농업직, 농촌지도사, 농업연구사, 방통대 대비- 재배식물 육종학 정리 14. 저항성육종

14. 저항성육종

 

<목차>

1. 저항성품종의 농업적 의의

2. 병해충 저항성 육종

3. 환경스트레스 저항성 육종

 

■ 학습개요
농업의 발달로 재배식물의 종류와 품종수가 줄어들어 농업생태계가 단순화되었으며, 재배식물의 자연환경에 대한 적응력은 더욱 떨어져, 병해충이 대발생하기 쉬운 환경이 되었다. 병해충과 잡초 등에 대하여 저항성을 가진 품종은 농약사용에 따르는 문제점을 해소하고, 생산의 안정화를 꾀하며 방제에 드는 노력과 경비를 줄여서 생산비를 절감하는 효과를 가져온다. 저항성 유전자원을 탐색하고 저항성 유전연구를 통해 저항성 품종을 육성하는 성과를 거두었으며, 최근에는 조직배양, 세포융합, 유전자전환 등의 기술을 이용한 저항성 육종이 활발히 이루어지고 있다.

■ 학습목표  
저항성 육종의 농업적 의의를 설명할 수 있다.

병해충 저항성 육종을 설명할 수 있다.

온도스트레스 저항성육종과 제초제 저항성육종을 설명할 수 있다.

■ 주요용어  
- 저항성 (resistance) : 병해충이나 기상ㆍ토양ㆍ수분 등 여러 가지 환경스트레스에 대해 견디는 식물의 성질이다. 식물의 종, 속, 계통 또는 품종에 따라 여러 환경스트레스에 대항하는 능력이 다르며, 쉽게 감염 혹은 피해가 나타나는 식물을 감수성이라고 하고 증상이 전혀 나타나지 않거나 나타나도 심하지 않는 식물을 저항성이라고 한다.

- 레이스 (race) : 주로 병원균에 사용하는 것으로, 한 가지 이상의 성질에 있어서 동종내의 타집단과는 분명히 다른 표현형 또는 유전자형을 갖는 집단을 말한다. 즉 한 품종의 식물체도 기생체에 따라 저항성 정도가 다른데, 이는 기생체가 동일 종임에도 유전적으로 다른 특성을 갖는다는 것을 의미한다. 이렇게 같은 기생체이면서 서로 다른 품종을 침해하는 것들을 레이스라고 한다.

- 바이오타입 (biotype) : 레이스가 주로 병원균에 대해 사용하는 것으로, 곤충의 경우는 바아오타입이라고 한다. 즉 같은 곤충 종이면서 공격하는 식물체가 서로 다른 집단을 말한다.

 

1. 저항성품종의 농업적 의의

 

1) 저항성 육종의 의의

(1) 현대 농업의 문제
 농업의 발달로 인해 재배식물의 종류는 단순화되고, 품종은 우량품종으로 균일화
⇨ 다양한 자연생태계의 단순화, 병해충 대발생 위험 증가
 재배기술의 발달
⇨ 재배식물의 자연환경에 대한 적응력 약화로 병해충 피해 증가
 농약의 사용이 늘고, 자연생태계의 파괴

 

(2) 병해충의 피해양상
 병해충이 재배식물을 직접 가해해 수량을 떨어뜨리는 경우
 병해충이 바이러스를 매개로 2차 피해를 주는 경우
 생산물의 품질에 영향하여 이용가치를 떨어뜨리는 경우
 재배식물을 침해하는 병해충과 잡초로 인한 곡물 감소는 세계적으로 50%
 우리나라는 벼에서 병해충에 의해 20% 정도 수량 감수

 

(3) 병해충 방제 방법
 물리적 방법
 재배적 방법
 생태적 방법
→ 살균제, 살충제 등의 농약을 사용하여 병해충을 직접 방제
 품종적 방법 (가장경제적)
→ 저항성 품종의 이용
→ 농약 사용에 따른 문제점 해소
→ 병해충 방제에 소요되는 노력, 경비 절감
 화학적 방법
→ 살균제, 살충제 등의 농약을 사용하여 병해충을 직접 방제
→ 농약의 사용은 병해충 방제효과가 확실
→ 과다한 농약사용은 천적도 죽이는 등 생태계를 파괴
→ 잔류독성으로 인한 환경오염 유발, 인체에 유해
→ 동일농약의 연용은 병원균의 레이스나 바이오타입을 유발
→ 농약살포에 따르는 노력과 생산비 가중

2) 저항성 품종의 육성

* 육종의 문제점
 식물의 유전적 특성과 병해충의 유전적 특성을 동시에 고려해야 함
 식물과 기생체 두 종류의 생명체를 동시에 다뤄야 하는데 저항성 육종의 어려움이 있음
 숙주와 기생체, 두 종류의 생명체가 서로 대응해 유전적 변이를 일으킴
 재배식물의 저항성 유전자가 달라지면 기생체도 대응하는 변이형이 새로이 발생함
 벼 도열병의 경우
→ 저항성 품종 보급 3년 내에 저항성 유전자에 대한 변이체 발생
 고도의 저항성 품종도 생산성이 낮으면 재배 품종이 될 수 없음

