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[환경일보 25주년 기획특집]
환경 살리고 사람 살리는 ‘고구마’를 캐다
⑤ 21세기 식량위기 구원투수 ‘준완전식품’ 고구마
환경스트레스 내성 단백질 규명으로 재해 강한 산업식물 개발
유전체 해독으로 고부가 가치 창출하는 품종육성 연구 박차
  • 김익수·김경태 기자
  • 승인 2018.07.25 18:36
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[환경일보] 고구마는 식물이 자라기 힘든 토양에서도 재배가 가능하고 재해에 강하며, 단위면적당 수확량도 많아 싼값으로 많은 사람을 먹여 살릴 수 있다. 각종 비타민과 무기질 및 양질의 식이섬유가 함유돼 있고, 농약을 거의 사용하지 않고 재배가 가능한 저공해 건강식품이다. 국내 식량 사정이 어렵던 1970년대까지는 구황작물로서 국민들을 먹여 살린 식량작물이다. 소득수준 향상으로 생산량이 줄었지만 최근 들어 고구마의 각종 영양성분이 성인병 예방에 좋고 다이어트에도 적합하다는 사실이 알려지면서 건강식품으로 다시금 각광받고 있다. <편집자 주>

1970년대까지 고구마는 쌀과 함께 국민을 먹여 살리는 귀중한 식량이었다. <사진제공=국립식량과학원>

고구마가 우리나라에 처음 들어온 것은 조선시대인 영조39년(1763년) 10월로 당시 일본에 통신정사(通信正使)로 갔던 조엄(趙漸)이 쓰시마섬에서 고구마를 보고 이것이 구황작물이 될 수 있을 것으로 생각하고 씨고구마를 구해 부산진으로 보내온 것이 처음이었다. 이듬해 조엄은 귀국길에 다시 씨고구마를 구해 동래지방 및 제주도에 심도록 했다.

과거에는 구황작물의 이미지가 강했다. 1965년 300만톤, 1970년 210만톤(참고로 당시 쌀의 생산량은 400만톤)을 생산하는 등 식량으로서 역할을 톡톡히 했지만 이후 생산량이 급감해 1981년 110만톤, 1991년 37만톤, 2001년 27만톤, 2006년 28만톤으로 줄어 현재는 30만톤 내외를 생산하고 있다.

그러나 최근 들어 고구마의 항암, 항산화작용 및 혈중 콜레스테롤의 강하작용 등 약리적 효과가 인정돼 성인병 예방 건강식품으로 각광받아 간식용 고구마의 수요가 증가하고 있다.

<자료제공=농촌진흥청>

고구마는 쌀이나 보리와 같이 탄수화물이 많고 단백질, 지방, 식이섬유, 미네랄, 비타민 등이 골고루 들어있어 주식 대용이 가능하며, 잎과 줄기에는 비타민 A·C·E가 뿌리보다 많으며, 잎에는 단백질, 칼슘, 철, 아연 등이 풍부하고 필수아미노산도 골고루 함유돼 있다. 이 같은 효능 때문에 미국 식품영양운동단체인 공익과학센터(CSPI)는 건강식품 10가지 가운데 고구마를 첫 번째로 선정했다.

주황색의 베타카로틴과 자색의 안토시아닌은 대표적인 항산화물질로 활성 산소를 제거해 노화와 질병을 예방하며, 식이섬유와 유백색 액체인 얄라핀(jalapin)은 변비를 해소해주고 대장암을 예방하며 다이어트에도 효과적이다.

국립식량과학원은 우리나라에서 유일하게 고구마 신품종을 개발하는 곳이다. 신품종을 개발해 농가에 보급하는데까지 대략 12~13년의 시간이 걸린다. <사진=김경태 기자>

유통되는 고구마 절반은 일본 품종

국립식량과학원은 식량작물, 사료작물, 풋거름작물, 바이오 에너지작물 등의 품종개량, 재배법 개선, 생산 환경 및 품질보전에 관한 시험·연구와 기술지원을 하고 있다. 그중에서도 바이오에너지작물연구소 고구마연구실은 기능성과 맛을 중요시하는 소비 트렌드에 맞는 고구마 품종을 개발해 농가에 보급하는 역할을 하고 있다.

