농업직, 농촌지도사, 농업연구사, 방통대 시험대비 재배식물 육종학 정리 9 돌연변이 육종

9. 돌연변이 육종

 

<목차>

1. 돌연변이 유발 메커니즘

2. 돌연변이 육종의 특성

3. 자식성 식물의 돌연변이 육종

4. 타식성 식물의 돌연변이 육종

■ 학습개요
- 돌연변이육종은 종자 또는 식물체에 돌연변이유발원을 처리하여 변이를 일으킨 다음, 그 후대를 양성하여 유용한 돌연변이체를 선발하는 육종방법이다. 인위적으로 유발되는 돌연변이는 주로 우성이 열성이 되고, 돌연변이율도 매우 낮으며, 연속적이 아닌 이산적으로 나타나는 특징이 있다. 따라서 돌연변이 육종은 집단속에 낮은 빈도로 출현하는 우량개체를 선발하게 되므로 명확한 육종목표와 효율적인 선발방법이 중요하다. 이번 강의에서는 돌연변이 유발 메커니즘과 유발방법, 그리고 돌연변이육종의 장·단점을 학습할 것이다.

■ 학습목표 
돌연변이유발 메커니즘을 설명할 수 있다.

돌연변이 유발원과 그 처리방법을 설명할 수 있다.

돌연변이육종 방법을 이해하고 설명할 수 있다.

■ 주요용어 
- 주연 키메라 (periclinal chimera) : 식물의 생장점은 여러 층으로 이루어져 있는데 그 중 어느 한 세포에서 돌연변이가 발생하여 엽록소를 만들지 않고 다른 색이 무늬로 나타나는 경우가 있는데, 주연 키메라는 복륜, 축입, 중반 등의 현상이 나타난다.

- 시원세포 (initial cell) : 생장점의 세포 중 나중에 이삭 등 조직을 형성할 세포로, 돌연변이 유발원을 처리하면 시원세포에서 돌연변이가 일어난다.

- 변이섹터 : 돌연변이 유발원에의해 시원세포에 돌연변이가 발생했을 때, 하나의 시원세포로부터 분화된 조직을 변이섹터라고 한다. 변이섹터의 크기는 식물의 종류와 돌연변이유발원의 선량 혹은 농도에 따라 다르다.

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1. 돌연변이 유발 메커니즘

1) 돌연변이

 

* 돌연변이 유형
- 돌연변이 발생빈도: 1/100,000~1,000,000
- 돌연변이 유발원: 방사선, 화학물질 등
- 돌연변이체(mutant): 돌연변이 형질을 가진 개체

2) 유전자 돌연변이

 

 

* 점돌연변이
- DNA 염기서열 중 한 쌍만이 변화하여 원래 DNA에 코드된 다른 아미노산을 지정함으로써 나타나는 돌연변이

 

 

* 트랜스포존(transposon)
- 이동하는 특성을 가진 이동유전자가 다른 유전자
DNA에 끼어들어 원래 유전자의 기능이 상실되어 나타나는 돌연변이

3) 염색체 돌연변이

* 염색체의 구조적 이상
- 종자, 식물체 등에 돌연변이 유발원을 처리하게 되면 염색체의 결실, 역위, 중복, 전좌 같은 구조적인 염색체 돌연변이 발생
- 염색체 구조적 돌연변이는 감수분열시 염색체 대합이 제대로 일어나지 않기 때문에 임성이 떨어짐
- 염색체의 숫적인 변화에 의한 돌연변이 (배수성 육종)

4) 체세포 재조합 돌연변이
- 이형접합체의 체세포분열 시 염색분체 사이에 재조합이 일어나 돌연변이 발생

 

 

5) 생장점 층치환 돌연변이

- 생장점에 주연키메라가 있는 경우, 제1층의 분열세포가 유발원에 의해 파괴되면 제2층세포가 증식 층치환 돌연변이 발생

 

 

6) 돌연변이 유발원

* 이온화방사선
- X선, γ선(137CS, 60CO), 중성자, β선, 레이저광선, 근자외선

* 화학물질
- EMS, NMU, NaN3 등
- 대부분발암물질

* 방사선
- 처리가 쉽고 잔류방사능이 없음
- 𝛾𝛾선, X선이 90% 이상 이용됨

 

 

* 방사선
- 중성자
→ 잔류방사능 등의 이유로 격리재배를 요함
→ 대규모 선발 실험이 어려움

- 베타 선
→ 에너지가 낮아 식물체 외부조사의 경우 비효율적
→ 식물체 속에 주입하는 내부조사를 해야 하는 번거로움이 따름

* 화학물질
- 과수나 수목과 같은 큰 식물체에는 처리가 곤란함
- 감자, 고구마 등과 같은 처리용액이 다량 필요한 식물의 경우 위험성이 따르고, 처리 후 효과도 균일하지 못함

