Herbicide-resistant transgenic rapeseed (TG rapeseed) was developed by inserting phosphinothricin acetyltransferase (PAT, bar), a modified gene from the soil bacterium Streptomyces hygroscopicus, into the genome of a conventional variety of rapeseed (Youngsan). The TG rapeseed used for the test was confirmed to express the PAT gene by polymerase chain reaction (PCR) and immunostrip. Feeding tests were conducted with Cyprinus carpio to evaluate the environmental risk of TG rapeseed, including the herbicide resistant gene. C. carpio was fed 100% ground rape suspension, TG rapeseed, or non-genetically modified (GM) counterpart rapeseed (Youngsan). As a result, the feeding test showed no significant differences in the cumulative immobility or abnormal response between C. carpio samples fed on TG rapeseed and non-GM counterpart rapeseed. The 48 h-LC50 values of the TG rapeseed and the non-GM counterpart rapeseed were 3,376 mg/L (95 % confidence limits: 3,169 - 3,596 mg/L) and 2,682 mg/L (95 % confidence limits: 2,267 – 3,123 mg/L), respectively. The rape NOEC (no observed effect concentration) value for C. carpio was suggested to be 625 mg/L. Based on these results, there was no significant difference in the toxicity for non-target organisms (C. carpio) between the TG rapeseed and non- GM counterparts.

GM작물은 세계적으로 재배면적이 지속적인 증가되고 있으며, 이로 인한 GM작물의 잠재적인 환경위해성에 대한 우려도 증가되고 있다. 현재까지 국내에서 GM작물의 상업적 재배는 되고 있진 않지만 GM작물의 안전성 평가를 위한 기술 개발은 크게 요구되고 있는 실정이다. 국내외적으로 다양한 GM작물의 유전자이동성 평가가 수행되어왔으나 화분 공급원인 GM 벼의 개화기 차이에 의한 유전자 이동성 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 벼의 개화기 차이에 따른 비타민A 강화 벼(PAC)로부터 모품종인 낙동벼와 중만생종인 일미벼, 조생종인 운광벼, 중생종인 대보벼, 통일형인 세계진미벼로의 화분 매개에 의한 유전자 이동성을 평가하였다. 비타민A 강화벼(PAC)의 도입 유전자를 검출하는 PCR 분석을 통해 유전자 이동성 유무를 최종적으로 검증하였다. 총 파종된 종자수에 대한 교잡율은 개화기가 일치하는 낙동벼에서는 0.0007%, 개화기가 차이가 있는 일미벼, 운광벼, 대보벼, 세계진미벼에서는 0%로 나타났으며, 모든 교잡개체들은 비타민A 강화벼(PAC)에 근접한 2m 내에서 발견되었다. 화분 매개에 의한 비타민A 강화벼(PAC)의 유전자 이동 특성은 기존에 연구된 결과들과 비슷한 결과를 보였으며, 벼 재배품종간의 개화기 차이가 화분에 의한 교잡을 결정하는데 중요한 요인으로 작용하였다. 이에 벼 경작지의 기상 조건과 벼 품종간의 개화시기 중복 여부 등이 GM벼에 의한 일반 재배품종 및 잡초성벼로의 유전자 이동 최소화 기술 개발과 안전관리 기준 작성에서 주요 영향 요소들로 고려해야 한다.

This study was done to develop environmental risk assessments and a biosafety guide for insect-resistant genetically modified rice at a LMO (Living Modified Organism) isolation field. In the LMO quarantine area of Kyungpook National University, the species diversities and population densities of non-target insects found on insect-resistant genetically modified rice (Bt-T) resistant to Cnaphalocrocis medinalis and on non-GM rices (Dongjin-byeo and Ilmi-byeo) were investigated. The Bt-T event was therefore evaluated under field conditions to detect possible impacts on the above ground insects and spiders. The study compared transgenic rice and two non-GM reference rices, Dongjinbyeo and Ilmi-byeo, at Gunwi in Southern Korea in 2016 and 2017. A total of 9,552 individuals from 51 families and 11 orders were collected from the LMO isolation field. In the three types of rice fields, a total of 3,042 individuals from the Bt-T, 3,213 individuals from the Dongjin-byeo, and 3,297 individuals from the Ilmi-byeo were collected, respectively. There was no difference between the population densities of the non-target insect pests, natural enemies and other insects on the Bt-T and non-GM rices. The data of insect species population densities were subjected to principal component analysis (PCA), which not distinguished among the three varieties, GM and non-GM, reference cultivar in all cultivation years. However, PCA results were clearly separated the samples based on the cultivation years. These results suggest that insect species diversities and population densities during plants cultivation are determined by environmental factors (growing condition and seasons) rather than by genetic factors.