특히 남상식 농업연구관은 생산자와 소비자 간 맞춤형 기능성 고구마의 새로운 품종 개발과 안정적인 생산 기술 보급으로 농가의 소득 향상과 국민 건강 증진에 기여한 공을 인정받아 지난 4월 녹조근정훈장을 수상했다.

2000년대 중반까지 우리나라 고구마는 대부분 일본에서 수입한 품종이었다. 남 연구관은 고구마 품종의 50%를 차지하던 일본 고구마 품종을 국산 품종으로 대체하기 위해 품종 개발과 보급에 힘써 왔다.

개발된 국산 품종으로는 풍원미, 호감미, 진율미, 단자미 등이 있으며, 각각 다른 영양성분을 함유하고 있다.

남 연구관은 낮은 비용으로 품질 좋은 고구마를 안정적으로 생산할 수 있도록 기계를 이용한 표준재배법을 확립했으며, 바이러스 무병묘 생산 기술 이전과 농업인 기술 교육으로 재배 환경과 기술 향상을 이끌고 있다.

남상식 연구관은 고구마 신품종 개발과 연구 공로를 인정 받아 녹조근정훈장을 수상했다. <사진=김경태 기자>

상품성 높은 무병묘 개발

국내에서 밝혀진 고구마 바이러스는 총 8종으로, 두 종류 이상의 바이러스에 감염되면 고구마 수확량이 최대 80%까지 감소하는 등 큰 피해를 입게 된다. 국립식량과학원 고구마연구소의 가장 큰 미션이 바로 고구마 무병묘(Virus Free)를 개발해 보급하는 것이다.

고구마는 영양번식으로 묘를 생산하기 때문에 한번 바이러스에 걸리면 감염률이 100%이고, 수량과 품질이 저하된다.

무병묘는 조직배양 기술로 만든 바이러스가 없는 묘를 말하며, 무병묘를 사용하면 감염률이 낮고 수확량이 10~40%까지 증가한다. 또한 모양과 껍질색이 선명해서 상품성이 높기 때문에 농가에서도 선호한다.

2013년부터 농업기술센터, 민간업체에 무병묘 생산기술을 이전하고 전문가 육성은 물론 무병원주 534병을 분양한 결과, 바이러스 감염률이 크게 감소했다. 게다가 무병묘는 3~4년 정도 효과가 유지되기 때문에 매년 구입하지 않아도 되는 장점이 있다.

현재 고구마연구소는 무병묘 생산과 함께 다양한 실험을 하고 있다. 남 연구관은 “생육시기별로 30~55일 동안 차광처리를 통해 햇볕이 고구마 수량에 어떠한 영향을 미치는지를 연구하고 있다”고 말했다. 기상재해가 왔을 때 120일만 키워도 충분한 고구마를 비상식량으로 활용할 수 있는 가능성을 연구하는 것이다.

최근 들어서는 고구마를 논에 재배하는 시도를 하고 있다. 경남, 전북, 충북, 충남 등에서 농업기술원과 공동연구를 하고 있으며 논에 고구마를 재배하면 정부에서 1㏊당 340만원의 보조금을 지급하고 있다.

같은 면적이라면 고구마를 재배하는 것이 가장 많은 소득을 올릴 수 있다. <자료제공=농촌진흥청>

고구마 신품종을 개발하는 것은 몹시 어렵고, 게다가 시간도 많이 필요한 장기 프로젝트다. 남 연구관은 “품종의 균일성, 신규성, 영속성 등을 꾸준하게 관찰해야 하기 때문에 보통 5년에 걸쳐 재배하면서 품종을 선발하고 이렇게 선발된 품종의 생산력을 2년 동안 검증한다”면서 “처음 30만개의 품종을 시험한다면 마지막에는 30개 이내 품종만 남는다”라고 말했다.

이렇게 선발된 품종은 지역적응 시험을 거치는 데 또 3년이 걸린다. 또한 지역적응 시험을 통과한 새로운 품종을 농진청 품종심의위원회에서 국립종자원으로 출원하면 2~3년간 품종비교시험을 다시 거친다. 남 연구관은 “고구마뿐 아니라 모든 농작물이 농가에 보급되려면 12~13년의 세월이 필요하다”고 말했다.

