미생물 공생은 지구 생명체의 기능적·계통발생학적 다양성을 이끄나, 배양의 어려움으로 인해 충분히 탐구되지 못했습니다. 본 연구는 다양한 환경 메타게놈 샘플과 참조 유전체에서 얻은 십만 개 이상의 미생물 유전체에 기계 학습(ML)을 적용하여 공생 생활 방식을 예측했습니다. 이는 공생 미생물의 유전체 특징을 식별하기 위해 개발된 ML 프레임워크인 symclatron을 활용하여 수행되었습니다.
예측 결과는 Symbiont Genomes(SymGs)라는 공생체 유전체 목록으로 구축되었습니다. 분석 결과, 배양되지 않은 미생물의 15~23%가 숙주 관련 또는 절대 세포 내 생활 방식과 같은 공생 관계를 맺고 있으며, 이는 알려진 세균 및 고세균 문(phyla)의 절반에서 발견되었습니다.
또한, 특정 대사 기능의 상실 및 숙주 의존적 생활을 가능하게 하는 대사 모듈의 차등적 존재를 포함하여 공생 생활 방식의 유전체 서명을 식별했습니다. symclatron 소프트웨어와 SymGs 목록은 공생 연구에 귀중한 자원이 될 것이며, 향후 숙주-미생물 연관성의 기전적 조사 및 공학적 활용을 촉진할 잠재력을 가집니다.
급변하는 병원균에 의해 기존 저항성 유전자가 무력화되면서 벼 흰잎마름병(BB)은 전 세계 벼 생산에 심각한 위협이 되고 있습니다. 본 연구에서는 다양한 Xoo 균주에 광범위한 저항성을 보이는 야생 벼(Oryza rufipogon) 계통인 Wild-173(UP36)의 유전적 저항성을 분석했습니다. 감수성 품종 Longjing-31(LG31)과의 교배를 통해 얻은 F2 집단의 유전 분석 결과, BB 저항성이 1:3의 분리비(저항성:감수성)를 보이는 열성 유전자좌에 의해 조절됨을 확인했습니다.
BSA-seq 및 미세 매핑을 통해 염색체 11번 장완의 약 34kb 구간에서 저항성 유전자좌를 특정했습니다. 이 구간에서 9개의 후보 유전자가 예측되었으며, 칼모듈린 결합 단백질과 EAP30/Vps36 도메인 함유 단백질을 암호화하는 두 유전자(xa53-1(t) 및 xa53-2(t))에서 UP36과 LG31 간의 서열 변이가 확인되었습니다. CRISPR/Cas9 유전자 편집을 통해 이 두 후보 유전자를 제거하자 병반 길이가 감소하여 BB 저항성에서의 기능적 역할을 입증했습니다.
UP36의 고품질 PacBio HiFi 어셈블리는 상당한 구조적 변이와 서열 차이를 보여, 이 유전자좌가 기존에 알려진 Xa 유전자들과는 다른 독특한 특성을 가짐을 시사합니다. Xoo 접종 후 RNA-seq 분석을 통해 방어 신호 전달, 스트레스 반응, 호르몬 매개 면역과 관련된 전사체 재프로그래밍을 확인했으며, qPCR 분석은 방어 관련 마커 유전자(PR1a, PR1b, PR5)의 강력한 유도를 보여주었습니다.
본 연구는 벼 흰잎마름병에 대한 새로운 열성 저항성 유전자좌를 동정하고 그 메커니즘을 규명함으로써, 미래 벼 품종 개량 및 지속 가능한 병해 저항성 전략 개발에 중요한 유전 자원을 제공합니다.