Insect-resistant transgenic (Bt-9) rice was generated by inserting the mCry1Ac1 a modified gene from the soil bacterium Bacillus thuringiensis into the genome of a conventional variety of rice (Ilmibyeo). With regard to the potential problems of safety, the non-target organism evaluation is required as an essential element for the environmental risk assessment of genetically modified (GM) crops. For biosafety assessment, we studied the effects on survival of cantor Daphnia magna, a commonly used as a model organism in ecotoxicological studies. D. magna fed on Bt-transgenic rice (Bt-9) and its near non-GM counterparts (Ilmibyeo) grown in the same environment (100% ground rice suspension). The Bt-9 rice was comfirmed to have the insertion of T-DNA and protein expression by the PCR and ELISA analysis. Feeding study showed similar cumulative immobility and abnormal response of Daphnia magna between Bt-9 rice and Ilmibyeo. 48hr-EC50 values of Bt-9 and Ilmi rice showed 4,400 mg/L (95% confidence limits: 3861.01 ~ 5015.01 mg/L) and 5,564mg/L (95% confidence limits: 4780.03 ~ 6476.93 mg/L) respectively. The rice NOEC (No observed effect concentration) value for D. magna was suggested 1,620mg/L. We conclude that the tested Bt-9 and Ilmi similar cumulative immobility for D. magna the widely used model organism. We found out that there is strong possibility that the growth of Bt-9 didn’t affect to non-target insects.

There are studies on the assessment of non-edible transgenic plants on soil microbial communities. In this research we evaluated the effect of virus-resistant trigonal cactus on soil microbial communities of the rhizosphere. Soil samples are collected and compared in genetically modified (GM) and non-GM trigonal cactus cultivation fields during vegetative growth period and post-harvest period. Biolog EcoplateTM was used to evaluate the functional diversity of soil microbial communities. There were no significant differences between the GM and non-GM soil samples collected during the vegetative growth period. However, we observed temporary difference in carbon substrate utilization. Principal component analysis showed that soil microbiota was influenced not by presence of GM or non-GM trigonal cacti, but rather by the cultivation period. Denaturing gradient gel electrophoresis fingerprinting revealed that virus-resistant trigonal cactus cultivation had insignificant effect on soil microbial communities including dominant rhizosphere bacteria, actinomycetes, and fungi. We found no clear evidence of GM trigonal cactus cultivation affecting the functional diversity of soil microbial communities.

국화는 국내외적으로 주요 화훼작물이지만 국화 흰녹병은 안정적 생산에 큰 걸림돌이 되고 있다. 현재까지 국화 흰녹병 방제는 농약살포를 통한 화학적 방제와 다습한 재배환경을 개선하는 재배적 방제에 의존하고 있지만, 살균제 저항성을 갖는 새로운 병원균 출현으로 농약 살포를 통한 병 방제에는 한계가 있어 병 저항성 품종 개발이 절실하다. 흰녹병은 순활물기생균인 Puccinia horiana에 의해 발생하는 곰팡이 병으로 이로 인한 경제적 손실이 크지만, 다른 주요 작물병과 비교하여 상대적으로 연구가 미흡하다. 특히 병원균의 전파 경로와 병원성의 다양성(pathogenic diversity), 병원균 침입기작 및 기주식물과의 상호작용에 대한 전반적인 지식 부족으로 효과적 농약 살포 기준 설정과 병저항성 품종개발에 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 과제를 해결하는데 기초자료를 제공하고자 각 연구분야별로 현재까지 발표된 연구결과를 정리하고 앞으로 요구되는 연구과제에 대하여 모색하여 보았다. 특히 효과적 약제처리 기준 설정과 병저항성 품종 개발의 출발점이 되는 흰녹병균의 생활사와 생태, 병원균 DNA 정보를 이용한 조기진단, 병원균의 병원형 등에 관해 현재까지의 연구결과들을 정리하였다. 앞으로 흰녹병균의 식물체 침입 기작에 관한 종합적 이해의 폭을 넓히고, 병원균 침입 시 식물체내에서 발병과 병저항성 유도 요인에 대한 분자 수준에서 연구가 진행된다면 흰녹병균 저항성 품종 육성 시기를 앞당길 수 있으리라 사료된다.

Genetically modified (GM) crops have been developed worldwide through the recombinant DNA technology and commercialized by global agricultural companies. Until now, GM crops have not been cultivated commercially in Korea. Commercialization of GM crops requires a compulsory assessment of environmental risk associated with the release of GM crops. This study was conducted to evaluate the frequency of pollen mediated gene flow from Bt transgenic rice (Agb0101) to japonica non-GM rice (Nakdongbyeo), indica non-GM rice (IR36), and weedy rice (R55). A total of 729,917, 596,318 and 230,635 seeds were collected from Nakdongbyeo, IR36, and R55, respectively, which were planted around Agb0101. Selection of the hybrids was determined by repeated spraying of herbicide and Cry1Ac1 immunostrip assay. Finally, the hybrids were confirmed by PCR analysis using specific primer. The hybrids were found in all non-GM rice and out-crossing ranged from 0.0005% at IR36 to 0.0027% at Nakdongbyeo. All of hybrids were located within 1.2 m distance from the Agb0101 rice plot. The meteorological elements including rainfall and temperature during rice flowering time were found to be important factors to determine rice out-crossing rate. Consideration should be taken for many factors like the meteorological elements of field and physiological condition of crop to set up the safety management guideline to prevention of GM crops gene flow.