<국립식량과학원이 개발한 고구마 신품종 풍원미, 호감미, 진율미 등은 시장에서 좋은 반응을 얻고 있다. 국립식량과학원에서 연구를 위해 재배한 고구마. <사진=김경태 기자>

해외 토지 임차해 고구마 재배

고구마가 돈이 된다는 사실이 알려지면서 재배 면적도 조금씩 늘고 있다. 아울러 고구마를 전문적으로 재배하는 기업농이 활발해지고 있다. 남 연구관은 “고구마 재배는 일반 농가라기보다 중소기업이라고 봐야 한다. 33㏊(10만평)는 기본이고 230㏊(70만평) 면적에 저장고, 세척시설 등을 모두 갖춘 대규모 기업농도 있다”면서 “재배규모가 커지면서 고구마묘만 전문적으로 공급하는 업체도 생겨날 정도다. 고구마 육묘 하우스만 3.3㏊(1만평)이 넘는 규모를 갖추고 있다”라고 말했다.

국립식량과학원 바이오에너지작물연구소 내 전시관. 고구마 품종은 물론 각종 가공식품이 전시돼있다. <사진=김경태 기자>

고구마가 돈이 되면서 해외농업도 뒤따르고 있다. 고구마가 돈이 되기는 하지만, 비좁은 국토면적 탓에 재배에 한계가 있기 때문이다. 남 연구관은 “인도네시아 토지를 빌려 현지인을 고용해서 고구마를 재배해 역수입하는 사례가 생겨나고 있다”고 말했다. 식품기업들이 해외에서 당면, 전분 등 가공용 고구마 생산을 위해 해외에 진출하는 것이다.

이처럼 고구마 재배와 품종연구가 활발하지만 아쉽게도 시중에 유통되는 고구마의 50%는 일본 품종이다. 관련 연구를 우리보다 훨씬 먼저 시작했고 더 많은 R&D 자금을 투입했기 때문이다.

남 연구관은 “농진청에서 고구마 연구는 우리 고구마연구소의 9명이 하고 있다. 아직 일본 고구마에 대한 소비자와 생산자의 선호도가 높기 때문에 이를 바꾸기 위해 노력하고 있다”면서 “지난해 국무총리상을 받은 풍원미를 비롯해 다양한 품종을 개발해 시장에 보급했고 다행히 소비자들의 반응이 좋았다. 한국의 대표적인 먹을거리인 고구마 품종의 국산화와 고부가가치화를 위해 힘쓰겠다”라고 밝혔다.

고구마 줄기에는 영양분이 많기 때문에 식용이나 사료로 사용하면 좋다. <자료제공=국립식량과학원>

고구마 실제 자급률은 절반

정부의 공식 통계에 따르면 우리나라 고구마 자급률은 100%다. 우리가 먹는 고구마는 모두 우리 땅에서 생산된다는 의미인데, 생고구마는 수확을 해도 흙이 묻어 나오기 때문에 수입이 불가능하기 때문이다.

그런데, 여기에는 허수가 숨어 있다. 생고구마 수입은 불가능하지만 가공용 고구마, 즉 전분이나 당면은 가능하다는 뜻이다.

고구마 자급률을 정확히 풀어서 설명하자면, 굽거나 쪄서 먹는 생고구마는 100% 국내산이지만, 전분이나 당면 등 가공용 고구마 대부분은 수입된다. 비싼 국내산 고구마를 가공용으로 이용하면 수지타산이 맞지 않기 때문이다.

고구마의 주요 재배국은 아시아이며, 그중에서도 중국의 생산량이 70%가 넘는다. 중국의 최대 전자제품 회사인 하이얼에서 고구마 세탁기를 출시했을 정도로 현지 고구마 인기가 높다고 한다. 중국에서 대량으로 생산된 고구마는 전분이나 당면으로 가공돼 한국으로 수출된다.

