내부에서 해결 방법 찾기:파나마산 게이샤(Geisha)의 유전적인 구성 조사 – 25 Magazine, Issue 9
세계 커피 수요는 꾸준히 증가하고 있지만, 기후 변화를 비롯한 여러 위협이 커피 생산의 미래에 커다란 문제가 되고 있습니다.
STEPHANIE ALCALA가 유전적 다양성의 현 상태와 기후 변화에 대한 내성이 강한 작물을 만들 수 있는 방법을 탐구하면서 널리 사랑 받는 파나마산 게이샤의 유전적인 구성을 조사하는 연구 프로젝트의 하이라이트를 몇 개 공유합니다.[1]
스페셜티 커피 산업은 안정적인 산지 재배 환경에 크게 의존하는 커피 종인 아라비카 커피(Coffea arabica)에 전적으로 의존하기 때문에 기후 변화에 가장 취약합니다. 기후 변화로 인해 2050년까지 커피 경작에 적합한 토지의 양 중 절반이 사라질 것으로 추정되고 있습니다. 하지만 커피 생산자들은 긴 가뭄 기간, 급변하는 온도, 그리고 재난적인 강우 등을 비롯한 기후 패턴의 불규칙성이 증가하는 기후 변화의 영향을 이미 겪고 있습니다. 이처럼 예측하기 힘든 기후 환경은 수확량과 커피 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 그러면 이미 커피 가격이 종종 생산 비용보다 낮게 떨어지는 등의 엄청난 어려움에 직면하고 있는 생산자의 경제적인 불안정이 더욱 심각해질 수 있습니다. 이 두 가지 문제는 생산자들이 일상적으로 겪고 있는 해충과 질병이나 노동 비용 같은 여러 다른 위협과 함께 커피 생산이 끝없는 악순환을 벗어나지 못하는 원인이 됩니다.
다행히 이런 문제를 해결하는 데 헌신하고 지속가능한 커피 산업을 만들기 위해 노력하는 수많은 개인과 조직이 있습니다. 그리고 필자는 우리 각자에게 모두 이런 문제를 해결하여 커피의 생존력을 높이는 데 기여할 수 있는 능력이 있다고 믿습니다. 해결 방법은 이런 지속적인 위협에 대한 지식 수준을 심화하고 이런 문제를 해결하는 데 헌신하는 조직들과 함께 참여하는 데 있습니다.
커피 유전학 기초
우리 산업의 미래를 위해서는 생산자들이 미래의 기후 환경을 견디고 뛰어난 컵 품질을 제공할 수 있는 식물 재료에 접근할 수 있어야 합니다. 하지만 아라비카 커피는 유전적인 다양성이 매우 적어서 기후 변화에 유전적으로 적응할 수 있는 능력이 제한적입니다. 그렇다면 이 문제를 어떻게 해결할 수 있을까요? 먼저 아라비카의 유전적인 기반이 좁은 이유를 이해해야 합니다. 아라비카 커피(Coffea arabica)는 두 커피 종인 카네포라 커피(Coffea canephora)(로부스타라고 함)와 유게니오이데스 커피(Coffea eugenioides)를 한 번 교배한 결과물이었는데, 이 두 종의 유전자 차이는 평균 1.3퍼센트에 불과합니다. 경작되는 커피의 개체군을 보면 아라비카의 유전적인 다양성은 더욱 감소합니다. 역사를 거치면서 진행되어 온 아라비카의 순화는 심각한 유전적인 병목으로 이어졌고, 현재 전 세계 소비를 위해 경작되는 아라비카 품종의 유전적 구성은 대부분 버번(Bourbon) 및/또는 티피카(Typica)에서 파생되었습니다. 또한 처음에 에티오피아에서 예멘에 도입된 이 두 가지의 초기 식물은 같은 숲의 개체군에서 채집되어 같은 유전자 풀에서 비롯되었다는 주장이 있습니다. 하지만 희망이 없는 것은 아닙니다.
