습니다.
추정 게놈 크기의 93% 이상을 포함하는 고품질 브로콜리 게놈 어셈블리.
주요 글루코시놀레이트 생합성 유전자의 여러 복사본을 포함하여 55,958개의 단백질 코딩 유전자를 식별합니다.
브로콜리에서 뿌리가 초기 글루코시놀레이트 생산의 주요 부위라는 증거.
MAM1 유전자가 글루코라파닌 생산에 중요하며, 과발현이 더 높은 수준으로 이어진다는 확인.
브로콜리 및 관련 브라시카 작물의 진화 역사에 대한 통찰력.
글루코시놀레이트 생합성을 조절할 수 있는 잠재적인 전사 인자의 식별.
제한사항
이 연구는 귀중한 통찰력을 제공하지만 고려해야 할 몇 가지 제한 사항이 있습니다.
이번 연구는 단일 브로콜리 품종에 초점을 맞췄습니다. 포획되지 않은 다른 품종에는 유전적 변이가 있을 수 있습니다.
기능 연구는 주로 통제된 실험실 조건에서 수행되었습니다. 실제 재배 조건에서 결과를 확인하려면 현장 연구가 필요할 것입니다.
유전체 조립은 매우 완벽하지만 여전히 몇 가지 차이점과 해결되지 않은 영역이 있습니다.
이 연구는 주로 글루코시놀레이트 생합성에 중점을 두었습니다. 브로콜리 생물학과 영양의 다른 측면은 그다지 자세히 조사되지 않았습니다.
유전자 변형 실험은 MAM1의 중요성을 보여주었지만, 이 유전자를 변형하면 전반적인 식물 성장과 발달에 어떤 영향을 미치는지 완전히 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.
토론 및 시사점
브로콜리 유전체에 대한 이 포괄적인 분석은 과학과 농업 모두에 광범위한 영향을 미칠 수 있는 풍부한 새로운 정보를 제공합니다.
식물 생물학자에게 이 연구는 글루코시놀레이트 생산과 같은 복잡한 생합성 경로가 어떻게 진화하고 다양화되는지 자세히 살펴봅니다. 관련 식물과 비교했을 때 브로콜리의 핵심 유전자 패밀리 확장은 게놈 복제 사건이 어떻게 새로운 특성과 적응으로 이어질 수 있는지를 강조합니다.
농업적 관점에서, 이 발견은 작물 개량을 위한 새로운 길을 열어줍니다. 글루코시놀레이트 생산에 가장 중요한 유전자를 식별함으로써, 육종가들은 영양 프로필이 향상된 새로운 브로콜리 품종을 개발할 수 있을 것입니다. 이것은 더욱 큰 암 퇴치 잠재력을 가진 채소로 이어질 수 있습니다 .
이 연구는 또한 작물 게놈을 자세히 연구하는 것의 중요성을 강조합니다. 브로콜리는 수세기 동안 재배되어 왔지만 우리는 여전히 브로콜리의 생물학에 대한 새로운 비밀을 밝혀내고 있습니다. 이는 잘 알려진 작물에도 최첨단 게놈 기술을 적용하는 것의 가치를 강조합니다.
브로콜리 외에도 이 연구는 브라시카(Brassica) 계열의 다른 구성원에게 적용될 수 있는 도구와 접근 방식을 제공합니다. 이는 콜리플라워, 양배추, 브뤼셀 콩나물 과 같은 관련 작물의 영양 개선으로 이어질 수 있습니다 .
연구에 따르면 브로콜리의 단순한 머리는 수백만 년의 진화와 유익한 화합물을 생산하기 위해 함께 작동하는 정밀하게 조정된 유전자 네트워크를 나타냅니다. 이는 현대 게놈 연구가 어떻게 친숙한 식품에 대한 새로운 시각을 제시하고 잠재적으로 인간 건강에 도움이 되는 개선으로 이어질 수 있는지에 대한 증거 입니다.
----------