혹독한 겨울을 견디지 못하면 화려한 봄꽃을 피울 수 없다

Article at a Glance

꽃피는 시기를 결정하는 환경요인은 온도와 광주기(光週期)다. 대개 봄에 꽃피는 식물은 고온장일(高溫長日) 조건하에서 꽃을 피우게 된다. 적어도 늦봄에 꽃피는 식물은 그렇다. 그러나 이른 봄에 피는 꽃, 즉 풍년화, 매화, 개나리, 진달래 등은 저온단일(低溫短日) 조건하에서 꽃을 피운다. 즉, 늦가을에 꽃봉오리를 만들고, 새싹을 품은 겨울눈과 함께 혹독한 겨울 추위를 고스란히 견뎌낸 후 비로소 다음 해 봄에 꽃을 피우는 것이다. 인고의 시간을 견뎌낸 후 화려한 모습을 드러내는 이른 봄꽃들은 요즘처럼 정치적으로나, 경제적으로나 어려운 시기를 살아가는 우리 인생 모두가 귀감으로 삼을 만한 표본인 듯하다.

식물은 어떻게 계절을 칼같이 알아내어 꽃을 피우는 걸까? 식물이 계절을 인식하는 방법은 무엇일까? 식물은 우리 인간들처럼 달력을 들여다볼 재주는 없다. 하지만 아주 예민한 환경 감지기를 가지고 있어 봄·여름·가을·겨울 사계절의 세밀한 환경 차이를 인지하는 능력이 있다. 꽃피는 시기를 결정하는 가장 중요한 환경요인은 온도와 빛인데 이들을 인지하는 감지기를 식물이 가지고 있는 셈이다. 이들 감지기는 상당히 복잡한 유전자 조합으로 이뤄져 있다. 이 때문에 이들 감지기를 과학자들이 찾아내는 데 무려 100년이라는 세월이 필요했다. 조금 딱딱해질 수 있지만 꽃피는 기작의 발견 과정을 살펴보고 그 과정에서 느꼈을 ‘유레카’의 희열들을 같이 음미해보자.

온도 감지기의 인식

꽃피는 시기를 결정하는 환경 요인으로 아주 일치감치 알려진 요인 중 하나가 겨울 저온이다. 많은 식물들이 겨울 저온을 거쳐야 다음 해 봄에 꽃을 피울 수 있다. 대표적인 예가 겨울종의 밀과 보리다. 겨울종 밀은 따뜻한 온실에서 계속 키우면 아예 꽃이 피지 못한다. 꽃이 피지 못하면 당연히 밀알을 얻지도 못한다. 이 때문에 특히 추운 겨울을 나는 러시아에서 겨울종 밀에 대한 연구가 집중적으로 이뤄졌다. 1920년대 러시아 과학자들은 겨울저온에 의한 개화유도 현상을 ‘춘화처리(vernalization, 작물의 개화를 유도하기 위해 생육 기간 중 일정 시기에 저온처리를 하는 것)’라고 명명하고 춘화처리가 필요 없는 여름종 밀과 비교해 한두 개의 유전자 작용이 필요하다는 사실을 밝혔다. 당시의 과학 기술로는 온도 감지기가 도대체 무엇인지 알아낼 도리는 없었고, 겨울 저온이라는 온도를 감지하는 능력이 식물에 있음을 알아낸 정도의 성과를 얻은 것이다.

당시로선 이러한 성과도 큰 발견이라 할 수 있었다. 이 발견은 곧 구소련의 식물생리학자 라이센코 박사를 일약 세계적 스타 과학자로 발돋움하게 했고, 심지어 그를 공산주의 사회혁명의 구국투사로 자리매김하게 했다. 겨울 저온이라는 환경요인이 겨울종 밀의 생리적 상태를 근본적으로 변화시켜 꽃이 필 수 없던 식물을 꽃이 필 수 있게 만들었다는 사실은, 인간 또한 사상적 개조를 통해 이상적인 인간형으로 변화시킬 수 있다는 공산주의 철학에 잘 맞아 떨어졌기 때문이다.