아라비카를 처음 교배할 때 이 식물은 이질 사배체 생물로 만들어졌습니다. 이 말은 C. arabica(아라비카 커피) 종이 부모의 염색체를 각각 복제하여 게놈의 크기가 두 배로 커졌음을 의미합니다. 따라서 이 종의 두 부모는 모두 이배체 생물이지만, 아라비카는 C. eugenioides(유게니오이데스 커피) 유사 게놈과 C. canephora(카네포라 커피) 유사 게놈을 포함하는 게놈을 가진 배수성 생물체입니다. 이질 사배체 생물은 종자 식물에서 매우 흔하지만, 아라비카는 125가지 커피 종 중에서 이 혁신적인 특성을 가진 유일한 커피 종입니다. 따라서 다음과 같은 흥미로운 문제가 제기됩니다. 아라비카 커피가 배수성 생물체라는 사실이 컵 안에서 복합적인 맛을 만들어내는 능력 같은 매우 진기한 특성을 갖는 원인이 되었을까요? 또한 연구에서는 배수성 생물체가 장기적으로 진화적인 적응 능력을 가질 수 있는 것으로 나타났는데, 이 사실이 아라비카가 다른 어떤 커피 종보다도 기후 변화에 적응하는 유전적인 능력이 더 뛰어난 이유라고 해석할 수 있을지도 모릅니다.
아라비카의 독특한 게놈이 제시하는 유전적인 가능성에 초점을 맞추면 선별적인 번식에 주의를 집중하기 시작할 수 있습니다. 선별적인 번식이란 바람직한 특성을 가진 자손을 얻기 위해 사람이 두 생물체의 유성 생식에 개입하는 것을 말합니다. 커피의 경우, 가뭄 극복력과 질병 내성 특성이 있는 자손을 얻기 위해 선별적인 번식이 사용되어 왔습니다. 그러므로 선별적인 번식은 생산자의 자신감과 문제 극복 능력을 높이면서 커피 산업의 장수를 보장하는 데 필수적입니다. 아라비카가 성공하는 열쇠가 될 수 있는 놀라운 유전적 다양성의 두 가지 원천이 있습니다. 야생 개체군에 존재하는 124가지의 다양한 커피 종과 에티오피아 및 그 주변 지역에 남아 있는 토착 아라비카 커피 품종은 기존 품종들과 별개로 자체적인 돌연변이와 유전적 적응을 발전시켜 왔습니다.
지금의 품종은 질병 내성, 커핑 잠재력 등의 수준이 과거 품종과 달라서 특정 환경에서 번영할 수 있는 능력이 크게 다릅니다. 하지만 우리가 알고 있는 것처럼 이런 품종의 대부분은 유전적인 기반이 같기 때문에 유전적으로 유사합니다. 한 가지 예외는 고레이(Gorei) 마을 부근의 야생 에티오피아 개체군에서 비롯되어 이후에 열대 아메리카에서 게이샤(Geisha)라는 이름으로 자리를 잡은 게샤(Gesha) 품종입니다. 1931년에 에티오피아의 식물 재료를 채집하기 위한 영국 식민군의 탐사로 시작된 긴 여행 후, 이 품종은 아프리카 국가들 간에 처음 전파된 후 코스타리카를 거쳐 최종적으로 파나마까지 확산되었습니다. 최근에 에티오피아에서 분기를 경험한 게샤(Gesha)는 그 전에 라틴아메리카에서 경작된 커피와 유전적으로 달랐습니다. 이 커피는 모든 것을 바꿔놓았습니다.
그 후 게이샤(Geisha)의 재발견은 아메리카 대륙에서 더욱 널리 전파되는 결과로 이어졌습니다. 이 대륙에서는 이제 게이샤가 볼리비아, 과테말라, 그리고 심지어는 캘리포니아 같은 지역에서도 재배되는 것을 볼 수 있으며, 이 지역의 식물 재료는 모두 아시엔다 라 에스메랄다(Hacienda La Esmeralda)에서 파생되었습니다. 이런 게이샤(Geisha)의 전파로 필자는 다음과 같은 질문을 하게 되었습니다. 파나마산 게이샤에 내포된 유전적인 다양성은 얼마나 될까? 생산자들이 게이샤(Geisha)를 주로 재배하기 위해 농장을 개조하고 있다면, 이 변화는 농장의 기후 내성에 어떤 영향을 미칠 것인가? 모든 게이샤(Geisha)가 유전적으로 유사한가, 아니면 유전적인 차이가 있는가? 그리고 이 유전적인 차이가 독특한 속성 또는 특성과 연관이 있는가? 유전학을 전공하는 대학원생으로서, 필자는 다음에 대해 조사할 기회가 있었습니다. 경작되는 파나마산 게이샤(Geisha)는 유전적으로 얼마나 다양한가?
