잘 익은 과일의 색과 크기를 말단 끝에 매핑한 솔라넘의 원형 계통도와 내부 노드의 조상 문자 재구성을 색으로 표시한 (a) 및 (b)의 원형 계통도.

Credit: New Phytoloqist (2024)

by Gail McCormick, Pennsylvania State University

밤나무과에 속하는 솔라눔 식물의 열매는 커다란 빨간 토마토와 보라색 가지부터 감자 식물의 유독한 녹색 열매에 이르기까지 매우 다양합니다. 펜실베이니아 주립대 연구진이 이끄는 국제 연구팀이 제작한 이 그룹의 새롭고 개선된 가계도는 과일의 색과 크기가 놀랍도록 다양하고 어떻게 진화했는지 설명하는 데 도움이 됩니다. 연구팀은 과일의 크기와 색이 함께 진화했으며, 과일을 먹는 동물이 과일 진화의 주요 동인이라고 생각했던 것과 달리 과일을 먹는 동물이 과일 진화의 주요 동인이 아니라는 사실을 발견했습니다. 학술지 ‘뉴 식물학자’에 게재된 이 연구는 농업적으로 중요한 식물을 보다 바람직한 형질로 육종하는 데 통찰력을 제공할 수 있다고 연구진은 말했습니다.

“솔라넘 속에는 약 1,300여 종의 식물이 있어 세계에서 가장 다양한 식물 속 중 하나입니다.”라고 펜실베니아 주립 에벌리 과학대학 및 허크 생명과학연구소의 생태 및 생물학 대학원생이자 논문 제1저자인 주앙 비터 메세더(João Vitor Messeder)는 말합니다. “1970년대와 80년대부터 연구자들은 새, 박쥐 및 기타 과일을 먹는 동물이 솔라넘과 같은 과일의 진화를 주도했다고 주장해왔습니다. 그러나 다육 과일의 다양화를 평가할 때 식물의 진화 역사의 중요성은 과소평가되거나 거의 고려되지 않았습니다. “이 가설을 더 잘 테스트하려면 먼저 종 간의 관계에 대한 이해를 높이기 위해 이 식물 그룹의 계통 발생 또는 가계도를 더 강력하게 만들어야 했습니다.” 솔라눔 속의 식물은 다양한 크기, 색, 영양가를 지닌 과일을 생산합니다. 검은색, 보라색, 빨간색, 녹색, 노란색 또는 주황색으로 나타나며 크기는 1/4인치 미만에서 최대 8인치(0.5~20cm)까지 다양합니다.

농업적으로 중요한 식물 외에도 이 그룹의 일부 식물은 관상용 꽃으로 재배되며, 이 식물의 열매는 인간과 새, 박쥐, 파충류, 영장류 및 기타 육상 포유류를 포함한 다양한 동물이 먹습니다. 연구진은 브라질, 페루, 푸에르토리코의 야생 식물과 식물원의 식물을 포함해 전 세계에서 식물 샘플을 수집하고 RNA에서 유전자를 염기서열 분석했습니다. 연구진은 이전에 수집한 샘플과 공개된 데이터를 보완하여 총 247종의 1,786개 유전자 염기서열을 비교하여 솔라넘 계통을 재구성했습니다. 여기에는 나무의 가지인 주요 계통 10개의 모든 대표 계통과 속 내 47개의 작은 계통 중 39개의 대표 계통이 포함되었습니다. “우리는 전체 속을 효과적으로 대표하는 종들 간에 공유되는 수천 개의 유전자를 사용하여 솔라넘 가계도를 크게 개선하여 현재까지 가장 포괄적인 가계도를 만들었습니다.”라고 식물 생식 발달 및 진화 분야의 허크 석좌교수이자 펜실베니아 주립대 생물학 교수이자 논문 공동 교신저자인 홍 마의 실험실에서 연구를 수행한 메서더는 말했습니다. “최근 기술의 발전으로 이전 연구보다 더 많은 유전자를 사용할 수 있게 되었지만, 종과 군집 간의 관계를 파악하는 데 많은 어려움이 있었습니다. 이 개선된 가계도는 다양한 과일의 색과 크기가 언제 생겨났는지, 새로운 식물 종이 생겨나면서 어떻게 변화했는지 이해하는 데 도움이 됩니다.”