라이센코 박사는 춘화처리 효과에서 얻은 자신의 경험을 무한 확장시켜 모든 생명현상이 적절한 환경조건에 의해 개량될 수 있다는 패러다임을 적극적으로 전파하게 된다. 적어도 구소련 체제하에서는 이 패러다임이 모든 생물학자들에게 우격다짐으로 강요돼1 1실례로 라이센코 박사는 옥수수의 당도를 증가시키기 위해 옥수수 밭에 설탕을 뿌려 재배하게 했는데 당도가 증가하기는커녕 옥수수의 생장이 오히려 저해됐다. 이는 전혀 생물학적이지 않은 논리로 환경을 변화시키면 원하는 형질을 마음대로 얻게 된다는 ‘라이센코이즘’의 대표적인 사례다. 닫기 소련 생물학의 엄청난 퇴보를 가져오게 만든다. 환경에 의해 생리적 변화가 일어나는 현상은 매우 특별한 생명 현상으로 이를 후생유전학2 2후생유전학이란 DNA 염기서열의 변화 없이 DNA상의 화학적인 변화가 유전되는 현상을 말한다. 즉 일반적인 유전현상은 DNA에 있는 염기서열 정보에 따라 새겨진 유전자 정보가 자손에게 유전되는 것이다. 후생유전학의 경우에는 DNA 염기서열은 똑같은데 다른 표현형을 유발하는 정보가 자손에게 전달된다. 이것은 유전자 정보의 활용 방법에 차이를 일으키는 미묘한 화학적 변화가 DNA에 일어나 염기서열의 변화 없이 유전자가 꺼진 상태가 자손에게 유전되는 현상이다. 닫기 이라 하는데, 최근에야 그 분자적 기작이 밝혀지고 있다. DNA가 유전자의 화학적 본질이라는 사실을 전혀 몰랐던 당시의 과학 기술로는 상상조차 할 수 없는 기작이다.

저온 감지기의 발견

겨울 저온을 인식해 봄에 개화를 할 수 있게 만드는 후생유전학적 연구기작은 필자의 박사 과정 지도교수였던 리처드 아마시노 교수와 지도학생이었던 성시범 박사가 2004년 <네이처>에 발표했다. 추운 겨울을 지내야만 꽃을 피우는 식물의 경우 대개 FLC(Flowering Locus C)라는 유전자가 일정량 발현을 지속하면서 해당 식물이 저온 처리를 받기 전까지 개화를 억제하는 역할을 한다. 아미시노 교수와 성시범 박사는 이와 관련해 ‘VIN3(Vernalization Insensitive 3)’라는 유전자가 겨울 저온 동안에 유전자 발현양이 천천히 늘어나면서 FLC의 스위치를 완전히 꺼버리는 기작을 밝혀냈다.

연구 결과에 따르면, VIN3 유전자는 춘화처리를 인지하는 유전자가 가지고 있을 것으로 추정되는 다양한 분자적 특성을 가지고 있다. 우선 단순히 며칠간의 저온에 의해서는 유전자 발현이 되지 않고 장기간의 겨울 저온을 거쳐야만 서서히 발현된다. 실제 저온 처리만으로는 개화가 촉진되지 않고 장기간의 겨울 저온이 와야 개화가 촉진되는 식물의 생리적 반응과 잘 부합하는 특성이다. 또한 VIN3 유전자가 망가진 돌연변이체는 FLC의 발현을 억제하지 못한다. 이 때문에 춘화처리 반응이 일어나지 못하게 된다.

춘화처리 기작에 작용하는 유전자는 식물마다 많이 다르다. 최근에 밝혀진 밀과 보리의 춘화처리를 담당하는 유전자는 위에서 언급한 VIN3, FLC와는 다르다. 지구상의 서로 다른 위치에서 독립적으로 춘화처리 기작이 진화돼왔기 때문에 식물마다 사용하는 유전자가 다른 것이라 생각된다. 그러나 춘화처리가 진행되는 원리는 유사하다. 즉, FLC처럼 개화를 억제하는 유전자가 꽃이 피지 못하게 막고 있고, 춘화처리가 진행되면서 VIN3와 같은 기능을 하는 유전자들이 작동하면서 개화억제 유전자가 후생유전학적인 방법으로 발현이 꺼진 상태가 된다. 그렇게 되면 다음 해 봄에 적절한 환경조건하에서 꽃이 필 수 있게 되는 것이다.

빛 감지기의 인식

식물이 계절을 인식하는 또 다른 중요한 환경요인으로 빛을 들 수 있다. 그중에서도 특히 하루 중 낮의 길이, 즉 광주기(光週期)가 매우 중요한 역할을 한다.

사실 따지고보면 사계절 중 규칙적으로 변화하는 건 온도보다는 광주기에서 더 두드러진다. 봄에서 여름으로 가면서 낮의 길이는 점점 더 길어지고 반대로 가을에서 겨울로 접어들면서 낮의 길이는 점점 짧아진다. 식물은 이러한 규칙적 환경변화를 꽃피는 시기를 결정하는 환경 신호로 이용한다.

광주기가 식물의 개화시기 결정에 중요하다는 사실은 우연히 발견됐다. 1920년대 미국의 농무성 산하 메릴랜드연구소에 근무하던 가너 박사와 앨러드 박사는 당시 인기 연구재료였던 담배를 가지고 다양한 생리적 특성을 조사하고 있었다. 그런데 우연히 손에 얻은 ‘메릴랜드 매머드 담배’라는 자연발생적 돌연변이 담배에서 매우 흥미로운 발견을 하게 된다. 이 담배는 꽃이 피지 않아서 엄청난 크기로 자라는 특성을 가지고 있었다. 왜 매머드 담배라고 이름을 붙였는지 사진을 보면 금방 이해할 수 있을 정도로, 거의 나무처럼 자라는 담배다.