생고구마는 100% 자급이 가능하지만 전분이나 당면 등 가공용은 대부분 수입되고 있다. <단위=톤, 자료제공=농수산식품수출지원정보>

인간보다 복잡한 고구마 유전체

고구마 유전체 해독을 통한 유용 형질 유전자 개발과 고부가가치를 창출하는 품종육성 연구는 우리 농산업의 경쟁력 확보와 해외시장 진출을 위한 핵심 분야다.

고구마 신품종을 개발하기 위해서는 유전체 정보를 해독해야 한다. 고구마 연구는 매우 복잡하다. 사람의 유전자는 X와 Y 2배체이고, 야생종 고구마 역시 2배체이지만, 재배종 고구마는 6배체다. 염색체도 90개일 정도로 매우 복잡하다.

유전체 해독을 위해 한중일 3국이 협력하고 있으며 국내에서는 농촌진흥청(국립농업과학원, 국립식량과학원)과 한국생명공학연구원이 참여하고, 중국은 중국농업대학과 중국농업과학원 고구마연구소가, 일본은 최대 규모 민간연구소인 Kazusa DNA연구소와 농림성 산하의 일본농업식품산업기술종합기구(NARO)가 참여하고 있다.

국립농업과학원은 유전체 해독을 통해 육종교배 기간을 단축시킨다. <사진=김경태 기자>

한중일 고구마 유전체 해독 연구팀은 2016년 야생종 2배체 고구마 품종 Mx23Hm(염색체 15개, 유전체 크기 515.8MB) 게놈 해독 초안을 완성해 전체 게놈 영역의 96% 이상을 해독했고 그로부터 유전자 3만7100개를 발굴했다.

또한 세포소기관 중에서 광합성에 관련된 유전자를 분석했으며 에너지 대사에 관여하는 고구마 미토콘드리아 유전체 26만4698bp의 염기서열을 완전 해독했다. 생산된 게놈 빅데이터는 국립농업생명공학정보센터(NABIC)에 데이터베이스로 구축됐다.

고구마는 척박한 환경에서 최고의 수량을 생산하는 작물이라는 점에서 유전체 정보를 활용한 한중일 3국의 연구 협력을 통한 한계농지에서 잘 자라며 고부가가치를 창출하는 품종 육성에 박차를 가하고 있다.

국립농업과학원의 윤웅한 박사는 정년퇴직 이후에도 고구마 연구를 계속할 계획이라고 밝혔다. <사진=김경태 기자>

아프리카 영양결핍 해결 기여

국립농업과학원의 윤웅한 박사는 “국내외적으로 GMO 반대의 목소리가 높기 때문에 요즘 추세는 GMO 대신 유전자 가위 기술을 통한 육종교배다. 유전체 정보를 알면 예전에 10~20년 걸렸던 육종교배 연한을 단축시킬 수 있다”라며 “아프리카 식량 문제 해결을 위해 막대한 투자를 하고 있는 빌게이츠 재단 역시 GMO가 아니라 육종교배를 통해 주황고구마를 개발했다”고 말했다.

아프리카 미취학 아동의 32%가 비타민A 결핍에 시달리고 있다. 그러나 아프리카에서 주로 재배되는 고구마 품종은 육질이 흰색으로 비타민A가 거의 들어있지 않다.

이에 빌게이츠 재단은 2005년부터 주황색 고구마를 개발하고 재배기술을 아프리카에 전파했다. 주황색 고구마는 일반 고구마보다 베타카로틴이 많다. 베타카로틴은 우리 몸 안에서 비타민A로 전환돼 아프리카 아동의 영양결핍 문제 해결에 기여하고 있다.

윤 박사는 “빌게이츠 재단과 작년에 중국에 같이 모여서 고구마 유전체를 어떻게 활용할 것인가를 논의했다. 유전체 정보가 공개되면 미국에서 우리 연구결과를 활용하고, 우리도 미국 유전체 정보를 활용한 연구가 가능할 것”이라고 말했다.

고구마는 굽거나 쪄도 양양분이 사라지지 않는다. 인의 경우 굽거나 찌면 더 많아진다. <자료제공=농촌진흥청>

생명硏, Orange 단백질 규명

고구마는 2013년 전 세계 117개국에서 약 1억7000만톤이 생산됐으며 세계 소비량의 50% 이상이 식용, 40%는 사료용, 10% 미만이 가공용으로 사용되고 있다. 참고로 우리나라는 2015년 1만9000㏊에서 29만5000톤의 고구마를 생산했다.

