[논문] 새로운 토마토, 감자 가계도, 과일 색상과 크기가 함께 진화했음을 보여줌

가지과에 속하는 솔라눔 식물의 열매는 엄청나게 다양하며, 크기가 큰 붉은 토마토와 보라색 가지부터 감자 식물의 독성이 있는 녹색 열매까지 다양합니다. 펜실베이니아 주립 대학의 연구자들이 이끄는 국제 팀이 만든 이 그룹의 새롭고 개선된 가계도는 과일 색상과 크기의 놀라운 다양성과 이들이 어떻게 진화했는지 설명하는 데 도움이 됩니다.

팀은 크기와 색상 과일은 함께 진화했으며 과일-먹는 동물은 이전에 생각했던 것처럼 과일 진화의 주요 원동력이 아니었습니다. 연구 결과, 게시됨 저널에 새로운 식물학자연구자들은 또한 농업적으로 중요한 식물을 더 바람직한 특성을 지닌 것으로 개량하는 데 통찰력을 제공할 수도 있다고 밝혔다.

“약 1,300명이 있습니다. 종 “Solanum 속에 속해 있어서 세계에서 가장 다양한 식물 속 중 하나입니다.” 펜실베이니아 주립대 에버리 과학대학과 허크 생명과학 연구소의 생태학 및 생물학 대학원생이자 논문 주저자인 조앙 비토르 메세더의 말입니다.

“1970년대와 80년대 이래로 연구자들은 새, 박쥐 및 기타 과일을 먹는 동물이 Solanum과 같은 과일의 진화를 주도했다고 제안했습니다. 그러나 육질 과일의 다양화를 평가할 때 식물의 진화 역사의 중요성이 과소평가되거나 거의 고려되지 않았습니다.

“이 가설을 더 잘 검증하기 위해, 우리는 먼저 이 식물 그룹의 더 견고한 계통학 또는 가계도를 작성하여 종 간의 관계에 대한 이해를 높여야 했습니다.”

Solanum 속 식물은 크기, 색상, 영양가가 매우 다양한 과일을 생산합니다. 과일은 검은색, 보라색, 빨간색, 초록색, 노란색 또는 주황색으로 보일 수 있으며 크기는 1/4인치 미만에서 최대 8인치, 즉 0.5~20cm까지 다양합니다.

농업적으로 중요한 식물 외에도, 이 그룹의 식물 중 일부는 관상용 꽃을 위해 재배되며, 이 식물 중 많은 것의 열매는 인간과 새, 박쥐, 파충류, 영장류 및 기타 육상 포유류를 포함한 다양한 동물이 먹습니다.

연구원들은 전 세계 식물 샘플을 수집했습니다. 야생 식물 브라질, 페루, 푸에르토리코에서 온 종들과 식물원의 식물들을 수집하여 RNA로부터 유전자를 시퀀싱했습니다.

그들은 이전에 수집한 샘플과 공개적으로 이용 가능한 데이터를 보완하여 궁극적으로 총 247종의 1,786개 유전자의 시퀀스를 비교하여 Solanum 계통도를 재구성했습니다. 여기에는 계통도의 가지인 10개 주요 클레이드의 모든 대표와 속 내 47개 하위 클레이드 중 39개가 포함되었습니다.

“전체 속을 효과적으로 나타내는 종들 간에 공유되는 수천 개의 유전자를 사용함으로써 우리는 Solanum 계통도를 크게 개선하여 지금까지 가장 포괄적으로 만들었습니다.” 펜실베이니아 주립 대학의 식물 생식 발달 및 진화 분야의 허크 의장이자 생물학 교수인 홍 마(Hong Ma)의 연구실에서 연구를 수행했으며 논문의 공동 책임 저자인 메세더의 말이다.

“최근 기술의 발전으로 우리는 종과 계통군 간의 관계를 해결하는 데 많은 어려움을 겪었던 이전 연구보다 더 많은 유전자를 사용할 수 있었습니다. 이 개량된 나무는 다양한 과일 색상과 크기가 언제 유래했는지 또는 새로운 식물 종이 생겨나면서 어떻게 변했는지 이해하는 데 도움이 됩니다.”

