중국의 복제형 잡종벼 개발 성과, 세계 식량 안보 바꿀 수 있다

농업의 혁신적 돌파구

중국 연구진이 수십 년간 많은 과학자가 꿈꿔 온 성과를 이뤄냈다. 세대를 거듭해도 높은 수확량 특성을 유지하며 클론 종자를 통해 스스로 복제할 수 있는 잡종벼를 개발한 것이다. 이번 성과는 세계 농업의 전환점이 될 가능성이 있다. 잡종벼 생산의 가장 큰 걸림돌인 농민들의 매 시즌 값비싼 새 잡종 종자 구매 필요성을 없앨 수 있기 때문이다. 세계 수억 명이 심각한 식량 불안에 직면하고 농업 시스템이 늘어나는 인구의 수요를 감당하는 데 어려움을 겪는 중요한 시점에 나온 성과다.

중국농업과학원 산하 중국국가벼연구소의 왕커젠이 이끄는 연구팀은 무수정생식(apomixis), 즉 수정 없이 종자가 발달하는 과정을 통해 거의 완벽하게 클론 번식이 가능한 잡종벼를 개발했다. 업계 일부 추산에 따르면, 이 기술이 널리 보급될 경우 세계 쌀 생산량을 두 배로 늘릴 수도 있어 농민들의 벼 재배 방식이 바뀔 것으로 기대된다.

잡종강세와 그 한계

이번 성과의 의미를 이해하려면 잡종강세, 즉 잡종강세 현상(heterosis)을 알아야 한다. 유전적으로 다른 두 모본을 교배했을 때 어느 쪽 모본보다 우수한 특성을 가진 자손이 나오는 현상이다. 잡종벼는 생육이 빠르고 병해충 저항성이 뛰어나며 수확량이 크게 늘어나는 등 놀라운 특성을 보인다. 아프리카 일부 지역에서는 기존 품종보다 수확량이 최대 네 배에 이른다.

하지만 이런 장점에는 큰 단점이 따른다. 유성생식 과정에서 유전자가 재조합되기 때문에 잡종 식물의 우수한 특성은 다음 세대에서 사라진다. 잡종 식물이 자연적으로 번식하면 유전자가 다시 섞이고, 높은 성능을 가진 모본을 만든 유리한 유전자 조합이 사라진다. 따라서 높은 수확량을 유지하려면 농민들이 매 시즌 새 잡종 종자를 사야 한다. 이 같은 반복 비용은 특히 개발도상국의 소농을 비롯해 여러 지역에서 잡종벼 보급을 제한해 왔다.

캘리포니아대학교 데이비스 캠퍼스 식물과학과 명예 부교수이자 세계식량상 수상자인 구르데브 쿠시는 경제적 어려움을 다음과 같이 설명했다.

수확량을 약 10% 높이기 위해 잡종벼를 육종하는 데는 비용이 비교적 많이 듭니다. 그 때문에 잡종벼의 이점은 아직 세계 여러 지역의 농민에게까지 미치지 못했습니다.

중국에서 잡종 종자는 킬로그램당 최대 200위안(미화 28달러)에 달하며, 다른 나라에서는 가격이 더 높아 일반 벼 종자보다 최대 100배 비싸기도 하다. 수확량이 늘어나는 이점에도 불구하고 이런 가격 구조는 널리 보급되는 데 큰 장벽이 되고 있다.

무수정생식의 과학

무수정생식(apomixis)은 그리스어에서 유래한 말로, ‘섞이지 않음’을 뜻하며 종자를 통한 무성생식의 한 형태다. 이 과정에서 식물은 정상적인 유성생식에서 일어나는 유전자 재조합을 거치지 않고 모식물과 유전적으로 동일한 클론 종자를 만든다. 야생 식물 400종 이상이 자연적으로 무수정생식을 하지만, 주요 식량작물 가운데 이 능력을 자연적으로 지닌 작물은 없다.

중국 연구팀은 유전자 변형을 통해 벼에서 무수정생식을 유도했다. 이 과정에는 두 가지 핵심 생물학적 메커니즘이 작용한다. 첫째, 식물의 생식 체계를 조작해 감수분열이 아닌 유사분열로 난세포를 만들도록 한다. 정상적인 유성생식에서는 감수분열을 통해 염색체 수가 절반인 생식세포(난세포와 정자)가 만들어진다. 연구진이 적용한 변형은 모식물과 유전적으로 동일한 완전한 염색체 세트를 가진 난세포를 만들도록 한다.