산지 현장에서
2016년 여름에 필자는 파나마의 치리키 주(Chiriquí Province)에 가서 아시엔다 라 에스메랄다(Hacienda La Esmeralda)의 농장을 가장 훌륭한 현장 기술자 중 한 명인 Fernando Callo와 함께 가로질렀습니다. 이 농장의 구획은 여러 부분으로 나뉘어 치리키 주(Chiriquí Province) 전역에 분산되어 있으며, 모두 보케테(Boquete)라는 아름다운 농업 마을 위에 자리잡고 있습니다. 그 결과, 아시엔다 라 에스메랄다(Hacienda La Esmeralda)에는 환경 조건이 저마다 독특한 여러 구획이 망처럼 연결되어 있습니다. 최근에 CATIE(Tropical Agricultural Research and Higher Education Center: 열대 농업 연구 및 고등 교육 센터)를 졸업한 볼리비아인인 Fernando는 구경을 시켜주면서 각 농장마다 독특하면서도 반복적으로 나타나는 형태 변형이 있는 게이샤(Geisha) 식물을 갖고 있다고 설명하기 시작했습니다. 그는 이렇게 형태가 다른 몇몇 식물이 컵 품질에 차이를 가져온다고도 설명했습니다.
Fernando Callo, Hacienda La Esmeralda s field technician, stands in front of a sign welcoming visitors to the farm (photo: Stephanie Alcala).
아시엔다 라 에스메랄다(Hacienda La Esmeralda)의 현장 기술자인 Fernando Callo가 농장 방문객을 환영하는 간판 앞에 서 있는 모습(사진: Stephanie Alcala).
이런 형태적 차이의 예로는 끝이 녹색이고 황동색인 잎이 있는데, 어린 잎은 황동색이나 녹색을 띠지만 성숙하면 잎이 녹색으로 변합니다. 그 외의 다른 변형에는 절간 간격, 잎 크기 및 모양, 그리고 가지 구조의 차이가 큰 식물과 키가 전체적으로 더 작고 수확량이 더 많은 식물이 포함되었습니다. Fernando는 키가 더 작은 식물과 잎의 색이 다른 식물로 만든 커피가 모두 컵 품질에 차이가 있다고 설명했습니다. 게이샤(Geisha)의 여러 품종에서 확인되는 이런 형태적인 변형과 연관된 유전적 다양성에 대해 조사한 출판된 연구가 없기 때문에, 필자는 이런 차이가 유전적인 변형과 연관이 있는지 아니면 단순히 표현형 적응성으로 인한 것인지 확인하려고 했습니다. 형태적 차이의 원인이 표현형 적응성인 경우, 표본들의 유전적 구성이 같고 형태적 차이가 환경의 변화에 식물이 반응(적응)하는 결과임을 의미합니다.
Bronze-tipped leaves on a Geisha plant growing at Hacienda La Esmeralda (photo: Stephanie Alcala).
아시엔다 라 에스메랄다(Hacienda La Esmeralda)에서 자라는 게이샤(Geisha) 식물의 끝이 황동색인 잎(사진: Stephanie Alcala).
연구에 사용된 식물은 5개의 로트에서 선택되었고, 게이샤(Geisha)에서 나타나는 형태적 차이의 범위가 포함되도록 한다는 목표로 선택되었습니다. 카투아이(Catuai)는 다른 품종 중에 유일하게 재배량이 풍부하기 때문에 이 품종도 채집되었고, 나중에 유전 분석에서 비교 대용품으로 사용되었습니다.
표본 식물 간에 차이가 존재하는지 조사하기 위해, ddRAD(Double -Digest Restriction-site Associated DNA) 라이브러리 준비 방식을 사용하여 단일염기 다형성(SNP)을 검출했습니다. SNP가 검출되면 표본 중 하나의 게놈 안에 있는 특정 위치에서 뉴클레오티드 하나가 다른 표본과 다름을 의미합니다. DNA 시퀀싱 같은 기술 발전은 커피와 같은 생물체의 유전적인 기반을 탐구할 수 있는 놀라운 기회를 제시했는데, 이런 기회는 몇 년 전만해도 생각할 수 없는 것이었습니다. 형태적 차이가 유전적 변형과 연관이 있는지 확인할 때 형태적 유형이 같은 식물의 SNP는 같은 것으로 확인될 것으로 예상됩니다.
유전적 다양성을 찾아
그렇다면 결과는 무엇이었을까요? 유전 분석에 따르면, 끝이 황동색인 잎과 끝이 녹색인 잎 사이에는 분명한 유전적인 상관 관계가 없었습니다. 하지만 그 원인은 하나의 지배적인 유전자가 어린 잎의 끝이 황동색인 이유이기 때문인 것으로 보이는 한편, 이중 열성 대립 유전자가 있는 개별 개체는 어린 잎의 끝이 녹색으로 나타납니다. 이 사실은 각 표본 게놈의 RRL(reduced-representation libraries)에 걸친 SNP 평가에 기반한 분석에서 단일 유전자를 토대로 분명한 상관 관계를 확인할 수 없는 이유를 설명합니다.