연구자들은 감자와 토마토를 포함하는 그룹의 작은 가지와 그들의 가까운 친척과 먼 친척인 야생 종에 대한 상당한 해상도를 추가했습니다. 연구자들은 얻은 통찰력이 이 종과 속의 다른 작물에 대한 작물 개량 프로그램을 지원할 수 있다고 말했습니다.

“중요한 농작물의 가장 가까운 야생 친척이 바람직한 특성을 가지고 있다면, 그 종을 이용하여 작물을 교배하거나 유전자를 빌려, 예를 들어 온도나 해충에 대한 저항력을 향상시키거나 더 큰 과일이나 특정 색상의 과일을 생산할 수 있습니다.” 메세더의 말입니다.

연구자들은 Solanum 과일의 색상과 크기가 진화 역사에서 상당히 보존되었다는 것을 발견했는데, 이는 밀접한 관련 종은 비슷한 과일을 가지는 경향이 있음을 의미합니다. 과일 색상과 크기의 진화도 상관 관계가 있으며, 한 가지 특성의 변화는 종종 다른 특성의 변화와 일치하여 특정 색상의 과일이 다른 색상의 과일보다 더 크게 됩니다.

“이러한 결과는 생리학적 및 분자적 메커니즘이 과일 색상과 크기의 진화를 함께 유지하는 데 역할을 할 수 있음을 시사합니다.” 메세더는 말했다. “과일을 주로 먹는 과일식 동물과 씨앗 분산 동물이 다양화에 영향을 미칠 수 있지만, 과일이 어떻게 그렇게 다양해졌는지 연구할 때 모든 가능성을 고려해야 합니다.”

연구자들은 또한 가장 오래된 가지과 식물 화석(가시나무과에 속한 다른 속의 화석으로 약 5,200만 년 전으로 추정됨)에서 얻은 최신 정보와 진화적 분기의 길이에 대한 추정치를 향상시키는 특정 유전자에서 얻은 정보를 포함시켜 이 속의 기원과 다양화 연대표를 명확히 했습니다.

연구자들은 Solanum의 기원을 약 5,310만 년 전으로 추정했습니다. 이는 식물 세포의 다른 부분에서 나온 유전자를 기반으로 한 이전 추정치보다 무려 3,000만 년 더 빠른 것입니다. 이는 이 식물들이 새로운 그룹과 종으로 다양화되는 방식을 형성했을 수 있는 환경에 대한 새로운 그림을 그려냅니다.

“지구의 환경은 3천만 년 동안 기온, 대기 중 이산화탄소, 지리, 동물 다양성 측면에서 극적으로 변했습니다.” 메세더가 말했습니다. “이제 우리는 Solanum과 그 하위 그룹이 언제 유래했는지 알고 있으므로, 그 그룹의 다양성을 촉진했을 수 있는 조건과 다른 유기체가 어떻게 역할을 했을지에 대해 생각해 볼 수 있습니다.”

연구팀은 가장 초기의 솔라눔 식물들이 익어서도 녹색을 유지하는 중간 크기의 열매를 맺었고, 이 그룹의 녹색과 노란색 과일이 약 1,400만 년 전에 더욱 다양해졌다는 것을 발견했습니다.

연구자들은 박쥐가 유사한 진화적 타임라인과 현대의 녹색과 노란색 솔라눔 열매의 주요 분산자라는 점을 감안할 때 박쥐가 이 다양화에 역할을 했을 것이라고 추측했습니다. 이 기간 동안 새로운 박쥐 종이 생겨나 거주하는 곳이 확장되면서, 그들은 솔라눔 열매를 먹고 씨앗을 새로운 환경으로 가져갔습니다.

연구진은 다음으로 동물과 그들이 먹는 과일 사이의 현대적 상호작용이 두 그룹의 진화에 어떤 빛을 던질 수 있는지 탐구하고, 과일의 색상과 크기와 관련된 특정 유전자의 진화를 탐구할 계획이다.