둘째, 무수정단위생식(parthenogenesis)을 유도해 수정 없이 난세포가 배아로 발달하도록 한다. 이 두 메커니즘을 결합해 합성 무수정생식을 구현하면 종자가 모식물과 유전적으로 완전히 동일한 식물로 자라 잡종강세 특성이 계속 유지된다.

최근의 성과로 이 과정의 효율은 크게 높아졌다. 2025년 말 발표된 연구에 따르면, 중국 연구팀은 파생된 모든 잡종벼 계통에서 클론 종자 생산률 99% 이상을 달성했으며 수확량도 기존 F1 잡종과 비슷한 수준이었다. 불과 몇 년 전만 해도 효율이 30%에 그쳤던 초기 시도에 비하면 큰 발전이다.

클론 종자 개발의 오랜 난관 극복

무수정생식 작물 개발은 30년 넘게 이어져 왔으며, 세계 각지의 연구자들은 수많은 장애물에 부딪혔다. 유전학 도구가 더 많이 보급되기 시작한 1990년대 후반의 초기 낙관론은 성과가 쉽게 나오지 않으면서 좌절로 바뀌었다. 유럽 종자회사 KWS의 식물유전학자 에리크 용데이크는 당시 분위기를 이렇게 회상했다.

사람들은 ‘좋아, 이 난제를 풀어내자’고 했습니다. 하지만 오랫동안 ‘결국 풀리지 않았죠.’

어려움의 일부는 식물의 생식 방식을 바꾸는 일이 복잡하다는 데서 비롯됐다. 과학자들은 감수분열과 배아 발달에 관여하는 여러 유전자를 찾아 조작해야 했다. 2009년 막스플랑크 식물육종연구소의 라파엘 메르시에가 이끄는 연구진이 모델 식물인 애기장대에서 특정 유전자 세 개를 제거하면 감수분열 대신 유사분열로 생식세포를 만들 수 있음을 보여주면서 중요한 돌파구가 마련됐다. 연구진은 이 세 가지 돌연변이를 ‘감수분열 대신 유사분열’을 뜻하는 ‘MiMe’라고 명명했다.

2016년에는 이 성과가 벼에서도 재현돼 모식물과 유전적으로 동일한 2배체 난세포를 가진 식물이 만들어졌다. 한편 다른 연구팀들은 무수정단위생식을 유도하는 방법을 연구했다. 2002년 유전학자 킴 부틸리에와 동료들은 유채에서 BABY BOOM이라는 유전자를 발견했다. 이 유전자가 활성화되면 싹과 잎에서 배아가 자라도록 유도할 수 있었다. 이후 벼를 포함한 여러 식물에서도 비슷한 유전자가 발견됐다.

이제 이 성과들을 결합할 기반이 마련됐지만, 과학자들은 규제 문제에 직면했다. 종 간 유전자 이동은 시장 승인을 받기 전에 장기간의 규제 심사를 거쳐야 했다. 이를 피하기 위해 연구자들은 벼 자체의 유전체에서 해결책을 찾았고, 결국 난세포에서만 벼의 BABY BOOM 유전자를 활성화하는 방법을 찾아냈다.

성공으로 가는 여러 경로: 무수정생식의 다양한 접근법

세계 여러 연구팀이 벼와 다른 작물에서 합성 무수정생식을 구현하기 위해 다양한 방법을 연구해 왔다. 지금까지 가장 큰 성과를 낸 접근법은 MiMe 돌연변이와 BABY BOOM 유전자 활성화를 결합한 것으로, 일부 상업용 잡종벼 품종에서 클론 효율 95% 이상을 달성했다.

다른 접근법들도 가능성을 보이고 있다. 중국과학원 유전·발생생물학연구소의 리자양 교수가 이끄는 연구팀은 벼의 내재 유전자 OsWUS를 이용한 시스템을 개발했다. 이 방법을 MiMe 전략과 결합한 결과 정상적인 종자 결실률을 달성했으며 일부 계통의 복제 효율은 약 21.7%에 이르렀다. BABY BOOM 방식보다 효율은 낮지만, OsWUS 시스템은 식물 발달과의 호환성이 더 높아 초기 시도에서 나타난 왜소증과 불임 문제를 피할 수 있었다.

콩과 채소 등을 포함하는 큰 식물군인 쌍떡잎식물에서는 연구자들이 다른 유전적 스위치를 찾아냈다. 식물 육종기업 키진의 피터 판데이크가 이끄는 연구팀은 자연적으로 무수정생식을 하는 쌍떡잎식물인 민들레에서 PAR 유전자를 발견했다. 이 유전자를 상추에서 활성화하자 수정 없이 기초적인 배아 형성이 유도됐고, 곡물 이외의 작물로 무수정생식 기술을 확대할 가능성이 열렸다.