7) 돌연변이 유발원 처리방법

* 유발원 처리방법
- 방사선량이 높을수록, 화학물질의 농도가 높고 처리시간이 길수록 돌연변이율 증가
- 돌연변이체의 발아불량, 생존률 저하, 불임발생 등의 부작용 발생

 

 

8) 돌연변이율

 

[재배식물의 형질에 따른 인위돌연변이율]

 

9) 돌연변이 스펙트럼

* 엽록소 돌연변이
- 식물에 돌연변이 유발원을 처리했을 때 가장 많이 나타나는 돌연변이
- 백색, 황색, 황록색 등 다양한 색이 나타남

 

 

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2. 돌연변이 육종의 특성

1) 돌연변이육종의 장점

- 단일특성만 개량할 수 있음
- 교배육종이 어려운 영양번식 식물에서 유리함
- 유전자원을 확대하는 장점이 있음
- 실용형질에 대한 돌연변이율이 낮고 열성돌연변이가 대부분임
- 처리하는 식물체에서 돌연변이 유발장소를 제어할 수 없음
- 인위돌연변이는 세포에 따라 무작위적으로 일어나고 변이세포와 정상세포가 키메라형으로 존재하는 경우가 많음

2) 돌연변이육종의 성과

 

 

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3. 자식성 식물의 돌연변이 육종

1) 자식성 식물의 돌연변이

* 육종과정
- 제 1단계 : 돌연변이 유발원을 처리 M1세대 양성
- 제 2단계 : M2세대 전개 돌연변이체 선발
- 제 3단계 : 계통재배하고 우량계통 선발

* M1 세대 양성
 돌연변이는 세포에 따라 무작위적으로 발생
 돌연변이가 발생하는 세포는 시원세포로 후에 이삭과 같은 조직 형성

 

 

* 제1단계
 변이섹터: 하나의 변이세포에서 유래하는 조직
 돌연변이 유발원으로 종자처리를 하면 생장점의 시원세포에서 돌연변이가 유발, 변이된 세포가
세포분열 하여 변이섹터 형성
 변이섹터의 크기는 종자크기에서 식물체의 1/3~2/3로 다양
 변이섹터의 크기는 돌연변이 유발원의 처리시 생육시기에 따라 다름
 일반적으로 발아 직후 처리한 것은 종자 처리한 것과 유사하나 생육이 진전됨에 따라 변이섹터의 크기가
작음
 돌연변이 유발시 배우자가 형성된 후부터 수정 전까지 돌연변이 유발원을 처리하면 암수배우자 중 어느
한 쪽 만이 변이유전자를 갖게 됨
 따라서, M1개체는 변이유전자에 대해 이형접합체가 됨
 우성돌연변이인 경우는 M1 개체에 변이형질이 그대로 발현 M1세대에 돌연변이체를 선발할 수 있음
 열성돌연변이는 M1에서 변이형질이 나타나지 않으므로 M2세대에서 변이체를 선발해야 함

* 제2단계
 M2세대 전개 – 돌연변이체 선발

* 제3단계
- 계통재배를 통해 우량계통 선발
→ M3 계통에서 선발된 돌연변이 계통은 M4세대 이 후 생산성
검정을 하며 이 후 계통육종과정을 따름
→ 돌연변이 계통의 고정도가 낮을 때는 개체선발과 계통재배를 몇 세대 반복함
→ 대상식물과 목표형질, 육종여건에 따라 돌연변이 육종 규모가 다름

 

 

 

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4. 타식성식물의 돌연변이 육종

1)  타식성 식물의 돌연변이

* 특징
- 타식성식물은 자식성식물보다 유전변이가 풍부하기 때문에 인위돌연변이를 통해 변이를 확대할 필요성이
크지 않음
- 인위돌연변이의 대부분이 열성돌연변이인데 타식성집단에는 M2세대 이후에도 열성돌연변이가
이형접합체로 존재하는 것이 많기 때문에 돌연변이체의 선발이 곤란함

 

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■ 정리하기
돌연변이육종은 유전자원을 확대하고 단일특성 개량에 효과적이다.

돌연변이육종은 교배육종이 어려운 영양번식식물에 유리하나, 실용형질에 대한 돌연변이율이 낮고, 열성돌연변이가 대부분이며, 처리종자나 식물체에서 돌연변이 유발장소를 제어할 수 없다는 단점이 있다.

인위돌연변이는 세포에 따라서 무작위적으로 일어나고, 변이세포와 정상세포가 키메라형으로 존재하는 특징이 있다.

인위돌연변이 유발원은 방사선량이 높을수록, 화학물질의 농도가 높고 처리시간이 길수록 돌연변이율이 증가한다, 반면에 발아생존율이 저하되고 불임발생과 같은 장해도 크게 나타난다.

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