나아가 분석에서는 게이샤(Geisha)의 여러 형태적 유형 간에 분명한 유전적 상관 관계가 없는 것으로 나타났습니다. 그러나 직접적인 상관 관계는 없었지만 연구 결과에서는 게이샤(Geisha) 표본 간에 많은 유전적인 차이가 나타나기는 했습니다. 마지막으로, 모든 표본에 걸쳐 유전적인 차이를 조사하자 카투아이(Catuai) 표본과 게이샤 표본 간에 분명한 유전적인 차이가 있었는데, 이 차이는 카투아이가 까뚜라(Caturra)와 문도 누에보(Mundo Nuevo)의 자손이고, 따라서 티피카(Typica)와 버번(Bourbon)의 후손이기 때문에 예상된 것이었습니다. 하지만 예외가 하나 있었습니다. 키가 비교적 작은 게이샤(Geisha) 개별 개체 중 하나는 게이샤 그룹보다 카투아이(Catuai) 표본과 유전적인 연관성이 더 가까운 것으로 나타났습니다. 분석에는 키가 상대적으로 작은 두 가지의 게이샤(Geisha) 표본이 포함되었지만, 두 번째 표본이 게이샤(Geisha) 표본과 더 많은 유전적 관련성을 보였습니다. 이 사실은 특정 유전자가 이 형태적 특성을 좌우하는 것일 수 있음을 시사합니다. 필자는 커피 유전학을 연구할 수 있어서 이 매혹적인 식물의 진가를 더욱 인정하고 산업 전체가 어떻게 단일 종의 경작과 가치 사슬에 의존하는지 더 잘 알게 되었습니다.
필자가 생각하는 이 연구의 중요한 결과는 다음과 같습니다. 이 에티오피아 품종은 라틴아메리카에서 성공적인 경작이 가능하여 독특한 유전자 구성뿐만 아니라 매우 흥미로운 (아주 멋진!) 커핑 프로파일도 갖게 되었습니다. 따라서 이제는 자원 투자 방향을 새 품종 개발로 전환해야 할 뿐만 아니라 에티오피아와 주변 지역의 유전적으로 다양한 품목을 전 세계의 다른 국가들과 나누기도 해야 합니다. 현대인은 이런 복잡한 문제에 직면하면서도 이 위협을 해결하는 데 도움이 될 수 있는 놀라운 기술을 이용할 수 있는 독특한 시대에 살고 있습니다. 필자는 커피 산업이 계속 점점 나아질 것이라 믿지만, 그러기 위해서는 현 상황에 안주하지 않고 혁신을 계속 받아들여야 합니다. 필자는 전체 커피 산업이 존속하기 위해 의존하는 고품질 커피를 생산할 수 있는 식물 재료로 업계의 초점과 자원 투자 방향이 전환되기를 바랍니다.
STEPHANIE ALCALA는 SCA LEAD 장학금을 받고 있습니다. 그녀는 휘티어 대학(Whittier College)에서 환경 과학 학사 학위를 받고 미시건 대학교(University of Michigan)에서 생태학 및 진화 생물학 석사 학위를 수여했으며, 이 두 학위를 모두 Coffee Manufactory의 지속가능성 책임자 업무를 수행하는 데 활용하고 있습니다.
[1] 이 품종의 철자법에 대한 많은 논란이 있습니다. 이 글에서 필자는 파나마산 품종을 가리키는 말로 게이샤(Geisha)를 사용하고(필자는 게이샤(Geisha)라는 이름이 사용되고 파나마와 직접 연결되는 파나마에서 표본을 채취했음) 에티오피아 품종을 게샤(Gesha)라고 지칭하지만, 이 역시도 완전히 정확하지 않을 수 있습니다. 역사적인 문헌에 따르면, 에티오피아에서 채집되고 결국에는 파나마까지 보급된 이 식물 재료는 실제로 게이샤 산의 북동쪽 끝에 있는 고레이(Gorei, 바르도(Bardo) 또는 보르데(Borde)라고도 함) 마을에서 채집되었습니다. 어쩌면 이 품종을 실제로 고레이(Gorei)라고 불러야 할지도 모르겠습니다!