척박한 환경에서 대량 생산이 가능한 고구마가 가야 할 최종 목적지는 환경과 식량문제의 동시 해결이다.

이와 관련 한국생명공학연구원은 2016년 고구마에서 항산화활성 물질인 카로티노이드 축적 및 환경스트레스(고온 등)에 내성을 갖게 하는 ‘고구마 Orange 단백질(IbOr)’의 기능을 규명했다.

한국생명공학연구원 식물시스템공학연구센터 곽상수 박사팀과 경상대 이상열 교수팀이 공동으로 수행한 연구는, 농촌진흥청 차세대바이오그린21사업 시스템합성농생명공학사업단 지원으로 수행됐고, Nature사가 발행하는 저명학술지 Scientific Reports(IF 5.6) 온라인 판에 게재됐다.

주요 재배 국가의 고구마 생산량 <단위=천톤, 자료출처=FAO STAT>

곽상수 박사팀은 베타카로틴이 많이 함유된 고구마(품종 신황미)에서 분리한 Orange 단백질이 카로티노이드를 축적해 식물의 광합성을 정상적으로 할 수 있도록 하는 기능을 밝혔다.

즉, 식물체(고구마, 애기장대)에서 스트레스 조건하 Orange 단백질이 PSY 단백질의 활성을 안정화시켜 카로티노이드 축적과 고온 등 환경스트레스에 내성을 갖게 되는 것을 처음으로 밝힌 것이다.

곽상수 박사팀이 밝혀낸 Orange 단백질은 모든 식물에 적용 가능하며 카로티노이드계 항산화물질(베타카로틴 등)을 많이 생산하고 고온스트레스 등 재해에 강한 산업식물을 개발하는 데 활용할 수 있다.

특히 국내·외 조건 불리지역(사막화지역, 오염지역 등)에 대량으로 식재하면 바이오매스 증대를 통한 탄소배출권 확보도 기대된다.

한국생명공학연구원 곽상수 박사는 “사막화를 방지하기 위해서는 극한 환경에 견딜 수 있는 식물을 재배해야 하는데, 이를 소득작물로 대체하면 환경과 식량 두 가지 문제를 한꺼번에 해결할 수 있다”고 주장한다. <사진=김경태 기자>

식량·환경문제, 동시 해결

전 세계 70억명의 인구 가운데 10억명이 식량부족으로 고통받고 있다. 2050년에는 95억 이상으로 인구가 증가할 것으로 전망되는 가운데, 식량 역시 2배 이상 필요할 것으로 전망된다.

곽 박사는 “앞으로 식량문제가 인류의 중요한 과제로 떠오를 것이다. 사막과 같은 조건 불리지역에 생명과학기술을 활용해 잘 자라고 부가가치고 높은 식물을 재배해야 한다. 이는 인류가 죽느냐 사느냐의 문제와 직결된 문제”라며 “고구마는 척박한 환경에서 최소한의 수확이 보장되는 대표적인 구황작물이다. 비료와 사료 사용이 적고 물 이용도 매우 효율적이면서 좋은 영양분을 많이 함유하고 있다”고 말했다.

아울러 그는 “사막화를 방지하기 위해서는 극한 환경에 견딜 수 있는 식물을 재배해야 하는데, 이를 소득작물로 대체하면 환경과 식량 두 가지 문제를 한꺼번에 해결할 수 있다. 우리가 고구마에 주목해야 하는 이유다”라고 말했다.

전 지구를 뒤덮고 있는 사막화를 막아냄과 동시에 지역 식량문제 해결에 기여할 수 있는 식물, 중금속이나 폐유로 오염된 토양을 친환경적으로 정화하고 거기서 수확한 작물을 에너지로 활용할 수 있는 식물. 고구마가 21세기 95억의 인구를 먹여 살리는 구원투수가 될 수 있을지 지켜보자.

<본 기획물은 언론진흥기금의 지원을 받았습니다>

김익수·김경태 기자  mindaddy@hkbs.co.kr

<저작권자 © 환경일보, 무단 전재 및 재배포 금지>

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