생물시간에 배운 그 원칙...멘델 완두콩의 비밀, 160년 만에 밝혀져

유전학의 시대 연 ‘멘델의 유전법칙’
멘델이 관측한 형질, 구체적 유전자 몰라
최근 모든 유전자 규명...육종 활용 기대

그레고어 멘델이 완두콩을 심고 있는 모습. 수도원의 사제였던 멘델은 원예학자 이자 유전학을 창시한 인물이다. 사진음 구글 이미지FX로 생성

유전학의 시대를 연 완두콩의 유전자가 160년 만에 모두 밝혀졌다. 최초의 유전학자였던 멘델이 19세기에 시작했던 이야기가 오늘에서야 마무리된 것이다.

19세기 오스트리아 수도사였던 그레고어 멘델은 ‘유전학의 아버지’라고 불린다. 부모가 자식을 왜 닮는지를 전혀 몰랐던 당시, 멘델은 유전자라는 개념을 최초로 제안했다. 우성과 열성 개념을 도입했고, 부모 형질이 어떻게 자식 형질로 이어지는지를 설명했다.

멘델은 2만 그루가 넘는 완두콩을 직접 재배하며 부모 세대의 형질이 어떻게 자식 세대로 이어지는지를 관찰했다. 완두콩은 유전학 연구를 하기에 안성맞춤인 작물이었다. 세대 주기가 짧고 형질이 단순해 비교하기 쉽기 때문이다. 콩이 둥근지 찌그러졌는지, 초록색인지 노란색인지 등 많은 형질이 두 가지 경우의 수만 갖는다.

멘델은 8년 동안 완두콩의 7가지 형질을 정리해 논문으로 발표했다. 그렇게 나온 멘델의 유전법칙은 오늘날 고등학생들이 생명과학에서 처음 배우는 이론 중 하나일 만큼, 과학계에 미친 영향은 지대하다. 이후부터 지금까지 이어진 거의 모든 생명과학 연구들이 멘델의 완두콩에 뿌리를 두고 있다.

단순한 완두콩이지만, 구체적인 유전자가 밝혀진 건 비교적 최근의 일이다. 완두콩의 모양, 색깔 등 멘델이 조사한 형질 7가지 중 4가지를 결정하는 유전자가 1990년부터 2010년까지 차례대로 규명됐다.

영국 존이네스센터와 중국 선전농업유전체연구소 공동 연구팀이 최근 나머지 3가지 형질에 대한 유전자를 모두 밝혀냈다. 완두콩 꼬투리의 색과 모양, 꽃의 배열을 결정하는 유전자는 지금까지 알려지지 않았는데, 이번 연구로 인해 멘델이 분석했던 형질의 유전자가 모두 규명됐다.

연구진은 전장 유전체 연관 분석(GWAS) 방법으로 완두콩의 유전자를 연구했다. GWAS는 원하는 형질을 가진 개체와 정상적인 개체의 유전 정보를 비교해 차이점을 찾아내는 접근 방식이다. 꼬투리의 색을 예로 들면, 노란 꼬투리와 녹색 꼬투리의 유전자 차이로 꼬투리 색을 결정하는 유전자를 알아내는 것이다.

연구에 따르면 완두콩 꼬투리의 색을 결정하는 건 엽록소를 만드는 유전자의 변이였다. 정상적인 유전자는 엽록소를 만들기 때문에 녹색 꼬투리가 나오지만, 돌연변이 유전자는 엽록소를 만들지 못해 노란 꼬투리가 나온다.

이외에도 꼬투리 모양이나 꽃의 배열을 결정하는 유전자 역시 규명했다. 또한 총 72가지 형질에 대한 유전자를 밝히고, 전체 완두콩 유전자 변이 지도를 만들었다. 완두콩 유전자와 형질의 관계를 훨씬 정교하게 설명한 것이다.

이번 연구는 향후 완두콩 육종에도 활용될 수 있다. 상품성 좋은 완두콩을 재배하기 위해 어떤 유전자를 편집해야 하는지를 알게 됐기 때문이다. 연구를 주도한 시펑 청 박사는 “이번 연구가 멘델의 이야기를 완성할 뿐만 아니라 완두콩 육종을 위한 강력한 도구를 제공할 것”이라고 말했다.

여러 형질을 가진 완두콩의 유전자를 확인하는 모습. 아래에 보이는 흰 막대 하나가 각각의 유전자를 의미한다. [사진=네이처]