<트렌드&이슈> 해외 농기계 기술동향

4차 산업혁명과 함께 우리 주변의 모든 환경은 가파르게 변화되고 있다. IoT, 빅데이터, AI, 클라우드, Mobile, 로봇 등의 요소들이 융합되어 새로운 가치를 창조해 내고 있다. 농기계분야에도 이미 이러한 정보통신 및 첨단기술들이 접목되어 새로운 산업분야로 급속히 변모해 갈 것으로 전망된다. 본지는 해외 농기계기술 분야의 새로운 트랜드에 대해 전문가의 도움을 받아 미래를 가늠해 볼 수 있는 해외 농기계 기술동향을 살펴본다.

‘Green revolution’ crops bred to slash fertilizer use

<녹색혁명 작물을 이용한 비료사용 줄이기>

비료사용 줄이면서 생산성 높이는 연구활발

네이처誌, 질소요구 낮은 녹색혁명시대 작물 품종개발에 주목

환경피해 줄인 새로운 품종개발 속속 착수‧‧‧5년내 상용화전망

A gene that enhances plants’ ability to absorb nitrogen could be used to breed high-yield varieties of rice, wheat and other staple crops that would need less fertilizer, researchers report on 15 August in Nature1. That could slash costs for farmers worldwide, and help to limit the environmental damage that occurs when nitrogen-rich water and soil wash from farm fields into rivers and oceans.

연구원들이 8월 15일 네이처에 보고한 기사에 따르면, 식물의 질소 흡수능력을 향상시키는 유전자는 쌀이나 밀과 같은 비료가 덜 필요하면서도 고수확을 내는 다른 작물들을 번식시키는데 사용될 수 있다고 한다. 이러한 기술은 전세계 농부들의 영농비용을 줄일 수 있고, 질소가 함유된 물과 토양이 경작지에서 강과 바다로 씻겨 내릴 때 발생하는 환경피해를 줄이는데 도움이 된다.

The research focused on crops bred during the ‘green revolution’ of the 1960s, a period when agricultural scientists boosted yields by breeding smaller, hardier versions of common crops. Farmers used these alongside improved irrigation methods, strong pesticides and efficient fertilizers. That sent the global harvest of cereal crops soaring from 741 million tones in 1961 to 1.62 billion in 1985.

이 연구는 1960년대의 ‘녹색혁명’ 시대 때 만든 작물의 육종에 중점을 두었다. 그때는 농작물을 작고 단단하며 쓰러지지 않도록 만들어서 수확량을 늘린 시기였다. 그렇게 만든 작물에 적당한 물관리와 강력한 살충제, 효율적인 비료관리를 했다. 그 결과 전세계의 수확량은 1961년 7억4100만톤에서 1985년 16억2000만톤으로 급증했다.

But the latest study shows that there is still room for improvement, says Kathryn Barton, a plant scientist at the Carnegie Institution for Science in Stanford, California. “If you thought that these green-revolution varieties were it — that they’re the end of the line — you’re wrong, because there is more we can do,” she says.

그러나 캘리포니아 스탠포드 과학연구소의 식물과학자인 캐스린 바튼이 소개한 최근 연구결과에 따르면, 그때보다 작물생산량을 더 늘릴 수가 있다고 한다. “이러한 녹색혁명 품종이 다 개발된 것이라고 생각하는 것은 틀렸다. 왜냐하면 우리가 더 발전시킬 수 있기 때문”이라고 그녀는 말한다.

That’s because modern crops have a weakness: they can’t absorb nitrogen as well as traditional crops can, so they need a lot of fertilizer to grow. In 2015 alone, the world’s farmers used roughly 104 million tonnes of nitrogen-rich fertilizer.

지금 우리가 재배하는 작물은 전통적인 작물보다는 질소를 잘 흡수하지 못한다는 약점이 있다. 그래서 현대식물에는 비료가 필요하다. 세계적으로, 2015년 한해에만 1억4000만톤의 질소가 든 비료가 사용됐다.

That practice is costly for farmers and harmful to the environment, says study co-author Xiangdong Fu, a plant geneticist at the Chinese Academy of Sciences Institute of Genetics and Developmental Biology in Beijing. When nitrogen-rich runoff from farm fields reaches rivers, lakes and oceans, it can feed massive algal blooms that consume oxygen and suffocate aquatic organisms. “That’s why we need to look for new varieties — ones that can produce high yields but with less fertilizer,” Fu says.

베이징에 있는 중국 유전생물학원의 식물 유전학자 시앙동 푸에 따르면, 이러한 관행은 비용이 많이 들고 환경에도 좋지 않다고 한다. 농장에서 흘러나오는 질소가 많이 섞인 물이 강, 호수, 바다에 도달하면, 산소를 소비하고 수생생물을 질식시키는 대량의 녹조류를 만든다. “그래서 우리는 비료를 적게 써도 많은 생산량을 내는 새로운 품종을 찾아야 한다”고 그는 말한다.

To do that, he and his colleagues examined the role of molecules called DELLA proteins that had been identified as the cause of green-revolution plants’ poor nitrogen absorption and short stature. In conventional crops, these proteins are destroyed by hormones that stimulate plant growth. But DELLA proteins flourish in green-revolution crops because the plants are immune to the hormones’ influence, or produce less of them.

