(Two inflorescences of the holoparasitic plant Lophophytum pyramidale coming out from an underground tuber, which is attached to the roots of its host tree Parapiptadenia rigida. Credit: Hector A. Sato.)
내가 지닌 유전자는 기본적으로 부모로부터 물려받은 것입니다. 하지만 일부 유전자는 조상이 아닌 다른 생물에서 유래한 것도 존재합니다. 다른 생물의 유전자가 전달되는 현상을 수평적 유전자 전달(HGT, horizontal gene transfer)라 하는데 주로 미생물과 박테리아에서 흔하게 관찰됩니다.
다만 특수한 관계에 놓인 생물들은 다세포 생물인데도 수평적 유전자 전달이 활발하게 일어납니다. 단 사이가 좋아서가 아니라 그 반대인 경우도 있습니다. 예를 들어 기생 식물은 숙주의 세포에서 영양분을 갈취하면서 가져온 유전자를 이용해 숙주에 효과적으로 침투합니다.
마리아 버지니아 산체스-푸에르타 가 이끄는 아르헨티나 쿠요 국립대학교의 연구팀은 최근 광합성을 할 수 없고 숙주 식물로부터 물, 영양분, 에너지를 얻는 완전 기생 식물인 로포피툼의 수평적 유전자 전달(HGT)을 연구했습니다.
연구팀에 집중한 부분은 수평적 유전자 전달에 취약한 미토콘드리아 게놈입니다. 세포 내 발전소인 미토콘드리아는 과거 독립된 세균의 후손으로 자체적엔 유전자를 일부 지니고 있습니다.
사실 대부분의 외래 DNA는 수용 식물에서 기능을 하지 못하고 결국 소실되는데, 미토콘드리아 유전자의 경우 핵 유전자 간의 세포핵 적합성이 요구되기 때문에 수평 전달의 가능성이 매우 낮을 수밖에 없습니다.
하지만 연구팀은 숙주 식물에서 완전기생식물인 로포피툼으로 유전자가 전달되는 과정을 연구하던 중 예상치 못한 발견을 했습니다. 이 식물이 숙주 식물로부터 획득한 엄청난 양의 미토콘드리아 DNA를 가지고 있다는 사실을 발견한 것입니다. 더구나 이 유전자는 그냥 건너온 것이 아니라 실제 기능을 수행했습니다.
이 예상치 못한 발견을 설명하기 위해 연구팀은 밀접하게 관련된 두 로포피툼 종인 로포피툼 미라빌레와 로포피툼 피라미달레를 연구했습니다. 먼저 이 식물들의 미토콘드리아 전체 게놈을 시퀀싱하고 조립한 다음, 숙주 식물의 게놈과 비교했습니다. 그리고 비교 유전체학 및 계통 발생 분석을 수행해 외래 유전자 발현에 관여하는 DNA 영역이 고유 유전자인지 외래 유전자인지 확인했습니다.
연구 결과 이 완전기생식물은 숙주 식물로부터 획득한 기능성 유전자 복제본으로 자신의 미토콘드리아 유전자 상당수를 대체한 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 유전자들은 숙주 식물의 핵 조절 과정 없에 완전기생식물 고유의 세포 메커니즘에 의존하여 기능을 발휘했습니다.
연구팀은 그 이유를 설명하기 위해 '원형 매개 수평적 유전자 전달(Circle-mediated HGT)' 모델을 제시했습니다. 이는 외래 미토콘드리아 DNA가 짧은 인접 반복 서열을 이용하여 수용체 미토콘드리아에서 원형화될 수 있으며, 이로 인해 수용체 식물에서 자율적으로 복제할 수 있는 원형 염색체가 형성된다는 것입니다.
아무튼 숙주 미토콘드리아 DNA까지 활용하는 재주 만큼이나 이렇게 하면 기생 식물에게 어떤 이득이 있는지가 궁금합니다.
참고
https://phys.org/news/2026-07-holoparasitic-genes-host-dna-survive.html
Maria Emilia Roulet et al, A structural solution to functional HGT: gene chimaerism bypasses mitochondrial expression barriers in parasitic plants, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences (2026). DOI: 10.1098/rspb.2025.2955.
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