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식물육종 기술의 고찰
식물 육종은 변이를 확대하는 단계와 육종가가 원하는 유전자조합을 가진 계통을 선발하는 단계로 크게 나눌 수 있는데, 활용 가능한 유전자원 내에 육종가가 원하는 변이가 존재하는지의 여부가 육종의 성패를 좌우한다. 변이 집단을 만들기 위해 인공교배, 돌연변이 유기, 염색체 배가 등의 방법이 이용되어 왔다. 조직배양 기술이 확립되면서 체세포변이, 세포융합, 종속간교잡, 화분배양을 이용한 반수체육종 등의 방법도 품종육성 및 변이를 만드는 수단으로 이용되고 있다. 종간교잡은 Oryza, Brassica 속에서 널리 이용되었으며, IRRI에서 grassy stunt virus 병 저항성유전자를 Oryza nivara에서 도입하여 IR30 등 저항성품종을 육서한 것이 좋은 예다. 특히, 동형접합체 생산에 소요되는 기간을 단축시켜 내혼계의 육성에 소요되는 기간을 단축하는 반수체육종법이 큰 관심을 받고 있는데 옥수수 종자회사들이 최근 이 방법을 육종에 이용하고 있다. 가장 획기적인 방법은 교배가 불가능한 생물로부터 유용유전자를 분리해 교배과정을 거치지 않고 유용유전자를 도입하는 형질전환이다.
유전변이의 실체를 이해하기 위해서는 해결해야 할 과제가 많다. 중요한 것은 선발에 의해 육성된 고세대 계통들은 자연 상태의 유전자 pool보다 유전적 다양성이 결여되어 있다는 점이다. 작물 야생종이 보유하고 있는 유용한 유전자들이 순화와 육종가에 의한 선발 과정 동안에 도태되었으며 이러한 유전자들이 육종 연구에서 많이 이용되지 않은 유전자원에 내재되어 있다 (Tanksley and McCouch 1997). 콩도 순화 과정에서 약 81%의 희귀 유전자가 도태되었다 (Hyten et al. 2006). 그러므로 재래종과 야생근연종을 육종에서 적극적으로 활용하는 것이 매우 중요하다.
식물 육종에 이용 가능한 신기술이 개발되고 있다. 유전자 표적 기술로 게놈 내에서 특정유전자를 제거 혹은 대체하는 기술인 Zinc finger nuclease, TILLING (Targeting Induced Local Lesions in Genomes), RNAi 등의 활용 가능성이 검토되고 있다. 차세대 염기서열분석을 이용한 resequencing은 대상 식물의 표준 게놈과 실험 계통의 염기서열을 비교하여 염기서열변이와 표현형 변이 간의 연관성을 찾아내는 방법으로서 주로 염기서열 분석이 완료된 작물을 대상으로 시도되고 있다. 벼 기능유전체협의회는 20개 벼 품종의 염기서열을 분석한 결과 12개 염색체에 골고루 분포하는 250,000개의 SNP를 탐지하였다 (McNally et al. 2006).
유전체학은 육종가에게 새로운 도구를 제공하고 있는데 MAS가 대표적이다. MAS는 QTL의 탐지, 형질전환유전자의 이전, 야생종 유전자의 재배종으로 이입, 여러 유전자의 집적 그리고 연관지연의 감소 등 여러 분야에서 이용되고 있다. 새로운 육종기술은 경비가 적게 드는 방법을 요구하는데 대표적인 것이 Genome-wide selection이다 (Heffner et al. 2009). 기존의 분자표지를 이용한 육종은 DNA 표지와 목표 형질과의 연관 관계를 통계적 방법인 QTL 분석을 통해 밝히는 단계에서 시작한다. QTL 분석 결과 탐지된 유전자를 이입하고자 할 때 목표형질과 연관된 소수의 분자표지만을 이용하게 되는데 이는 식물 개량의 틀에서 볼 때 바람직하지 못한 면이 있다. 다수의 유전자가 관여하고 유전자간 상호작용이 있는 양적형질 특히 수량성을 목표로 할 경우가 대표적이다. Genome-wide selection은 목표형질과 연관을 보이는 몇몇 분자표지만을 이용하지 않고 육종 단계에 있는 모든 재료들의 유전자형을 검정하고 이들 중 일부 계통이 다음 단계로 넘어가 표현형 검정과 QTL 분석이 수행된다. 주동 및 미동 QTL을 고려하여 계산된 육종값에 근거하여 어느 계통을 다음 단계로 진전시킬 것인지를 결정한다. 표현형검정에 비해 유전자형 검정에 소요되는 비용이 저렴해지면 Genome-wide selection 기법은 보다 널리 이용될 것으로 전망된다.
전통적인 육종방법과 생명공학을 이용한 좋은 예가 내침수성 벼를 개발한 것이다. 아시아에서 침수는 연간 10억$의 경제적 손실을 가져오는데, 인디카벼에서 유래한 Sub 1A 유전자는 수량성에 영향이 없으면서 벼의 침수저항성을 증가시킨다. 국제벼연구소는 Sub 1A 유전자를 라오스, 방글라데시. 인디아 그리고 인도네시아 품종에 도입하여 침수저항성 벼를 개발 중에 있다.
육종은 어느 때보다 작물의 생산성 증가에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 기후 변화에 따라 육종의 목표도 다변화될 것이다. 유전체연구를 통해 얻어진 식물의 전염기서열 해독, 유전자발현, 유전자의 기능, 최종적으로 생합성경로에 관여하는 유전자들의 네트웤 등의 정보는 육종에 새로운 paradigm을 제공하여 준다. 이 모든 정보는 농업생산성의 근간이 되는 양적형질의 분석에 유용하게 이용될 것이다. 중요한 점은 이같은 대규모 유전자형 검정은 표현형이 정확하지 않을 경우 큰 의미가 없다 (Montes et al. 2007). 특히, 수량성 등 양적형질의 경우 정확한 표현형검정을 위해 적절한 실험설계, 충분히 큰 집단, 다년간 및 여러 장소에서의 반복 실험이 필요하다. 교배와 선발 등의 전통적인 기술, 분자표지와 염기서열 분석 등 신기술의 결합은 작물의 양적형질 변이에 대한 우리의 이해를 크게 증진시킬 것으로 기대한다. 이러한 연구는 육종가, 분자유전학자 등 여러 분야 전문가들의 공동연구가 절실히 요구되는 분야이며 각 전문분야의 강점을 최대한 살리는 방향으로 추진되어야 될 것이다.
