농업직, 농촌지도사, 농업연구사, 방통대 대비- 재배식물 육종학 정리 11 . 바이오테크놀로지에 의한 식물육종

11.  바이오테크놀로지에 의한 식물육종

 

<목차>

1. 조직배양과 식물육종

2. 세포융합과 식물육종

3. 유전자전환과 형질전환육종

4. 형질전환육종의 응용 및 재해

■ 학습개요
- 바이오테크놀로지는 생명과 생명체를 뜻하는 ‘바이오(bio)'와 기술과 공학을 의미하는 ’테크놀로지(technology)'가 합쳐진 용어로, 생명공학 또는 생물공학이라 부른다. 생명공학은 조직ㆍ세포ㆍ염색체ㆍDNA 등을 대상으로 하며, 구체적 방법은 조직배양ㆍ세포융합ㆍ유전자전환ㆍ분자표지이용 등이 주축을 이룬다. 조직배양은 세포의 전체형성능을 이용하는 배양기술이고, 새포융합은 인공교배가 불가능한 원연종ㆍ속간에 생식과정을 거치지 않고 유전자를 교환하는 방법이다. 유전자전환은 생물체가 가지고 있는 유용유전자를 유전자운반체 또는 물리적 방법에 의해 다른 생명체의 유전자에 끼워넣어 형질전환 식물을 육성하는 것이다. 분자표지는 DNA의 상동성에 기초하여 유전자지도를 만들고 품종의 식별과 종자의 순도검정을 하며, 실용형질의 선발지표로 사용한다. 이러한 바이오테크놀로지에 의한 식물육종은 일부 재배식물에서 이용되고 있으나, 앞으로도 해결해야할 과제도 많이 남아 있다.

■ 학습목표 
- 조직배양을 이용한 식물육종을 설명할 수 있다.

- 세포융합에 의한 식물육종을 설명할 수 있다.

- 유전자전환에 의한 형질전환육종을 설명할 수 있다.

■ 주요용어 
- 캘러스 (callus) : 유상조직이라고도 하며, 식물체의 일부분을 절단하면 형성층 부위에서 활발한 세포분열이 일어나 무정형의 세포덩어리가 만들어지는데 이러한 조직을 캘러스라고 한다.

- 탈분화 (dedifferentiation) : 캘러스나 혹조직을 필요한 영양분을 첨가한 배지에 배양하면, 이미 분화된 세포가 그 기능과 형태적 특징을 상실하고 분화 이전의 상태로 되돌아가 다시 기관분화가 일어나 식물체 증식된다. 이와 같이 분화된 세포가 분화이전의 상태로 되는 현상을 탈분화라고 한다.

- 전체형성능 (totipotency) : 한 번 분화한 식물세포가 탈분화하여 다시 조직과 기관을 형성함으로써 정상적인 식물체로 재분화하는 능력을 전체형성능이라고 한다.

- 형질전환식물체 (transgenic plant) : 외래유전자도입에 의해 전혀 새로운 형질이 나타나는 식물체이다.

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1. 조직배양과 식물육종

 

1) 식물 조직배양

 

 

* 조직배양(cell culture)의 효시
- 화이트(White, 1934)가 토마토 근단세포(뿌리형성층)를 배양하여 캘러스(callus, 부정형 세포덩어리) 형성 확인

* 캘러스(callus)
- 부정형의 세포 덩어리
- 유상조직이라고도 하나 보통 “캘러스”라고 부름

* 전체형성능
- 분화한 식물세포가 탈분화하여 조직과 기관을 재형성함으로써 정상적인 식물체로 재분화하는 능력

 

전체형성능

 

* 조직배양
- 세포의 전체형성능을 이용하여 식물의 세포, 조직, 기관 등이 완전한 식물체로 분화시키는 배양기술

 

* 식물혹
- 호르몬 불균형으로 인해 식물세포가 이상분열하여 형성된 세포덩어리

 

부정배 - 체세포를 배양하여 형성되는부정형의 배로 “배양체” 또는“체세포배”라고 함

 

 

2) 조직배양의 육종적 이용

* 조직배양의 이용
 원연종속간 잡종육성
 영양번식 식물의 대량증식
 바이러스프리묘(바이러스 무병주) 생산
 인공종자 생산
 유전자원 보존
 돌연변이 세포 선발 (제초제 저항성, 내병성 세포 선발)

* 원연종속간 잡종육성
- 생식격리장벽(reproductive barrier)
→ 기능이 서로 다른 종간 보통교배에서 수분이 이루어지지 못하거나, 수정 후에도 수정란의 발육이 정상적이지 못해
종자를 정상적으로 형성하지 못하는 현상 
- 생식격리장벽 타파
→ 시험관 내에서 수분시킨 후 수정된 배주나 배를 분리하여 조직배양를 통해 정상종자를 형성시킬 수 있음

 

담배에서 시험관내수정과 배주배양에 의한잡종종자 형성과정

 

 

 

 

 

 

인공종자

 

* 인공종자
- 체세포배는 배와 배유가 없어, 캡슐 속에 체세포배(배양체)를 넣어 자연종자처럼 제조한
것으로 캡슐은 배유와 종피의 지능을 할 수 있어야 함

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2. 세포융합과 식물육종

 

1) 식품세포 융합

- 프로토플라스트(protoplast, 나출원형질체)

 

식물조직에서 프로토플라스트를 나출시키는 과정

 

• 세포벽이 제거된 세포로 배양하면 캘러스가 형성되고 식물체가 재분화하며 조직배양과 같이 세포선발을
통해 변이체를 선발할 수 있음

 