현재 중국에서는 최소 10개 연구팀이 양배추, 토마토, 알팔파를 비롯한 다양한 채소와 사료작물의 무수정생식 품종을 연구하고 있다. 여러 접근법이 진행되면서 다양한 작물에서 안정적이고 상업성 있는 무수정생식 품종을 개발할 가능성도 커지고 있다.

농민 경제와 식량 안보에 미칠 영향

무수정생식 잡종벼가 널리 보급되면 경제적 파급 효과는 특히 개발도상국의 소농에게 큰 변화를 가져올 수 있다. 현재 이들은 매 시즌 값비싼 잡종 종자를 구매하거나, 수확량이 낮은 기존 품종의 저장 종자를 사용하는 것 가운데 하나를 선택해야 한다. 무수정생식 잡종벼가 있으면 높은 수확량을 내는 잡종 작물에서 종자를 받아 해마다 다시 심을 수 있어 두 방식의 장점을 모두 누릴 수 있다.

이 기술의 초기 개발에 기여한 캘리포니아대학교 데이비스 캠퍼스의 발생생물학자 벤카테산 순다레산은 잠재적 영향을 다음과 같이 강조했다.

작물의 무수정생식은 잡종 종자 생산을 누구나 이용할 수 있게 해 주기 때문에 전 세계에서 30년 넘게 연구 대상이 돼 왔습니다.

이 기술은 잡종 종자 생산을 간소화하고 비용을 낮추며 신품종 출시를 앞당겨 종자회사에도 도움이 될 수 있다. 라이스텍의 연구 담당 부사장 호세 레에는 현재의 잡종벼 생산 방식을 “매우 불완전한 시스템”이라고 설명하며, 수분을 위해 헬리콥터를 동원하는 등 비용이 많이 들고 복잡한 과정이 필요하다고 말했다.

세계적으로 보면 무수정생식 작물은 농경지를 지속 불가능한 수준까지 늘리거나 물과 비료 사용량을 늘리지 않고도 증가하는 인구의 식량 수요를 충족하는 데 도움을 줄 수 있다. 기후변화와 환경 훼손이 전 세계 식량 시스템을 위협하는 지금, 지속 가능한 농업을 향한 중요한 진전이다.

국제 협력과 향후 연구

중국 연구진이 무수정생식 기술에서 중요한 진전을 이뤘지만, 이는 세계적인 과학 연구의 성과다. 프랑스, 독일, 가나, 미국의 연구팀이 획기적인 연구에 기여하는 등 국제 협력이 발전에 필수적이었다. 효율 95%의 무수정생식 벼 계통은 UC 데이비스 연구진과 프랑스, 독일, 가나 연구진의 협력으로 개발됐다.

다른 작물에 관한 연구도 빠르게 진전되고 있다. 퀸즐랜드대학교의 애나 콜터나우는 사하라 이남 아프리카 농민에게 중요한 작물인 수수와 동부콩의 무수정생식 품종을 개발하고 있다. 연구팀은 2022년 호주에서 무수정단위생식이 가능한 유전자 변형 수수의 포장 시험을 시작했으며, 앞으로 계통에 MiMe 돌연변이를 추가할 계획이다.

이러한 진전에도 무수정생식 작물이 상용화되기까지는 상당한 작업이 남아 있다. 연구자들은 클론 효율 100% 달성, 다양한 환경 조건에서의 광범위한 포장 시험, 가뭄과 질병 등 스트레스 요인에 노출됐을 때도 무수정생식 품종이 성능을 유지하는지 확인하는 등의 과제를 해결해야 한다.

루이지애나주립대학교의 벼 육종학자 애덤 파모소는 아직 남은 과제를 이렇게 지적했다.

농업에 적용할 수 있을 만큼 효율적으로 만드는 방법은 아직 모르는 부분이 매우 많습니다.

규제 장벽과 대중의 수용

다른 유전자 변형 작물과 마찬가지로 무수정생식 벼도 농민의 논밭에 보급되기 전에 규제 장벽을 넘어야 한다. 특히 아시아 일부 국가에서는 유전자 변형 식품에 반대해 왔으며, 잠재적 이점에도 불구하고 무수정생식 벼의 수입이나 재배를 꺼릴 수 있다.

국제미작연구소의 잡종벼 프로그램 책임자인 자우하르 알리는 규제 당국의 수용 가능성에 조심스러운 낙관론을 보였다.

유전자 편집은 서서히 받아들여지고 있으며, 많은 정부가 농업에 이점을 가져오는 데 이 도구가 중요하다는 점을 이해하고 있습니다.

상용화 시점은 아직 불확실하다. 에리크 용데이크는 어떤 작물에서든 합성 무수정생식이 상업적으로 활용되기까지 앞으로 5~10년의 연구가 더 필요할 수 있다고 추산했다. 여기에는 과학적 개발뿐 아니라 규제 승인, 포장 시험, 종자 생산 규모 확대도 포함된다.

일부 육종가는 기술이 완성되더라도 규제 장벽이나 소비자 반발 때문에 무수정생식 작물이 시장에서 성공하지 못할 수 있다고 경고한다. 하지만 식량 안보, 농민의 경제적 여건, 지속 가능한 농업에 가져올 잠재적 이점은 이러한 장애물을 극복할 강력한 동기를 제공한다.

상용화까지 남은 과제

실험실의 돌파구가 상업 제품으로 이어지기까지는 여러 중요한 단계를 거쳐야 한다. 먼저 연구자들은 다양한 환경과 재배 조건에서 무수정생식 벼가 일관된 성능을 보인다는 점을 입증해야 한다. 중국국가벼연구소는 이미 연구 성과에 대한 특허를 출원해 이 기술의 상업적 잠재력에 대한 자신감을 내비쳤다.

남은 생물학적 과제도 해결해야 한다. 현재 개발 중인 무수정생식 벼도 대부분의 식물과 마찬가지로 배유, 즉 발달 중인 배아에 영양을 공급하는 종자 조직을 수정시키기 위해 여전히 꽃가루가 필요하다. 꽃가루는 고온에 노출되면 생존력이 떨어질 수 있어 이 단계는 기후변화에 취약하다.

화이트헤드연구소와 매사추세츠공과대 연구진은 수정 없이 배유를 발달시키는 식물을 개발하기 위한 연구비를 지원받았다. 일부 자연 무수정생식 식물은 이런 능력을 갖고 있다. 이 연구가 성공하면 미래의 무수정생식 작물 품종은 꽃가루에 전혀 의존하지 않아도 돼 폭염 중에도 풍성한 종자를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

연구가 진전되면서 농업계는 기대를 모으고 있다. 조지아대학교의 유전학자 페기 오지아스에이킨스는 잠재적 영향을 이렇게 내다봤다.

정말 판도를 바꿀 큰 변화가 될 겁니다.

당분간 텍사스와 아칸소의 논 위로는 헬리콥터가 계속 날며 비용과 노동력이 많이 드는 방식으로 잡종 작물에 수분을 할 것이다. 하지만 농민들이 수확량이 가장 많은 식물에서 종자를 받아 해마다 다시 심을 수 있는 날이 다가오고 있을지 모른다. 그렇게 되면 우리가 아는 농업이 혁신적으로 바뀔 수 있다.

핵심 내용

• 중국 연구진이 무수정생식으로 번식하는 클론 잡종벼를 개발했으며, 클론 종자 효율은 99%를 넘는다.
• 이번 성과로 농민들이 매 시즌 값비싼 잡종 종자를 구매할 필요가 없어질 수 있다.
• 모든 농민이 이 기술을 채택하면 세계 쌀 생산량이 두 배로 늘어날 가능성이 있다.
• 잡종 종자는 일반 벼 종자보다 최대 100배 비싸 소농의 보급을 제한하고 있다.
• 이 연구는 두 가지 핵심 메커니즘을 결합한다. 동일한 난세포를 만들기 위해 감수분열 대신 유사분열을 이용하고, 수정 없이 배아가 발달하도록 무수정단위생식을 유도한다.
• BABY BOOM, OsWUS, PAR 유전자를 이용하는 방법 등 여러 연구 경로가 탐색되고 있다.
• 중국, 미국, 유럽, 아프리카 연구팀의 기여를 비롯한 국제 협력이 발전에 중요한 역할을 했다.
• 남은 기술적 과제와 규제 요건 때문에 상용화까지 5~10년이 걸릴 수 있다.
• 이 기술은 수수, 토마토, 알팔파, 양배추 등 다른 작물로 확대될 수 있다.
• 무수정생식 작물은 경작지를 늘리거나 비료 사용량을 높이지 않고도 증가하는 인구를 먹여 살리는 데 도움이 될 수 있다.