새로운 품종을 찾기 위해, 질소흡수는 낮으면서 키를 작게 하는 원인으로 확인된 녹색혁명시대 식물의 DELLA 단백질 분자가 하는 역할을 연구했다. 전통적인 작물에서는, 이 단백질들은 식물의 성장을 자극하는 호르몬에 의해 파괴된다. 그러나 DELLA 단백질은 호르몬의 영향을 받지 않거나, 생산량이 적어 녹색혁명 당시 식물에서 잘 자란다.

Fu and his colleagues wanted to find a way to combat the accumulation of DELLA proteins. They began their search by comparing the DNA of 36 varieties of dwarf rice, and looking at the varieties’ ability to absorb nitrogen. The scientists identified two genes that control nitrogen consumption: one that codes for DELLA proteins, and another that codes for a protein called growth-regulating factor 4 (GRF4), which had been thought to increase only grain size and yield. Fu’s team found that GRF4 counteracts the effects of DELLA proteins by encouraging plants to absorb and metabolize nitrogen and carbon to support growth.

푸와 그의 동료들은 DELLA 단백질의 축적을 막는 방법을 찾고 싶었다. 그들은 키가 작은 쌀 36종의 DNA를 비교하고 다양한 종류의 질소를 흡수하는 능력을 관찰하면서 연구를 시작했다. 과학자들은 질소소비를 조절하는 두 개의 유전자를 확인했다. 하나는 DELLA 단백질을 암호화하는 유전자와, 다른 하나는 곡물 크기와 수율을 증가시키는 것으로 알려졌던 성장조절인자 4(GRF4)라는 단백질을 암호화하는 유전자이다. 푸 연구팀은 GRF4가 식물성장을 지원하기 위해 질소와 탄소를 흡수하고 대사하도록 함으로써 DELLA 단백질의 영향을 막는 것을 발견했다.

Then the researchers bred rice plants to produce a higher concentration of the GRF4 protein. The result was short plants with high yields that required less nitrogen than conventional green-revolution varieties.

그러고 나서 연구원들은 GRF4 단백질의 농도를 높이는 쪽으로 벼 품종을 개량했다. 그 결과 수확량은 많으면서도 키가 작은 식물이 전통적인 녹색혁명 식물보다 적은 질소에서도 잘 자랐다.

The strategy is promising, says Jennifer Volk, an environmental-quality specialist at the University of Delaware in Dover. Farmers use several methods to lessen the environmental harms caused by excess nitrogen and other plant nutrients, such as constructing wetlands whose aquatic plants filter excess nitrogen and phosphorus from water before it drains to streams and rivers, she says. “Going this next step — making the crop more effective and efficient at taking those nutrients up — would tighten that system up even more,” Volk says.

도버 델라웨어 대학의 환경품질 전문가인 제니퍼 볼크는 그러한 방법이 성공할 가능성이 높다고 말했다. 그녀에 따르면, 수생식물로 습지를 만들어 과도한 질소와 인을 여과한 뒤 강으로 내보내는 것과 같이, 농부들은 과도한 질소와 기타 식물에 따른 환경피해를 줄이기 위해 여러 가지 방법을 사용한다고 한다. “이 다음 단계로, 작물을 보다 효과적이고 효율적으로 만들어서 영양분을 섭취하면 이러한 시스템이 보다 견고해질 것”이라고 그녀는 말한다.

But Anna Michalak, an environmental engineer at the Carnegie Institution who has studied the link between climate change and nutrient runoff in water systems, is more cautious about the implications of the study’s findings. “Whenever something seems like a win–win situation, I immediately think there’s something we haven’t thought of,” she says. “We’re never quite smart enough to anticipate what will happen.”

그러나 물 흐름에서의 기후변화와 영양분유출 사이의 연관성을 연구한 카네기 연구소의 환경공학자 안나 마이클락은 이 연구결과의 영향에 대해 신중한 태도를 보였다. 그녀는 “어떤 것이 윈-윈 상황처럼 보일 때마다, 나는 즉시 우리가 생각해보지 못한 것이 있다고 생각한다”며, “우리는 어떤 일이 일어날지 예측할 만큼 똑똑하지 않다”고 말한다.

Nevertheless, Fu and his colleagues are in the middle of preparing a patent, and have already begun plant-breeding programmes in China. Fu anticipates that other parts of the world might see these new breeds of crop in five years.

그럼에도 불구하고, 푸와 그의 동료들은 특허를 준비하고 있고, 중국에서 이미 식물 육종프로그램을 시작했다. 푸는 세계의 다른 지역에서도 5년 안에 이러한 새로운 품종의 농작물을 볼 수 있을 것으로 예상한다.

-출처 : https://www.nature.com/articles/d41586-018-05980-7?utm_source=briefing-dy&utm_medium=email&utm_campaign=briefing&utm_content=20180816

[시사점]

비료사용에 따른 환경오염은 어제오늘의 일이 아니다. 수확량을 늘리기 위해서는 질소질 비료를 사용해야 하고, 필요 이상의 질소를 사용하면 지하수가 오염되는 것은 뻔하다. 이러한 환경오염을 막기 위해 과학자들은 두 가지로 접근하고 있다. 첫째는 이 기사에 있는 내용처럼, 질소질 비료사용량을 줄이면서도 수확량을 많이 내는 품종을 만드는 것이며, 둘째로는 꼭 필요한 곳에 필요한 양의 질소질 비료만 살포하는 정밀농업에 대한 접근이다.

[번역]

농촌진흥청 국립농업과학원 성제훈 연구관

정상진  jsj1234@alnews.co.kr

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