연구진은 감자와 토마토를 포함하는 이 그룹의 작은 가지와 밀접한 관련이 있거나 더 먼 거리에 있는 야생 종에 대한 상당한 해상도를 추가했습니다. 연구진은 얻은 통찰력이 이러한 종과 같은 속의 다른 작물에 대한 작물 개량 프로그램을 지원할 수 있다고 말했습니다. “중요한 농작물의 가장 가까운 야생 친척이 바람직한 형질을 가지고 있다면, 예를 들어 온도나 해충에 대한 저항성을 개선하거나 더 큰 과일이나 특정 색의 과일을 생산하기 위해 해당 종으로 작물을 번식하거나 유전자를 빌릴 수 있습니다.”라고 Messeder는 말합니다. 연구진은 솔라넘 열매의 색과 크기가 진화의 역사를 통해 상당히 보존되어 왔으며, 이는 밀접하게 관련된 종은 비슷한 열매를 갖는 경향이 있다는 것을 의미합니다. 과일 색과 크기의 진화도 상관관계가 있어 한 형질의 변화가 다른 형질의 변화와 일치하는 경우가 많아 특정 색의 과일이 다른 색의 과일보다 더 커지는 경우가 많았습니다.

“이러한 결과는 생리적 및 분자적 메커니즘이 과일의 색과 크기의 진화를 유지하는 데 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다.”라고 메세더는 말합니다. ” 과일을 주로 먹는 동물인 초식동물과 종자 분산자가 다양화에 영향을 미쳤을 수 있지만, 과일이 어떻게 이렇게 다양해졌는지 연구할 때는 모든 가능성을 고려해야 합니다.” 연구진은 또한 약 5,200만 년 전 화석으로 추정되는 나이트쉐이드과의 다른 속 화석에서 나온 가장 오래된 화석과 진화 가지의 길이 추정치를 개선한 특정 유전자로부터 얻은 최신 정보를 포함하여 이 속의 기원과 다양화 연대표를 부분적으로 명확히 했습니다.  연구진은 솔라넘의 기원을 약 5,310만 년 전으로 추정했는데, 이는 식물 세포의 다른 부분의 유전자를 기반으로 한 이전 추정치보다 3천만 년이나 앞당긴 것입니다. 이를 통해 식물이 새로운 그룹과 종으로 다양화되는 과정을 형성했을 수 있는 환경에 대한 새로운 그림이 그려집니다.

“지구의 환경은 3천만 년 동안 기온, 대기 중 이산화탄소, 지형, 동물 다양성 측면에서 극적으로 변화했습니다.”라고 메세더는 말합니다. “이제 우리는 솔라넘과 그 하위 그룹이 언제 기원했는지 알았으므로, 그 그룹의 다양화를 촉진했을 수 있는 조건과 다른 유기체가 어떤 역할을 했을지 생각할 수 있습니다.”  연구팀은 솔라넘의 초기 구성원은 익었을 때 녹색을 유지하는 중간 크기의 열매를 가졌으며, 이 그룹의 녹색 및 노란색 열매는 약 1400만 년 전에 더욱 다양해졌다는 사실을 발견했습니다.

연구진은 박쥐의 진화 시기가 비슷하고 박쥐가 현대의 녹색과 노란색 솔라넘 열매의 주요 전파자라는 점을 고려할 때 박쥐가 이러한 다양화에 중요한 역할을 했을 것으로 추측했습니다. 이 기간 동안 새로운 박쥐 종이 생겨나고 서식지가 확장되면서 솔라넘 열매를 먹고 그 씨앗을 새로운 환경으로 옮겼기 때문입니다. 다음으로 연구진은 동물과 동물이 먹는 과일 사이의 현대적 상호작용이 어떻게 두 집단의 진화를 밝히고 과일의 색과 크기와 관련된 특정 유전자의 진화를 탐구할 수 있는지 탐구할 계획입니다.

출처:  João Vitor S. Messeder et al, A highly resolved nuclear phylogeny uncovers strong phylogenetic conservatism and correlated evolution of fruit color and size in Solanum L., New Phytologist (2024). DOI: 10.1111/nph.19849

Journal information: New Phytologist