현대 재배 목화 기원은 유카탄 반도
by 데이브 로에프케Dave Roepke, 아이오와 주립대학교
조너선 웬델Jonathan Wendel 교수는 베시 홀Bessey Hall에
있는 자신의 사무실에서 방문객에게 목화 열매(수천 년 동안 인간이 재배해 온 식물의 보호 꽃봉오리)에서 뿜어져 나오는 길고 하얀 솜털을 보여주며 "자연에는 이런 것이 없다"고 말했다.
야생 목화 열매는 훨씬 작고 더 어둡고 거칠며 짧은 섬유를 보유한다.
"어떻게 우리는 거기서 여기까지 오게 되었을까?"
아이오와 주립대학교 생태학, 진화학 및 생물생물학 분야 석좌교수인 웬델 교수는 수십 년 동안 이 질문을 던졌다.
"올해로 교수 생활 40년째인데, 이 프로젝트를 염두에 두고 이곳에 왔습니다. 그리고 이 문제를 해결하기 위한 자원, 도구, 기술을 개발하는 데 40년이 걸렸죠."
웬델 교수와 19명 공동 저자는 지난달 미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표한 논문에서 그 해답을 제시했다.
새로 수집된 야생 식물 샘플과 유전체 염기서열 데이터에 대한 정밀 분석을 통해 현대 목화가 멕시코 유카탄 반도에 자생하는 다양한 개체군에서 유래했다는 사실을 밝혀냈다.
목화의 계보를 추적하는 것은 과학자들이 식물의 진화 과정을 더 잘 이해하는 데 도움이 된다.
목화는 천연 섬유의 가장 흔한 원료로, 중요한 작물이라는 점에서 실질적인 이점도 있다.
목화의 기원을 아는 것은 유전적 보물지도와 같아서, 농부들이 다른 특성을 위해 품종 개량을 하면서 잃어버린 질병 저항성이나 염분 내성 같은 귀중한 형질을 어디에서 찾아야 할지 알려준다.
"인간이 식물을 길들이면, 많은 개체군 중에서 특정 품종만 골라내고 나머지는 버리게 됩니다. 그렇게 1,000세대를 거치면 유전적 기반이 매우 좁아지죠." 웬델은 말했다.
"그래서 우리는 야생의 유전적 다양성에 매우 관심이 많습니다. 아직 어떤 유전적 다양성이 남아 있는지 알고 싶어 하죠."
수년간 연구 끝에 완성된 표본들
현대 목화 원산지가 유카탄 반도라는 사실은 놀라운 일이 아니었다.
목화 유전학 분야 저명한 전문가인 웬델은 이전 연구에서 덜 정밀한 방법을 사용했지만, 멕시코 남동부 북쪽으로 굽이친 이 반도가 약 5,000년 전에 시작된 목화 재배화의 유력한 기원지일 가능성이 높다고 제시했다.
빠르고 저렴한 게놈 시퀀싱 기술 등장으로 웬델과 그의 동료들이 충분히 다양한 야생 표본을 수집할 수만 있다면 더욱 확실한 결론을 내릴 수 있게 되었다.
그는 평생 야생 목화를 수집했으며, 식물 표본실 선반과 카리브해 연안을 샅샅이 뒤져 다양한 변종을 찾았다.
웬델은 "만약 관찰하는 모든 표본에서 놀라운 새로운 변이가 발견된다면, 아직 연구가 포화 상태에 이르지 않은 것입니다. 하지만 다음에 발견한 10개 표본이 방금 채집한 것과 비슷하고, 모든 표본이 밀집된 형태를 보인다면, 굳이 계속해서 표본을 채집할 필요가 있겠습니까?"라고 말했다.
수년에 걸쳐 꾸준히 수집된 목화 식물 표본은 연구에 중요한 기여를 했지만, 알려진 야생 개체군에서 체계적으로 표본을 수집한 것이 핵심이었다.
아이오와 주립대학교 연구 과학자이자 생태학, 진화 및 생물 생물학 분야의 겸임 조교수인 코린 그로버Corrinne Grover는 새로운 표본의 염기서열 분석과 복잡한 데이터 분석을 주도했다.
그녀는 "우리 공동 연구자들은 유카탄 반도 전역에 걸쳐 전략적으로 표본을 추출하는 놀라운 작업을 수행했고, 염기서열 데이터를 확보한 후에는 그 표본이 어디에서 왔는지 매우 명확해졌다"고 말했다.
연구진은 개별 게놈 간 차이를 정량화하고 가장 유사한 게놈을 매핑하는 등 다양한 방법을 사용해 수백 개 목화 게놈을 비교해 연구 결과를 검증했다.
그로버는 이러한 분석을 통해 재배 목화 게놈이 유카탄 반도 북서쪽 지역에서 채집된 표본과 가장 유사하다는 것을 알게 되었다고 밝혔다.
웬델은 "기본적으로 우리는 사람의 계통도를 구축하는 것처럼 이 식물들의 방대한 데이터 기반 계통도를 구축하고 있다"고 말했다.
오래된 식물에서 새로운 이점을 찾다
재배 면화는 멕시코 유카탄 반도 북서부에서 시작되어 전 세계 면화 재배의 지배적인 위치를 차지하게 되었고, 남아메리카, 아프리카, 인도 등지에서 독자적으로 재배되던 다른 품종들을 밀어냈다.
멕시코 원산의 목화(Gossypium hirsutum), 일명 육지면upland cotton은 오늘날 면화 약 90%를 차지하는데, 연구자들은 이러한 확산이 급격한 돌연변이보다는 점진적인 개량에 기반한 것이라고 분석한다.
수천 년에 걸친 인간의 선택적 육종을 통해 야생에 남은 유전적 다양성은 면화 원산지에 가장 집중된다.
이는 재배 과정에서 유전적 병목 현상genetic bottleneck이 발생하여 세대가 거듭될수록 유전자 풀이 좁아졌기 때문이다.
연구진은 멕시코 유카탄 반도 북서부에서 무작위로 채취한 야생 면화 두 그루 게놈이 무작위로 채취한 현대 재배종 두 그루의 게놈보다 평균적으로 두 배나 많은 유전적 차이를 보인다는 사실을 발견했다.
웬델은 "재배 면화는 아주 작은 유전적 병목 현상을 통해 확산된 것"이라고 말했다.
그로버는 재배 면화와 야생 면화가 함께 자라는 온실을 둘러보면 이러한 다양성의 이점을 확연히 느낄 수 있다고 덧붙였다.
키가 작고 촘촘한 재배종 목화는 솜털 같은 열매를 맺지만, 야생종은 전반적으로 더 건강한 경우가 많다.
"야생종에는 유용한 유전적 특성이 있는데, 그 특성을 파악해서 재배종 목화에 도입할 수 있다면 좋을 것"이라고 그녀는 말했다.
"이제 유카탄에서 얻은 모든 데이터를 활용할 준비가 되었습니다."
Publication details
Weixuan Ning et al, Genomic diversity and the domestication history of cotton (Gossypium hirsutum), Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2607107123
Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences