씨앗은 무엇을 담으며, 무엇을 닮는가 (2)
<농저널 농담> 떼알
(이전 편에 이어서 계속)
고투입 유전형-저투입 환경
씨앗에 담겨 있는 유전 정보는 자신을 둘러싼 환경으로부터 영향을 받으며 발현하여 작물이 지닌 고유한 형태적, 생리적 특징을 결정 짓는다. 씨앗 속에 담겨 있는 유전자를 ‘유전형’(Genotype), 기후 및 재배 기술로 조성된 농지의 상태를 ‘환경’(Environment), 그리고 씨앗이 자라 나타내는 작물의 형태를 ‘표현형’ (Phenotype) 이라고 했을 때, 유전 형질과 환경과의 상호작용을 통해 작물의 특성이 결정되는 과정은 G x E = P 라는 식으로 표현할 수 있으며, 이를 유전자-환경 상호작용(G*E Interaction) 이라 한다. 씨앗 속에 담긴 유전 정보가 환경과의 상호작용을 통해 작물의 특성으로 표현된다는 것을 바꿔 말하면, 유전정보대로 형질이 발현되어 작물의 특성이 표현되려면 적합한 환경 조건이 조성되어야 한다고도 할 수 있다. 현재 국내에서의 지속가능한 농업은 씨앗이 지닌 유전형(G)을 고려하지 않고, 재배 기술을 변화하여 농지 환경(E)을 조성하는 데에만 중점을 두고 있다. 이렇게 조성된 환경은 현대 품종의 씨앗이 생육하는 데에 이상적인 조건이 아니기 때문에 씨앗이 지닌 유전적인 가능성을 온전히 발휘시키지 못하며, 그 결과 수확량(P)은 본래의 그것에 미치지 못하게 된다. 다시 말해 고투입 농업 방식에 적합한 씨앗을 저투입 방식으로 재배를 하고 있기 때문에 기존의 생산량보다 적은 결과를 얻을 수 밖에 없다는 것이다.
현재, 대안적 농업의 재배 기술은 고투입 조건을 선호하는 씨앗의 유전형과 저투입 재배 환경 사이의 비적합성으로 인해 발생하는 문제점들을 해결하는 것에 중점을 두고 있다. 화학적으로 합성된 자재들과 화석 에너지의 사용을 배재 하면서 고투입 조건을 선호하는 씨앗들의 생육에 적합한 환경을 조성하려 하다 보니 ‘유기 자재’ 혹은 ‘친환경 자재’ 라는 새로운 형태의 농자재와 과도한 인력이 요구된다. 사실상 출처와 형태만 바뀐 자재와 에너지를 이용하여 관행 조건과 유사한 농지를 조성하는 이러한 재배 기술은 근본적으로 외부에서 투입되는 자재와 에너지에 대해 자유롭지 못하므로 ‘지속가능성’을 만족시키지 못할뿐더러, 농부가 짊어져야 할 추가적인 비용과 노동 없이는 성립할 수 없기 때문에 농부의 희생을 요한다는 점에서 자유로울 수 없다.
이런 모순적인 재배 방식에 대한 가장 명쾌한 해결은 고투입 유전형(Higher-input genotype)을 지닌 씨앗이 선호하는 환경을 조성하기 위한 재배 기술적 노력 대신에 저투입 유전형(Lower-input genotype)을 지녀 지속가능한 농업에 적합성을 나타내는 씨앗을 육성하고 이를 이용하는 것이다. 그동안의 재배 기술이 관행농업에 적합한 씨앗에 맞추는 방향으로 발전해 왔다면 앞으로는 씨앗을 지속가능한 농업의 재배 기술에 맞추는 노력이 필요하다고 생각한다.
지속가능한 농업을 담보하는 씨앗
지속가능한 농업은 관행 농업과 비교했을 때, 외부에서 투입되는 자재와 에너지의 양을 최소화하여 재배 과정 중에 발생하는 환경부하를 고려함과 동시에 재배 결과로 얻은 생산물과 부산물을 제한적인 지역 내에서 이용하고 분해시키는 것을 목표로 한다. 재배 기술적 측면에서 살펴보면 지속가능한 농업의 경우 주로 퇴비나 녹비 그리고 작물의 잔사물 등의 유기물이나, 두과 식물의 공생적 질소고정에 의한 양분 공급에 의존하고 있어, 기존의 화학비료에 비해 특정 시기에 공급받을 수 있는 양분의 양이 상대적으로 부족하다. 잡초 방제의 경우 주로 직접 제초를 하거나 인공 재료 혹은 포복성 식물로 땅을 멀칭하고 피복하여 생육을 억제하는 방법을 통해 관리 하고 있으나 기존의 화학적 방제에 비하여 많은 노동력과 비용이 요구된다. 또한 병충해의 경우에는 천연, 생물이라는 단어가 붙은 약재나 천적과 페로몬, 트랩 등을 이용하여 관리 하고 있지만 친환경 농자재에 대한 구입비용과 기존의 농약이 지닌 문제점들에서 자유로울 수 없는 등의 제약이 뒤 따르고 있다.
이와 같은 재배 조건에서는 1. 양분을 더 많이 공급 받고 이용할 수 있도록 도와 주거나 2. 잡초와의 경합에서 우위를 선점할 수 있으며 3. 병해충에 대한 저항성을 나타낼 수 있는 능력을 지닌 씨앗을 재배할 경우, 그렇지 못한 경우와 비교하여 재배 과정에 훨씬 더 적은 노력과 비용이 투입될 것이며 보다 높은 생산성을 기대할 수 있을 것이다. 따라서 이러한 능력을 지닐 수 있게끔 도와 주는 식물의 형태적, 생리적 특징들이 바로 지속가능한 농업에 적합한 씨앗이 반드시 지녀야 하는 형질들이라고 할 수 있겠다. (간단하게 말하면 농자재에 대해 자유로울 수 있고, 농부의 노동력이 적게 투입될 수 있도록 도움을 주는 형질들이라고 할 수 있다.)
(두리뭉술하게 ‘형태적’, ‘생리적 특징’들 이라고 넘어가는 것이 읽는 이에 대한 배려이겠지만 여기는 무려 하이퀄러티 농저널 ‘농담’ 이니 만큼 좀 더 자세하게 라 쓰고 지겹게라고 읽는다. 지속가능한 농업에 적합한 씨앗이 지녀야 하는 형질들에 대해 조심스럽게… 알아보자)
1. 양분이용효율
식물은 특정 생육 시기에 일어나는 대사적 과정을 유지하기 위해 필요로 하는 양분의 양보다 흡수, 이용할 수 있는 토양 양분이 적을 시에 양분 결핍 스트레스를 받게 된다. 식물이 겪는 양분스트레스는 본질적으로 토양 내에 낮은 양의 양분이 존재하거나, 토양 내에 충분한 양분이 존재하더라도 양분의 이동성이 낮거나, 이용할 수 없는 화학적 형태를 띄고 있을 경우에 발생에 하게 된다. 식물의 양분이용효율은 토양 내에서 자신이 필요로 하는 양만큼의 양분을 얼마나 효율적으로 흡수할 수 있느냐에 따라 결정된다고 할 수 있는데, 양분의 흡수 능력은 ① 토양과 식물 뿌리 사이의 접촉이 일어난 표면적과 ② 뿌리가 분비하는 물질의 양과 그 조성 ③ 그리고 그에 따라 변화하는 근권미생물군집(Rhizosphere microbiome)의 크기와 종류에 따라 결정된다. 즉, 작물의 뿌리가 닿는 권역(근권) 내에 존재하는 양분의 이용가능성은 토양의 특성+식물의 특성+뿌리와 미생물의 상호작용 이 세가지 요소들의 조합에 의해 조절된다고 할 수 있다. 앞서 설명 했듯이, 저투입 재배 방식으로 조성된 농지의 경우 관행 재배 방식으로 조성된 농지와 비교했을 때, 양분이 적은 상태이며, 유기물 등의 지효성 양분을 주로 공급하기 때문에 식물의 각 시기마다 필요로 하는 양분의 양을 가변적으로 만족시키기 어려운 특징을 지닌다. 따라서 이런 양분 공급 조건에서 작물이 양분 스트레스 없이 잘 생육하기 위해서는 다음과 같은 특징이 필요하다.
(1) 토양 내에 존재하는 가용성 양분(식물이 이용할 수 있는 양분)에 대한 접근성의 증가에 도움을 주는 넓은 표면적을 지닌 뿌리.
양분이 부족한 토양 환경에서 식물은 다양한 반응을 나타낸다. 식물이 생육하는 데에 필수적인 양분인 인(P)의 근권 내 이용 효율에 대한 연구에서는 작물이 인 결핍 상황에 처하면 광합성으로 만들어 진 동화산물들 중 많은 양을 뿌리로 분배하여 뿌리의 생장을 증진시키고, 작은 직경을 지닌 잔뿌리를 형성하여 토양과의 표면적을 늘리는 경향이 있다고 보고하고 있다. 이는 인이 부족한 환경에서 이를 보충하기 위한 형태적 변화의 결과인 세밀하고 넓게 분포한 뿌리가 인의 흡수를 증가 시키는 데에 도움이 된다는 것을 뒷받침 하는 결과이다. 식물은 자신의 형성한 뿌리 외에도 다른 생물을 자신의 뿌리처럼 이용하여 양분을 흡수하기도 한다. 이는 ‘알버스큘라 마이코리자’ (Arbuscular micorrhizal fungi, AMF)’ 라고 불리는 곰팡이와의 직접적인 공생을 통해 이루어지는데, AMF는 식물에게서 탄소를 제공받으며 뿌리에서 살아가는 곰팡이로, 식물의 뿌리가 직접적으로 닿아 있지 않은 지역까지 빠르게 자라나 식물의 양분 흡수를 도와 주는 역할을 한다. 식물의 유전형에 따라 AMF를 형성하고 유리하게 이용할 수 있는 능력이 달라지기 때문에 AMF를 잘 형성할 수 있는 식물의 경우에는 실제 뿌리가 토양 내에 넓게 분포되어 있는 것과 같은 효과를 얻을 수 있을 것이다.
그림1.
(가) AMF의 유무에 따른 근권의 분포차이.
왼쪽의 경우 AMF와의 공생이 이루어지지 않은 경우 식물의 뿌리 분포를 나타내는데, 이런 경우 뿌리와 토양의 접촉이 매우 제한적으로 이루어지기 때문에 양분을 흡수할 수 있는 기회가 매우 적다. 반면 AMF와의 공생이 이루어진 경우 식물 자체의 뿌리가 접촉되어 있는 토양의 면적보다 훨씬 넓은 범위에서 양분을 흡수할 수 있게 된다.
(나) AMF의 구조.
AMF는 식물의 세포 안쪽으로 침투하여 균지와 균낭을 형성하고 뿌리와 공생한다. 세포 밖으로 균사를 형성하여 식물의 뿌리가 닿지 않는 토양 내의 양분을 흡수하여 식물의 생장을 돕는다.
(2) 불용성 양분(식물이 이용할 수 없는 형태의 양분)을 가용성 양분으로 전환할 수 있는 능력.
양분 결핍 토양에서 식물은 형태적 변화와 더불어 여러 가지 생리적인 변화를 나타내는데, 그 중 하나는 뿌리를 통해 유기화합물을 분비하는 것이다. 분비된 유기화합물은 불용성 양분을 가용성 양분으로 변화시키거나, 근권미생물들이 필요로 하는 양분을 제공하여 미생물들의 생육에 도움을 주는 기질로서 역할을 하게 된다. 토양 유기물과 비교했을 때, 뿌리에서 분비되는 물질들은 미생물들이 보다 쉽게 분해하여 이용할 수 있는 양분이기 때문에 이 분비물들은 작물 뿌리의 일정 권역 내의 특정 미생물 종들이 빠르게 번식할 수 있는 여건을 제공한다. 뿌리 분비물의 종류와 양이 만드는 환경에 따라 그를 선호하는 미생물들의 종류와 양이 결정되기 때문에 결과적으로 이는 근권미생물 군집의 구성에 영향을 주는 중요한 요소로서 작용한다. 형성된 군집은 여러 가지 방법으로 식물의 양분 이용성에 영향을 주게 된다. 다시 인의 이용 사례를 들어 설명하자면, 식물과 미생물들은 토양 내 가용성 인이 부족할 때에 인을 가수분해시키는 효소를 분비하는데, 이 효소는 유기물 상태의 인을 분해하여 스스로 흡수할 수 있는 형태의 인을 만든다. 인-가수분해효소 중 ‘포스파테이즈’(Phosphatase)는 토양 내에 존재하는 대부분의 유기인의 형태인 ‘파이테이트’(Phytase)를 무기화 시키는 데에 있어 효과적이지 않은 반면에, ‘파이테이즈’(Phytase)는 파이테이트의 분해를 촉진하는 데에 효과적으로 작용한다. 식물의 뿌리는 많은 양의 포스파테이즈를 분비하지만, 파이테이즈를 분비하는 양은 적거나 거의 없기 때문에 파이테이트를 무기화시키는 데에는 비효율적이다. 반면에 미생물의 경우에는 많은 양의 파이테이즈를 분비하기 때문에 더 효과적으로 유기물 형태의 인을 분해하여 가용성 형태의 무기 인으로 만들 수 있다. 이 말은 식물체 근권 내의 미생물 군집이 토양 내 존재하는 불용성 양분의 분해를 촉진하여 식물이 이용할 수 있는 양분의 형태로 변화시키고, 이를 이용할 수 있도록 간접적인 도움을 줄 수 있다는 것이다. 정리하자면, 식물의 유전형에 따라 식물의 뿌리가 분비하는 분비물의 양과 조성이 결정되고, 이에 따라 근권미생물의 군집의 형성은 영향을 받으며, 이 군집은 가용성 양분의 이용에 영향을 주므로 가용성 양분으로의 전환에 도움을 주는 미생물 군집의 형성에 긍정적으로 작용할 수 있는 식물의 경우 가용성 양분을 이용할 수 있는 기회를 더 많이 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
(3) 위의 변화를 통해 증가된 가용성 양분을 충분히 흡수할 수 있는 능력을 가진 뿌리의 세포막
토양 내의 양분의 이동은 ‘확산’(토양 내에서 물질이 농도 차이에 의해 이동되는 현상으로 높은 곳에서 낮은 쪽으로 이동)에 의해 이루어지게 된다. 식물의 뿌리가 미치지 않은 토양에 존재하는 양분이 뿌리 쪽으로 이동되기 위해서는 ‘농도기울기(concentration gradient)’가 형성 되어야 하는데, 이 농도기울기는 근권 내 토양의 양분 농도와 근권 외 토양의 양분 농도의 차이가 클 때 증가될 수 있으며 이의 증가는 뿌리 주위로 더 많은 양분을 이동시키는 데에 도움을 주게 된다. 만약 식물체의 뿌리가 양분을 흡수할 수 있는 능력이 높아 지속적으로 뿌리 주위 토양에 존재하는 양분의 농도를 낮게 유지할 수 있다면, 농도기울기를 계속해서 유지할 수 있을 것이고 이를 통해 토양 내에 존재하는 양분이 지속적으로 뿌리 쪽으로 이동되어 양분의 공급을 용이하게 도와줄 수 있을 것이다.
2. 잡초와의 경합 능력
보통 재배의 대상이 되지 않으면서 농지에 발생하는 식물을 잡초라고 한다. 잡초는 작물과의 경합을 통해 작물의 생육을 억제하며 결과적으로 수량을 감소시키는데, 여기서 경합이란 제한된 공간 내에서 한정된 자원에 대한 요구가 서로 동일할 때에 발생하는 현상이다. 경합의 주요한 대상은 빛, 양분, 수분으로 농지 내에는 이들의 양이 제한적으로 공급되거나, 존재하고 있으므로 이에 대한 경합은 필연적으로 발생하게 된다. 만약 작물이 농지 내에서 빛과 양, 수분을 잡초보다 용이하게 얻을 수 있어서 높은 경합력을 나타낸다면 잡초와의 경쟁에서 우위를 점할 수 있을 것이며 그 결과 잡초 발생으로 인한 피해들을 최소화 할 수 있을 것이다. 잡초와의 경합에서 우위를 점할 수 있도록 도움을 주는 형질들을 지닌 작물의 경우 농부가 잡초 관리에 들여야 하는 노력과 비용을 절감시키는 데에 기여 할 수 있으므로 제초가 어려운 저투입 재배 관리 방식을 적용하는 데에 있어 많은 도움을 줄 수 있을 것이다. 작물의 잡초 경합력에 영향을 미치는 요소들에는 다음과 같은 것들이 있다.
(1) 초기 생육 속도
생육 초기에 작물이 잡초보다 빨리 지상부(잎, 줄기), 지하부(뿌리)를 형성하게 되면, 생육 기간 전반에 걸쳐 토양으로부터 얻는 빛과 양분, 수분에 대한 경합에서 우위를 점할 수 있다. 생육 초기에 잎과 뿌리를 안정적으로 발달시켜 물리적 공간과 자원을 얼마나 먼저 점유 하느냐에 따라 이후의 생육 가능성과 발생하는 경합의 양상이 결정 지어 진다. 초기의 빠른 생장 속도와 높은 분얼 능력은 잎과, 줄기 그리고 뿌리가 한정된 자원을 안정되게 얻을 수 있는 인프라를 구축하여 ‘선점효과’를 낼 수 있도록 도와 준다.
(2) 지상부 초형
양, 수분의 흡수에 유리한 지하부의 특징은 앞서 설명 한 것과 동일하다. 지하에서 일어나는 경합과 더불어 지상에서는 잡초와 작물은 한정된 시간 동안 내리쬐는 빛을 흡수하기 위한 경합이 발생한다. 광경합에 유리하게 작용하는 형질들은 큰 키와, 수평에 가까운 잎의 경사각과 모양 등을 포함하며, 높은 엽면적을 나타낼 수 있는 이런 특징들을 지닌 경우 그렇지 못한 경우에 비해 빛을 흡수할 수 있는 기회를 더 많이 제공하며, 경쟁 식물에게 필요한 빛을 위에서 가로채 그늘을 형성하여 광합성을 방해하고, 생육억제효과를 나타낸다.
그림2. 작물과 잡초 사이에 발생하는 경합에 영향을 미치는 요소들
(3) 타감작용(Allelopathy)
타감작용이란 생물 내에서 합성된 화학 물질이 환경으로 방출됨에 따라 다른 생물에게 직, 간접적으로 해롭거나 이로운 영향을 끼치는 현상을 일컫는다. 최근까지 밝혀진 타감작용의 대부분은 억제 작용을 하는데, 이 상호작용은 식물이 방출하는 독성물질(Phytotoxin)로 인해 나타난다. 이 식물독소는 살아 있는 식물의 뿌리로부터 배출되거나, 침출, 휘발되어 능동적으로 환경으로 방출되거나 식물의 잔사물이 분해되면서 수동적으로 유리 되어지기도 한다. 이 식물의 독성물질은 보통 타감물질(Allellochemical)이라 불리우며, 이를 통해 타감작용이라는 ‘상호대립억제작용’이 일어나게 된다. 타감물질은 다른 식물체의 발아와 생육을 방해하는 역할을 하기 때문에, 유기농업에서는 이를 잡초 방제에 이용하고 있다. 주로 타감물질을 지닌 식물의 잔사물을 이용하여 멀칭을 하거나, 윤작이나 혼작 체계 내에 도입하거나, 직접 추출하여 천연 농약의 형태로 이용하고 있다. 그러나 이러한 재배 기술적인 방법 외에 이용하는 방법 외에 높은 타감작용능력을 지녀 자체적으로 잡초의 생육을 억제할 수 있는 작물의 품종을 직접 재배에 이용하는 경우는 많지 않다. 작물의 품종에 따라 타감능력의 차이를 나타내고, 그 차이는 품종의 유전형에 따라 야기 된다고 보고한 많은 연구 결과들은 높은 타감물질의 분비를 나타내는 품종의 육종 가능성을 뒷받침하고 있다. 실례로 미국의 ‘Rice Research and Extension Center에서 10000개의 벼 품종을 대상으로 H. limosa 라는 잡초에 대한 타감능력을 평가한 결과, 약 350개의 품종에서 벼 포기를 기준으로 반경 17cm 안팎에서 어떠한 잡초도 발생하지 않은 것을 관찰 할 수 있었고, B. platyphylla 와 A.coccinea 에 대해서는 각각 6개, 161개의 품종이 약 72~95%까지의 잡초억제능력을 나타내는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 ‘국제미작연구소(IRRI)’와 일본에서 189개의 품종을 대상으로 타감능력을 평가한 결과 24개의 품종에서 상추의 뿌리 생육을 75% 이상 억제하는 것을 발견할 수 있었다. 이 타감능력은 특히 열대자포니카(Tropical japonica 또는 javanica)의 재래종 계통과 적미(Red rice)에서 높은 것으로 관찰되었으며, 비교적 현대에 육성된 자포니카 품종은 낮은 것으로 나타났다.
그림3. (가) 타감능력을 지닌 벼의 잡초억제양상.
<!--[if !supportEmptyParas]--> 왼쪽 논에는 타감작용을 활발하게 나타내는 벼 품종이, 오른쪽 논에는 그렇지 않은 벼 품종이 심어져 있다. 두 논을 비교했을 때, 타감물질의 삼출 능력이 뛰어난 벼가 자라는 논에 있는 잡초의 생육이 그러지 않은 논에서 보다 확연하게 억제된 것을 알 수 있다. 살아있는 식물체에서 분비되는 타감물질이 다른 식물의 생육을 억제한다는 것과, 높은 타감능력을 지닌 품종을 이용하여 제초에 들어가는 비용과 노력을 감소시킬 수 있음을 보여 준다.
(나) 식물의 잔사물에서 나타나는 타감작용.
벼의 짚이 섞인 토양, 유채의 잔사물이 섞인 토양, 그리고 아무것도 섞이지 않은 토양에 목화를 심었을 때 나타나는 유묘의 생육 차이를 보여 준다. 벼와 유채의 잔사물이 섞인 토양에서 자란 목화의 경우 (각각 왼쪽, 오른쪽) 아무것도 섞이지 않은 토양에서 자란 목화 (가운데) 에 비해 유묘의 발달이 매우 늦고, 기형적인 형태를 지니고 끝이 검게 변한 뿌리를 지니고 있다. 이를 통해 살아 있는 식물체뿐만 아니라 그 식물체의 잔사물이 분해되는 과정 중에도 타감물질이 배출되어 다른 식물의 생육을 억제할 수 있다는 것을 알 수 있다.
(다) 식물의 추출물에서 나타나는 타감작용.
메꽃과 식물인 ‘담쟁이 잎 나팔꽃’(Euphorbia heterophylla)의 추출물이 섞인 거름종이에서 자란 ‘대극과’ 식물의 유묘를 키웠을 때 나타나는 결과를 보여 주는 사진이다. 추출물이 섞이지 않은 거름종이에서 자란 a 식물체와 비교했을 때, 2.5%, 5%, 7.5%, 10%의 농도로 추출물이 섞인 거름종이에서 자란 b, c, d, e 식물체들의 경우 뿌리의 발달과 유묘의 생육이 매우 더딘 것으로 나타났다. 이를 통해 타감물질은 식물체에서 추출되어 단독으로 작용될 때에도 다른 식물의 생육을 억제 한다는 것을 알 수 있다.
3. 해충 저항성
보통, 유기농업에서의 작물의 수확량은 관행농업과 비교하였을 때 약 20% 정도가 낮다고 한다. 이의 주된 원인은 관행 재배 방식에 비해 투입되는 질소의 양이 적기 때문이지만, 때로는 해충과 질병으로 인한 피해가 그 원인이 되기도 한다. 합성 농약을 사용하지 않는 재배에서는 이미 발생한 충해에 대해 즉각적으로 대처하는 것이 특히 어려운 일이다. 물론 천연 농약 혹은 친환경 농약이라 불리우는 제제들을 이용하기도 하지만 현재 국내에서 사용되는 친환경제제들의 원료들의 대부분은 국외에서 수입되고 있으므로 외부 투입물의 사용을 배제하는 지속가능한 농업 재배 방식에 적합한 자재인지에 대해서는 의문이 든다. 물론 농가에서 과거부터 사용되어 온 멀구슬나무, 자리공나무, 등의 재료를 농부가 직접 채취하여 친환경제제를 만드는 경우도 있지만 이들의 추출물 역시 기존의 합성농약과 비교했을 때, 소재와 화학적구조가 약간만 다를 뿐 작용 기작이나 나타내는 독성에는 거의 차이가 없다. 또한 기존의 농약이 가지는 저항성 해충의 출현이나, 농지 생물의 다양성을 파괴하는 문제 등에 있어서 자유롭지 못한 것이 사실이다. 천연 농약의 사용 이외에 지속가능한 농업에서 시행하는 해충의 관리 방법은 기피 식물, 유인 식물, 천적을 이용하여 농생태계를 교란시키지 않는 한도 내에서 해충의 밀도를 조절하거나 농지 내의 생물 다양성을 증가시키는 것과 더불어 작물 자체를 충해에 내성을 가질 수 있도록 건실하게 키워 농생태계의 균형을 맞춰 주는 것이다. 이와 같은 관리 방법들을 적용하는 데에는 충해로 인한 피해를 최소화 시킬 수 있는 형태적, 생리적 특성이나 또는 문제시 되는 해충을 섭식하는 천적에게 유리한 특성을 지닌 씨앗을 재배하는 것이 도움을 줄 수 있다. 해충에 대한 저항성에 도움을 주는 특성은 작물의 종류와 해충의 종류에 따라 다르기 때문에 잘 알려진 몇 가지 사례에 대해서만 간단히 설명하지만 다음과 같다.
(1) 트리콤(Trichome)
대부분의 식물은 표면에 ‘트리콤’이라 불리는 털을 가지고 있는데, 이 트리콤의 주요한 기능은 잎 표면의 광학적 성질을 변화시키고, 열과 수분을 보존 하는데에 도움을 주는 것이다. 트리콤에는 다양한 종류가 존재하는데, 이 중 화학물질을 분비하거나 보유하고 있는 ‘샘’을 지닌 트리콤(Glandular trichome)의 경우 몇몇 작물에서 해충에 대응하는 저항성을 부여하는 역할을 하기도 한다. Glandular trichome에서 분비되는 화합물은 다양한 메커니즘으로 해충 저항성을 나타내는데 살충, 기피 작용을 유도하거나 섭식이나 산란 같은 해충의 행동에 영향을 끼치기도 한다. 예를 들어 토마토의 경우에는 Glandular trichome에서 점성을 지닌 혼합물과 휘발성 화합물을 다량 방출하는데, 이를 통해 식물체 위로 진딧물이 기어오르는 것을 방해하여 이로 인한 피해를 예방하는 기작을 지닌다. 브라질에서 진행된 한 연구 결과에 따르면 트리콤이 분비하는 점성 물질(Acylsugar)과, 휘발성 물질(2-Tridecanonoe)이 풍부한 토마토 품종이 해충의 한 종류인 ‘은빛가루이’에 대한 저항성을 지니고 있으며 트리콤의 밀도가 높은 계통의 경우에는 더 높은 저항성을 나타낸다고 한다. 또한 높은 트리콤의 밀도를 지닌 토마토 계통으로부터 교배를 통해 다른 토마토 계통으로 고밀도 트리콤을 나타내는 형질을 도입한 결과, 역시 높은 저항성을 나타내었다. 트리콤의 밀도가 ‘점박이응애’에 대한 저항성과의 상관관계를 조사한 또 다른 연구에서는 밀도가 높을수록 점박이응애의 이동 거리가 짧아졌다고 보고하고 있는데, 이들의 결과를 종합 해보면 트리콤의 밀도가 높은 토마토의 경우 해충에 대한 저항성을 나타내며, 밀도를 조절하는 유전형의 경우, 해충 저항성 토마토를 육종하는 데에 소재로서 사용될 수 있는 가능성을 지니고 있다는 것을 알 수 있다. 실제로 토마토와 감자에서는 해충에 저항성을 나타내는 트리콤을 지닌 야생종과의 교배를 통해 해충 저항성을 지닌 품종을 육성한 사례가 있다.
그림4. 재배종 토마토와 야생종 토마토의 Trichome.
토마토에서 나는 특유의 냄새의 원인은 이 Trichome에서 분비되는 방향성 물질이다. 유전형에 따라 Trichome의 정도와 밀도가 달라지게 되는데, 오른쪽 그림의 두 야생종 토마토(S.pennellii, S.habrochaites)의 경우 재배종 토마토에 비해 매우 높은 밀도의 Glandular trichome을 형성할 수 있는 유전형을 지니고 있어 해충에 대해 높은 저항성을 지니고 있다.
(2) Waxbloom
어떤 작물들은 표층에 존재하는 왁스 층 위에 Waxbloom이라는 결정체를 형성하여 해충과 그의 천적이 식물에 부착, 이동, 섭식 양상에 영향을 준다. 백양배추에서는 표피에 Waxbloom이 존재하는 품종에서 Waxbloom이 존재하지 않아 맨질맨질한 표면을 지닌 품종에 비해 나비목 곤충에게 더 큰 피해를 입는 경향이 나타났지만, 가루이 집단에게 입는 피해는 적은 것으로 나타났다. 또한 Waxbloom이 존재하는 양배추와 형성되지 않는 양배추를 대상으로 ‘배추좀나방’의 천적인 ‘흰목줄무당벌레’가 나타내는 잎에서의 이동, 부착, 섭식 양상에 대해 조사한 결과, Waxbloom이 존재하지 않아 맨질맨질한 표면을 지닌 양배추에서 천적은 높은 부착율과 이동성을 지니며 좀 더 활발하게 해충을 섭식한 것으로 나타났다. 콩에서도 비슷한 결과가 관찰되었는데, 콩에 피해를 주는 진딧물의 한 종류인 ‘완두수염진딧물’과 그에 기생하는 ‘수염진딧벌’이 콩의 잎 표면에서 나타내는 행동양식이 Waxbloom의 유무에 따라 달라지는 것으로 나타났다. 수년 간 하우스와 노지에서 포식-피식 양상을 관찰한 결과, Waxbloom이 형성되지 않은 콩 품종에서 진딧벌은 물론, 진딧물을 직접 섭식하는 다른 천적들 역시 훨씬 활발한 포식 양상을 나타내었고, 이들에 의해서 진딧물의 개체 수가 Waxbloom이 형성된 품종에 비해 상당히 감소되었다는 것을 알 수 있었다. 위의 실험 결과들을 통해서 다양한 천적들이 존재하고 있는 농지, 즉 생물다양성이 높은 조건에서는 해충에 대해 저항성을 나타내거나, 천적에게 유리한 형태적, 생리적 특성을 지닌 품종을 재배하는 것이 해충의 개체 수 조절을 위한 생물학적 방제를 좀 더 효과적으로 시행할 수 있도록 도움을 준다는 것을 알 수 있다.
그림5.
(가) 수수에서 나타나는 Waxbloom의 모습.
왼쪽의 수수는 줄기 표면에 Waxbloom이 존재하는 반면에 오른쪽의 수수는 그렇지 않다. 이는 그 품종이지닌 유전형에 따라 결정된다.
(나) 작물의 품종이 지닌 형태적 특성에 의해 달라지는 곤충의 행동양식.
해충이나 그의 천적이 기피하거나 선호하는 특성을 지닌 작물의 품종을 적절히 이용하면 보다 수월하게 포장의 해충을 방제할 수 있다.
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어떻게 이용할 것인가?