3) 환경스트레스 저항성 육종

* 환경스트레스
- 생육중인 식물체에 나쁜 영향을 미치는 불량 환경요인
- 온도, 수분, 토양, 화학물질, 대기오염, 방사선 등

* 스트레스 저항성
- 식물체가 환경스트레스에 견디는 힘으로 스트레스 내성이라고도 함
- 내냉성, 내동성
→ 저온스트레스에 대한 식물체의 저항성
- 내서성
→ 고온스트레스에 대한 저항성

* 환경스트레스의 영향
 스트레스로 나타나는 식물의 생육장해, 생산성 감소는 스트레스의 종류와 정도에 따라 다름
 1980년 우리나라의 이상저온 현상으로 벼 수확량이 평년대비 32% 감수
 세계적으로 14~15억 ha(육지의 약 10%) 중 80~90%의 농경지가 각종 환경스트레스를 받고 있음

* 스트레스 저항성육종의 어려움
 환경스트레스 저항성에는 관련된 형질이 많고, 유전양식이 복잡함
 자연상태에서는 환경스트레스 변이가 커, 인위적으로 환경을 조절하여 저항성 검정을 해야 함
→ 온도의 급격한 변화
→ 홍수 및 가뭄 등에 의한 수분의 변이

4) 저항성매커니즘

* 내병성 품종의 저항성 메커니즘
 식물체의 형태적 특성 때문에 병원균이 침입하지 못하는 것 (침입저항)
 병원균이 침입하더라도 식물체가 병원균의 생육에 필요한 영양분을 가지고 있지 않는 것 (확대저항)
 병원균이 침입했을 때 식물체가 억제물질 (phytoalexin)을 생산하는 것

 

* 내충성 품종의 저항성 메커니즘
- 식물체가 해충의 먹이로 적합하지 않는 경우(비선호성)
- 식물체를 먹은 해충의 생장이 저해되고 번식률이 감소되는 경우 (항충성)
- 식물체가 내성을 가져 해충이 가해할 때 견디는 힘이 강한 경우 (내성)

 

* 내성
- 식물체에 환경스트레스가 가해진 후에도 저항성을 나타내는 것
→ 저온에 강한 내동성
→ 좁은 의미의 스트레스저항성

 

* 회피성
- 환경스트레스의 영향이 식물체 내부에 미치기 전에 식물의 기능이 강화됨으로써 저항성을 나타내는 것
→ 가뭄에 견디는 내한성

 

2. 병해충 저항성육종

 

1) 병해충 저항성의 종류

* 레이스와 바이오타입
- 레이스(race)
→ 동일한 병원균이면서 품종에 따라 병원성을 달리하는 병원균 계통
- 바이오타입(biotype)
→ 해충에서 병원균의 레이스에 해당

 

 벼도열병균 레이스

 

* 유전자 대 유전자설
- 개생체의 레이스별로 침해하는 저항성 품종(유전자)이 다르고, 저항성 품종(유전자)마다 대응하는 레이스가 다름

 

* 저항성 유전자의 구분
- 품종에 대한 병원균이나 해충의 반응을 기초로 레이스나 바이오타입을 구분하고, 반대로 레이스나
바오타입에 대한 품종의 반응을 조사해서 저항성 유전자를 판별함
- 이 때 기준이 되는 품종을 “판별품종”이라 하고 기준이 되는 병원성 계통을 “판별균주”라고 부름

 

* 저항성 유전자의 구분
- 저항성 발현양식에 따른 구분
→ 질적 저항성
→ 양적 저항성

- 저항성 유전양식에 따른 구분
→ 주동유전자 저항성
→ 미동유전자 저항성

 

* 저항성 유전자의 구분

- 질적 저항성
→ 저항성 반응이 분명하여 저항성과 감수성의 구별이 뚜렷함
→ 소수유전자에 의해 지배되며, 주동유전자 저항성이 해당됨
→ 질적 저항성을 “특이적 저항성” 또는 “수직저항성”이라고도 함

- 양적 저항성
→ 폴리진이 관여하는 경우로 저항성 반응이 분명하지 못한 것
→ 미동유전자저항성이 해당
→ “비특이적저항성” 또는 “수평저항성”이라고도 하며, 일본에서는 “포장저항성”으로도 표현

- 질적유전자, 즉 주동유전자 저항성이 저하성 반응이 분명하고 관여하는 유전자 수가 적어 저항성 선발에
더 유리함
- 그러나, 재배적 측면에서는 관여유전자수가 많을수록 저항성이 급격하게 무너지지 않아 저항성유전자의
작용력은 낮아도 폴리진에 의해 지배되는 미동유전자저항성, 즉 양적저항성이 더 유리할 수도 있음

2) 저항성붕괴

 

새로운 저항성 품종을 육성 보급하면 몇 년 이내에 반드시 그 품종을침해하는 새로운 레이스나 바이오타입이 출현함

 

