최근 연구되고 있는 벼과 모델 식물 숲개밀과 강아지풀

모델 식물 종의 특징
1. 식물체 크기가 작음
2. 쉽게 자람
3. 생산력이 높음
4. 세대 기간이 짧음
5. 유전체 크기가 작고 유전자 조작(교배, 돌연변이, 형질전환 등)이 편함
 
애기장대(Arabidopsis thaliana)는 1980년대부터 모델 식물로 이용된 대표적인 종이다. 식물 크기는 20~25cm로 작고, 생육 기간은 약 6주의 짧은 생활사를 가진다. 분류학적으로 배추과(Family Brassicaceae)에 속하는 2년생 쌍떡잎식물이다. 유전체 크기는 약 135Mbp 이하로 작다. 처음으로 진행된 달 토양에서 식물 발아 실험도 애기장대가 이용되었다 (Paul et al. 2022). 하지만 애기장대는 작물 생산에 관련되는 특정한 과정들이 존재하지 않거나 유전자와 관련된 네트워크가 상당히 다른 때(개화, 노화 등)가 있어서 한계가 있다. 특히, 벼, 옥수수, 밀 등이 속하는 곡물류(cereals)와 차이가 컸고, 그래서 최근에는 곡물류를 위한 모델 식물이 제시되고 있다 (Borrill 2020).

2000년대 후반부터 연구되기 시작한 Brachypodium distachyon은 대표적인 외떡잎식물의 모델 식물로 자리를 잡았다. 이 식물은 지중해 연안이 원산지인 1년생 초본으로 분류학적으로 벼과(Family Poaceae) 안에 밀, 보리 등이 포함되는 밀족(Tribe Triticeae) 식물들과 가까운 숲개밀족(Tribe Brachypodieae)에 속하는 C3 식물이다. 식물체 크기는 15~20cm로 비교적 작고, 생육 기간은 약 8~12주로 짧은 생활사를 가진다. 유전체 크기는 272Mbp 정도로 작다. ‘Bd21’과 같은 품종이 개발되었으며, 2010년에 처음 표준유전체도 조립되어 다양한 연구에 활용되고 있다.

숲개밀(Brachypodium sylvaticum)은 대표적인 외떡잎식물의 모델 식물인 B. distachyon과 같은 숲개밀속(Genus Brachypodium)에 속하는 우리나라 자생식물로, 유라시아 대륙의 온대지역에서 자란다. B. distachyon과 달리 다년생 초본이다. 유전체 크기는 360Mbp 정도이고 최근 표준유전체가 조립되었으며, 다년생 잔디류의 모델 식물로 활용될 잠재력을 가지고 있다 (Lei et al. 2024).

벼과(Family Poaceae)에 속하는 포아풀아과(Subfamily Pooideae)는 C3 식물로 밀족(Tribe Triticeae), 숲개밀족(Tribe Brachypodieae), 포아풀족(Tribe Poeae)과 같은 여러 식물들을 포함한다. 하지만 같은 벼과(Family Poaceae)에 속하는 기장아과(Subfamily Panicoideae)의 식물들은 온대 C4 식물들로 C3 식물들과는 다르게 광합성을 하며, 건조하고 뜨거운 조건에서 효율적으로 광합성을 할 수 있다. 기장아과(Subfamily Panicoideae)는 옥수수(Zea mays), 수수(Sorghum bicolor) 등 바이오연료로 많이 재배되는 작물들을 포함한다.

강아지풀(Setaria viridis)은 기장아과(Subfamily Panicoideae)의 기장족(Tribe Paniceae)에 속하는 우리나라 자생식물로, 유라시아 대륙 원산이지만 아메리카 대륙으로 귀화하여 자라는 1년생 초본이다. 식물체 크기는 약 20~80cm로 작고, 생육 기간은 약 6~8주로 짧은 생활사를 가진다. 유전체 크기는 400Mbp 이하로 작으며, 2020년 표준유전체가 조립되었다 (Mamidi et al. 2020; Thielen et al. 2020). C4 광합성 모델 식물로 연구되고 있다.

iNaturalist에서 얻은 사진들 (A) Arabidopsis thaliana [Photo 120869488], (B) Brachypodium distachyon [Photo 263850873], (C) Brachypodium sylvaticum [Photo 136923143], and (D) Setaria viridis [Photo 110488412]. 원본 출처: https://www.inaturalist.org/. Accessed 2024-06-03

숲개밀은 민숲개밀(Brachypodium sylvaticum var. miserum)이라는 자생하는 변종이 있고, 강아지풀은 갯강아지풀(Setaria viridis var. pachystachys)과 수강아지풀(Setaria viridis var. gigantea)이라는 자생하는 변종이 있다.

우리나라 국립수목원에서 운영하는 국가표준식물목록(http://www.nature.go.kr/kpni/)에는 애기장대가 자생식물로 분류되어 있지만, 미국 농무부(USDA)에서 운영하는 U.S. National Plant Germplasm System(https://npgsweb.ars-grin.gov/)에서는 Arabidopsis thaliana의 Distribution(분포지)이 Korea, Japan에 Naturalized(귀화)로 분류되어 있다. 국가별 기준이 달라서 그런 것인지는 알 수가 없었다.
 
 
참고문헌
Borrill, P. (2020). Blurring the boundaries between cereal crops and model plants. New Phytologist, 228(6), 1721-1727.
 
Lei, L., Gordon, S. P., Liu, L., Sade, N., Lovell, J. T., Rubio Wilhelmi, M. D. M., ... & Vogel, J. P. (2024). The reference genome and abiotic stress responses of the model perennial grass Brachypodium sylvaticum. G3: Genes, Genomes, Genetics, 14(1), jkad245.
 
Mamidi, S., Healey, A., Huang, P., Grimwood, J., Jenkins, J., Barry, K., ... & Kellogg, E. A. (2020). A genome resource for green millet Setaria viridis enables discovery of agronomically valuable loci. Nature Biotechnology, 38(10), 1203-1210.
 
Paul, A. L., Elardo, S. M., & Ferl, R. (2022). Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration. Communications biology, 5(1), 382.
 
Scholthof, K. B. G., Irigoyen, S., Catalan, P., & Mandadi, K. K. (2018). Brachypodium: a monocot grass model genus for plant biology. The Plant Cell, 30(8), 1673-1694.
 
Thielen, P. M., Pendleton, A. L., Player, R. A., Bowden, K. V., Lawton, T. J., & Wisecaver, J. H. (2020). Reference genome for the highly transformable Setaria viridis ME034V. G3: Genes, Genomes, Genetics, 10(10), 3467-3478.