식물 공생 미생물체, 병원성 미생물체 분석으로 식물 마이크로바이옴 기능 조절을 통해 작물 성장을 돕거나 멸종위기 보호종을 보전하는 기술

우수한 성장성 및 병충해에 강한 식물 자원을 생산, 유지하는 기술의 한계를 극복하여 생명현상 연구뿐만 아니라 품종개량 등에 활용

향후 5년 : 식물 성장에 효율적인 식물 마이크로 바이옴 엔지니어링 기술이 확립되어 식물 성장에 도움을 주는 식물 마이크로바이옴 기반 소재 개발

향후 10년 : 해당 기술의 고도화로 기후변화에 따른 농작물의 생산성 감소를 예방하고 환경변화로 인한 멸종위기 보호종을 유지할 수 있는 기술로 이용

1) 식물 성장과 관련된 식물 홀로바이옴 분석기술 - 식물 홀로바이옴은 숙주-미생물의 상호작용에 의해 형성된 환경을 의미하며, 식물 성장과정에 따른 식물과 미생물의 네트워크 분석 기술 - 16s rRNA sequencing과 shoutgun sequencing과 같은 유전자 분석 기술에 단백질 및 대사물질을 분석하는 기술을 접목하여 식물-미생물의 상호작용 네트워크를 분석할 수 있는 대량의 데이터 확보 - 식물 홀로바이옴 기반으로 식물 성장 및 병충해에 강한 식물을 개발 및 유지하는데 있어 유효한 식물 마이크로바이옴 기반 미생물, 고분자, 그리고 대사물질 발굴 기술 2) Bottom up 방식을 이용한 식물 마이크로바이옴 엔지니어링 기술 - 식물 성장에 도움을 주는 식물 마이크로바이옴의 발굴 및 개발 - 합성생물학 기반의 식물 성장 조절 인자를 생산하는 미생물 제작 기술 - 식물 성장에 도움을 주는 박테리아 종을 선정하여 식물 성장 조절 인자를 미생물 내로 도입하는 Bottom up 방식의 식물마이크로바이옴 엔지니어링 * Phage integrase system, ICE(Integrative and conjugative element) system, CRAGE(Chassis-independent recombinase-assited genome engineering) system 등 3) Top down 방식을 이용한 식물 마이크로바이옴 엔지니어링 기술 - 식물 성장환경에 직접 식물 성장 조절인자를 노출시켜 식물 주변에 존재하는 마이크로바이옴 군집에서 관련 인자의 생성을 유도하는 Top down 방식의 식물마이크로바이옴 엔지니어링 * Mini-ICEbs1 system과 MAGIC(The metabolomics alteration of gut microbiome in situ conjugation) system 등

유전자 분석 및 대사물질 분석 기술의 진보로 식물 마이크로바이옴의 면밀한 분석이 가능해짐에 따라 기존의 연구방식에서 벗어나 새로운 차원의 식물 마이크로바이옴 분석 및 활용 가능

로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 야스오 요시쿠니(Yasuo Yoshikuni) 박사팀에 의해 Biosynthetic gene cluster(BCG)를 정확하게 그리고 효율적으로 박테리아에 도입할 수 있는 CRAGE 기술을 개발(Nat Microbiol., 2019 Dec;4(12):2498-2510.) - 복잡한 BCG construct를 효율적으로 미생물에 도입할 수 있는 기술로, 미생물의 2차 대사물질 메커니즘을 확인할 있는 유전공학적 기술 - 기존의 Cre recombinase/loxP site를 활용한 기술로 유전자를 도입할 수 있는 박테리아의 종류가 증가 콜롬비아대의 해리스 왕(Harris H. Wang) 교수팀에 의해 metablomics alteration of gut microbiome in situ conjugation(MAGIC) 기술이 발달되어 숙주에 존재하는 마이크로바이옴을 표적으로 엔지니어링 하는 기술 개발 - MAGIC 기술은 인간 장 홀로바이옴 표적으로 기술이 개발 - MAGIC 기술은 높은 특이성과 효율을 보이는 방법으로 미생물 집단 전체를 엔지니어링을 할 수 있는 장점 보유

중앙대학교 이상준 교수팀에서 CRISPR/CAS9유전자가위를 이용한 미생물 엔지니어링 기술 개발(Genome Res. 2020 May; 30(5): 768–775.) - 미생물 유전체 편집 기술에서 단일염기 수준으로 미생물의 유전자를 편집할 수 있는 유전자가위 기술 개발 - 미생물 유전체 편집 기술을 이용하여 미생물의 성장 속도와 대사속도를 조절할 수 있는 기술로 활용가능하며 식물 마이크로바이옴 기술에도 충분히 적용 가능

작물의 성장 환경을 조절할 수 있는 친환경 바이오 비료 소재로 작물 성장에 필요한 성분을 생산할 수 있는 식물 마이크로바이옴은 환경의 오염을 줄이면서 작물의 생산력을 높일 것으로 전망스마트팜 시장의 성장과 함께 식물의 성장을 도울 수 있는 식물 마이크로바이옴의 시장도 동반 성장할 것으로 전망

식물 마이크로바이옴을 이용한 작물의 생산성 향상 및 품종 개량은 친환경적인 농업 및 축산업을 가능하게 하여 지속가능한 지구환경 유지에 기여할 것으로 기대

식물 마이크로바이옴 관련 국내 기술경쟁력 확보 및 고도화 기술개발 필요식물 마이크로바이옴 기술 개발에 대한 가이드라인 필요기후변화에 따른 식물 홀로바이옴 연구가 지속적으로 필요식물 마이크로바이옴 엔지니어링 기술에 의해 개발된 미생물이 실제 환경 내 안착(colonization)에 관한 분석 데이터 확보 필요

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