* 세포융합(cell fusion)
• PEG 등의 계면활성제나 전기자극 등에 의해 프로토플라스트가 접촉 막 융합, 프로토플라스트
융합의 순으로 합쳐지는 것

 

 

 

* 체세포잡종(somatic hybrid)

- 서로 다른 종간에 프로토플라스트를 융합시켜 얻은 잡종으로 핵과 세포질이 모두 잡종임

2) 체세포 잡종과 세포질 잡종의 특징

* 종속간 체세포잡종
- 유용유전자와 불량유전자 혼재
- 대부분 불임

 

 

* 비대칭 융합
- 융합세포의 증식과 재분화가 안정적임
- 잡종개체의 불임 극복

 

 

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3. 유전자전환과 형질전환육종

 

1) 유전자전환

* 형질전환육종
• 교배에 의한 유전자재조합을 도모하는 식물육종의 한계를 극복하는 획기적인 장점을 지니고 있음

 

2) 형질전환육종

* 형질전환육종 방법

제1단계 • 원하는 유전자를 분리해서 클로닝함
제2단계 • 클로닝한 유전자를 벡터(유전자운반체)에 재조합해서 식물세포에 도입
제3단계 • 형질전환된 세포를 선발하고 식물체를 재분화시켜야 함
제4단계 • 형질전환 식물의 형질을 평가하고 생산성검정을 통해 신품종을 육성함

* 클로닝(cloning)
유전자 전환을 위해 특정유전자를 대량으로 증식하는 것

3) 유전자은행

• Gene Bank
• 유전자 클로닝을 통해 다양한 유전자, 즉 DNA 클론을 만들어 모아 놓은 것

* 게놈 DNA 라이브러리
• 식물체로부터 게놈 DNA를 추출한 다음 제한효소로 절단한 DNA 단편을 벡터에 재조합시켜 클로닝한 것

 

* cDNA 라이브러리
• Complementary DNA로 실체 발현한 유전자만을 대상으로 만든 것으로, 인트론 부분이 없어
게놈 DNA보다 크기가 작고 취급이 쉬워 이용성이 높음

 

 

4) 유전자도입과 형질전환

* cDNA 라이브러리
• Agrobacterium을 이용한 유전자 도입
• 유전자의 직접도입(물리적 방법)
→ 유전자총에 의한 유전자도입
→ 미세주사법에 의한 유전자도입
→ 전기충격에 의한 유전자도입
→ PEG를 이용한 유전자도입
→ 레이저 광선을 이용한 유전자도입

 

* Agrobacterium을 이용한 유전자 도입

 

 

* 클로닝 유전자의 도입

 

 

• 이와 같은 현상을 “T-DNA가 형질전환을 일으켜서 식물혹이 생겼다”라고 함
• 이러한 원리를 응용하여 식물세포에 외래 유전자를 도입시킬 수 있음

 

유전자의 직접도입(물리적 방법)

 

 

5) 형질전환 식물의 선발

* 벡터의 포지유전자 이용
• 카나마이신 저항성 유전자 (NPTII)
• 하이그로마이신 저항성 유전자 (hyg)
• 기질을 분해하여 발색시키는 효소유전자 (GUS)

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4. 형질전환육종의 응용 및 재해

1) 형질전환육종의 응용

* 응용분야
• 내병성
• 내충성
• 제초제저항성
• 환경스트레스저항성
• 고품질 광합성 능력
• 질소고정능력

 

2) 형질전환육종의 재해

* 생물재해
• 형질전환육종으로 육성한 식물이 다른 생명체와 환경에 미치는 나쁜 영향

* 형질전환 식물체의 사전검토사항
• 형질전환식물에 도입된 유전자가 다른 식물이나 잡초로 확산되지 않는가?
• 형질전환식물이 잡초화하여 주위의 자연 및 경지생태계에 영향을 주지 않는가?
• 새로 도입한 유전자 생성물이 사람과 가축의 건강에 영향을 주지 않는가?
• 병해충 및 제초제 저항성 형질전환식물에 대해 저항성인 생물이 출현하지 않는가?
• 바이러스 저항성 형질전환식물로 인하여 새로운 바이러스가 발생하고 숙주범위가 확대되지 않는가?
• 형질전환식물의 재배가 생태계의 먹이연쇄나 유전적 다양성 등에 미치는 영향은 없는가?

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■ 정리하기
- 조직배양은 원연종속간 잡종의 생식격리장벽을 극복하는 방법으로 사용하며, 배양과정에 돌연변이 유발원이나 스트레스를 가하면 변이세포를 선발할 수 있다. 조직배양은 바이러스프리묘의 생산 우량한 이형접합체증시, 인공종자 개발, 유전자원 보존 등 그 이용범위가 넓다.

- 서로 다른 이종의 프로토플라스트를 세포융합시키면 체세포잡종 또는 세포질 잡종을 만들 수 있다. 세포융합은 생식과정을 거치지 않고 유전자를 교환할 수 있는 방법으로 원연식물간 잡종육성ㆍ유전자전환ㆍ세포선발 등에 적용한다.

- 유전자전환에 의한 형질전환 육종은 유전자 클로닝ㆍ재조합 DNA작성ㆍ형질전환체 선발ㆍ형질전환 식물육성 등 네 단계로 진행되며, 효율적인 유전자 전환을 위해서는 유전자은행과 표지유전자를 가진 벡터가 필요하다.

- 형질전환 육종은 각종 스트레스저항성 향상ㆍ품질개량ㆍ광합성능력 향상ㆍ유용물질 생산ㆍ질소고정유전자 도입 등 아주 다양하게 적용된다.

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