씨앗이 지닌 형질들을 결정하는 육종의 주체가 농부가 아니게 됨에 따라 자신의 농업 방식에 적합한 형질을 지닌 씨앗을 이용하여 농사를 짓는 것은 매우 어려운 일이 되어 버렸다. 현재 국내의 경우, 식량 작물은 국가에서 그리고 원예 작물은 기업에서 씨앗을 육종하고 공급하는 과정 전반을 담당하고 있다. 소수의 농부들을 제외한 거의 모든 농부가 국가와 기업으로부터 씨앗을 구입해서 사용할 수 밖에 없는 구조 속에서는 농부가 농사의 전체 과정을 자의적으로 선택할 수 있는 권리를 박탈 당함은 물론, ‘주체적 농부’로서의 삶 역시 제약될 수 밖에 없다. 씨앗을 자급하는 농부들 역시 이 제약에서 완전히 자유로울 수 는 없는데, 그 이유는 주로 재래종 씨앗을 이용하거나, 구입했던 F1 종자의 분리 세대에서 ‘그나마 괜찮은’ 개체를 선발 해서 고정시킨 계통을 이용하는 것이 대부분이기 때문에 이용할 수 있는 형질에 대한 선택의 폭이 매우 제한적인 것은 물론이며, 현재 재배되고 있는 품종들에 비해 재배 적합성과 수량이 낮아 겪게 되는 경제적인 손해에서 자유로울 수 없기 때문이다. 최근에는 지속가능한 농업에 대한 중요성이 대두되면서 국가에서는 이러한 흐름에 맞추어 저투입 재배 방식에 적합하다는 품종들을 개발하기도 했지만 대부분 ‘질소비료가 적게 필요한 품종’, 혹은 ‘특정 병에 대해 저항성을 나타내는 품종’ 식으로 단편적인 형질만을 개량 하는데에 육종 목표를 두고 있기 때문에 지속가능한 농업의 재배 환경에 대한 적합성을 나타내는 여타 형질들에 대한 총체적인 고려가 부족하다고 할 수 있다. 가장 이상적인 대안은 지속가능한 농업 방식을 추구하는 농부 스스로가 씨앗 생산의 주체가 되어 우수한 품종을 직접 육종하는 것이지만 현실적으로 유전 자원을 발굴하고, 형질을 평가한 후 교배를 통해 목적 형질들을 집적시키는 과정 전체를 개인 혼자서 감당하기에는 무리가 있는 것이 사실이다.
참여육종(Participatory Plant Breeding)이라는 육종 프로그램은 이런 문제들을 해결할 수 있는 좋은 예시가 될 수 있다. 참여육종은 기업과 국가가 목적으로 하지 않는 지속가능한 농업에 적합한 형질들을 지닌 품종에 대한 소농들의 요구를 충족시키기 위해 고안된 육종 전략이다. 여기서 ‘참여’ 라는 단어는 농부와 육종가뿐만 아니라 소비자, 연구자, 유통상인 등의 모든 이해 당사자가 선발과 육종 과정에 자신의 의도를 담을 수 있음을 뜻하고 있다. 참여육종의 성립은 육종의 우선순위의 설정, 교배 조합들의 작성, 적절한 유전 자원의 탐색, 적응성 검정 재배의 시행, 씨앗의 증식과 공급 등 전반적인 육종 과정 속에 이해 당사자들이 지닌 지식과 기술을 적용하여 개개인이 모두 역할을 할 수 있는 ‘상호 보완성’에 근거하는데, 이를 통해 공동의 목적을 담은 씨앗을 육종하는 과정 속에서 모두가 일종의 공동 연구자로 역할을 할 수 있게 된다. 편의상 글 전반에 걸쳐 ‘지속가능한 농업’ 이라는 제한적인 표현을 사용했지만 유기농업, 저투입농업, 자연농업, 자원순환농업 등 대안적인 농업 재배 방식은 세부적으로 살펴보면 규정 짓기가 어려울 정도로 농지의 순환 체계, 경운과 시비 방법, 기타 토양 관리 방법, 작물 보호 전략 등에서 다양한 차이를 나타내며, 재배 방식이 적용 되는 환경 조건에 따라 발생하는 잡초, 해충, 질병의 종류가 다르다는 점에서도 차이를 나타낸다. 이렇게 다각화 된 농지의 환경에 적합한 품종을 개발하기 위해서는 지역 적응성을 나타내는 유전형에 대한 선발 과정과 더불어서 각 농지에서의 시행되는 농부에 의한 인위 선택 과정을 통합적으로 이용하는 육종 전략이 필요하다. 이러한 ‘분산화된 육종’ (Decentralised breeding) ( ; 분산화란 ‘원상태에서(In situ)’ 혹은 ‘농장 내에서(On farm)’ 와 동일한 뜻을 지니고 있다.) 방식은 그동안 소수의 집단과 지역에서 이루어진 ‘중앙화된 육종’ (Centralised breeding)과 대비되는 방식으로 씨앗이 재배될 농지에서, 농부의 목적에 따라 이루어지는 직접적인 선발 과정을 포함하고 있다. 따라서 이러한 대안적인 육종 프로그램을 이용한다면 각각의 농부는 자신의 바람을 닮아 있으며, 다양한 재배 관리로 조성된 농지에 대해 가장 나은 적합성과 적응성을 지닌 씨앗을 확보할 수 있을 것이다.
- 참고 문헌 및 그림 출처
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