 

* 저항성 붕괴
 기생체 분화
→ 새로운 레이스나 바이오타입의 출현
 저항성 붕괴
→ 기생체의 분화에 기인하여 저항성 품종이 감수성으로 되는 것

 

* 병해충 저항성 품종
 계통육종, 집단육종, 여교배육종 등 여러 육종방법을 적용함
 만약 현재 우량품종의 몇 가지 저항성 가운데 하나만 붕괴된 경우라면 여교배육종을 적용함
 야생종이나 원연종으로부터 저항성 유전자를 도입하려고 한다면 형질전환 육종을 도입해야 함

 

* 형질전환 육종
 바이러스 피복단백질 유전자를 도입 바이러스저항성 품종 육성
 박테리아의 유전자를 도입 내충성 품종 육성

 

* 형질전환 육종의 예
 옥수수, 콩, 담배, 토마토, 목화, 감자 등에서 성공
 바실러스 박테리아의 Bt 유전자를 옥수수에 형질전환한 Bt 옥수수

* 복합저항성 품종
 여러 단인자 저항성 품종을 육성한 후, 또 다른 저항성 유전자를 한 가지씩 점차적으로 집적하여
복합저항성 품종 육성

 

* 저항성 품종 육종가의 자세
 병해충에 대한 저항성 육종의 우선순위를 정함
→ 피해가 크면서 화학적 방제나 생태적 또는 재배적 방법으로 방제효과가 적은 병해충을 우선함
 대상 병해충의 생리적 특성과 재배식물의 상호관계를 면밀히 검토함
→ 이것은 저항성 검정방법과 선발방법을 개발하는 데 반드시 필요한 사항임
 효과적인 저항성 검정방법을 개발함
→ 저항성 육종은 대상 병해충에 대한 저항성 검정방법의 확립이 육종의 성패를 좌우함

 

3. 환경스트레스 저항성 육종

 

1) 환경스트레스 저항성

 

* 환경스트레스 저항성육종의 종류
 온도 스트레스 저항성육종
→ 내냉성, 내동성, 내서성
 수분 스트레스 저항성육종
→ 내한성, 내습성
 토양 스트레스 저항성육종
→ 내염성, 내산성, 내알칼리성, 중금속 내성

 

2) 온도스트레스 저항성

* 내냉성
 0℃이상 15℃이하의 냉온장해에 대한 저항성
 벼의 냉온 장해
발아 : 발아가 불량하고 지연
생육초기 : 생육을 지연시키고 억제
수잉기 : 감수분열과 화분형성에 장애, 수확기 불임률 증가
출수기 : 개화 지연, 수정장해
등숙기 : 등숙률 저하, 수량 감소

 

* 내냉성 메커니즘
 동일한 종의 식물에서도 냉해의 양상이 다양하게 나타남
 관여하는 유전메커니즘이 매우 복잡함

* 내냉성 품종의 육성
 내냉성 품종의 육성에는 여러 육종방법이 종합적으로 적용됨
 정확한 내냉성 검정법의 확립이 필요함
 내냉성 검정은 자연상태의 냉온 또는 인공기상실을 이용함

 

3) 제초제 저항성

* 제초제 저항성 품종의 육성 이유
 제초제의 개발 보급으로 농사가 쉬워지고, 생산성이 증가함
 제초제 연용에 따른 피해 급증

 

* 제초제 저항성 품종의 육성 방법
 형질전환 기술이 주로 응용됨
 스트렙토마이시스 박테리아 bar 유전자
→ bar는 제초제 독성 성분을 무독성으로 변화시키는 능력이 있음
→ bar를 갖고 있는 품종을 재배하면서 비선택성 제초제(바스타 등)를 살포하면 형질전환 품종만 생존함
- 살모넬라에서 분리한 aroA는 엽록체 생성효소인 EPSP의 합성을 촉진시켜 제초제에 대한 저항성을
나타냄
→ 비선택성 제초제(근사미 등)를 살포하면 잡초는 엽록체 생성이 억제되어 죽지만, aroA를 도입한 형질전환 식물체는
엽록체를 대량 생산하므로 저항성을 보임

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■ 정리하기

재배식물의 병해충 저항성은 숙주인 식물체와 기생충인 병해충간 상호작용에 의해서 나타나는데 저항성유전자가 달라지면 거기에 대응해서 새로운 병원균 레이스와 해충의 바이오타입이 분화하는데, 이것을 유전자대 유전자설이라 한다.

온도, 수분, 불량토양 등 환경스트레스에 대한 저항성은 식물체의 생육시기에 따라서 환경스트레스에 대한 식물체의 반응이 다르고 대부분이 폴리진이 관여한다.

제초제 저항성은 유전자전환에 의해서 박테리아의 유전자를 도입한 형질전환 품종육성이 많이 이루어지고 있다.

저항성 육종의 효율을 높이기 위해서는 효과적인 저항성 검정방법을 개발해야 한다.

 

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