This study was carried out to develop of environmental risk assessments and the biosafety guide for Vitamin E enhanced transgenic soybean at LMO (Living Modified Organism) isolation field. In LMO quarantine area of National Institute of Agricultural Sciences, insect species diversities and population densities on vitamin E enhanced transgenic soybean and non-GM soybeans (Willams 82 and Seoritae) were investigated. A total of 17,717 individuals of 77 species from 8 orders were collected in LMO isolation field. In three type soybeans field, total of 5,250 individuals in Vitamin E enhanced transgenic soybean, 5,510 individuals in Willams 82, and 6,957 individuals in Seoritae were collected, respectively. There was no difference between the population densities of insect pests, natural enemies and other insects on Vitamin E enhanced transgenic soybean and Willams 82, while natural enemies density on Seoritae was higher than on Vitamin E enhanced transgenic soybean, but insect pests density on Vitamin E enhanced transgenic soybean was higher. These results provided the insects diversity for risk assessment survey of Vitamin E enhanced transgenic soybean and suggested that the guideline could be useful to detect LMO crops.

The White backed planthopper (WBPH), Sogatella furcifera (Horvath) is one of the serious insect pests in rice growing region in Asia. When rice is attacked by the insect it releases secondary metabolites for self-defense. In this study, we identified WBPH-mediated compounds from a cross ‘Cheongcheongbyeo/Nagdongbyeo’ doubled haploid (CNDH). The compounds were located in chromosome. Leaves and stem of CNDH lines were infected by 2∼3 insta of 3 weeks WBPH and samples were extracted by 90% methanol. Extracted compounds were analyzed through HPLC. TLC was used in separating the target compounds. QTL analysis of compound was done using winQTLcart 2.5 program. Chrysoeriol was highly contained in Cheongcheongbyeo. QTL location is found on chromosome by winQTLcart 2.5. QTL analcited with compound7 was detected on chromosome 4, 7 and 12. qFla4 was detected on chromosome 4 in RM280-RM6909 at LOD 3.5 with 30% of variation. qFla7 was detected on chromosome 7 in RM248-RM1134 with LOD 3.0 with 30% of variation. qFla12 was detected on chromosome 12 in RM1226-RM12 with LOD 2.7 with 40% of variation. Cochlioquinone was detected on chromosome8, qFla8 in RM23230-RM3689 with LOD 2.5 with 30% of variation. Chrysoeriol and Cochlioquinone separated to condition of (Chloroform: Methanol:1-Butanol:Water=4:5:6:4). Separated compounds were analyzed by LC/MS and NMR. These results, investigation is being done to ditermine how the secondary metabolites come lead to pathways of genes and its effect on WBPH relation.

개화는 식물이 영양생장에서 생식생장으로 전환되는 중요 한 발달 단계로 유전학적, 분자생물학적 접근 방법을 통하여 개화 기작을 이해하기 위한 연구들이 수행되었다. 개화시기 조절에 관한 연구는 주로 애기장대를 이용하여 진행되어 왔 으며 이를 바탕으로 춘화처리 경로, 자발적 경로, 광주기 의존 적 경로, 식물 호르몬인 지베렐린 연관 경로들이 밝혀졌고 이 들 경로와 관련된 다양한 유전자들이 보고되었다. 이들 중 춘 화처리 및 자발적 경로는 개화억제 유전자인 FLC 발현 조절 을 통해 개화시기를 조절한다고 밝혀졌다. 최근 연구에 따르 면 chromatin-remodeling 인자들인 FLD, FVE, VIN3, VRN1, VRN2, FRI 등과 FCA, FPA, FLK등의 RNA 결합단백질과 FY등의 다양한 RNA processing 관련 단백질들이 FLC 유전자 발현을 조절하고 있는 것으로 보고되고 있다. 이와는 다르 게 광주기성 개화유도는 FLC와 다른 독립적인 경로를 가지 고 있다. 광수용체로부터 시작된 신호는 개화촉진인자 CO 유 전자를 활성화 시키고 하위 유전자 FT 발현을 유도한다. FT 단백질은 FD 단백질과 상호작용하여 AP1으로 신호를 전달 하며 FLC에 의한 개화 억제 신호와 경쟁적으로 상호작용을 하며 개화시기를 조절하게 된다. 이들 각 경로로부터 개화시 기를 조절하는 유전자 연구들을 바탕으로 작물에서 개화시기 에 관여하는 유전자를 도입하거나 발현을 조절함으로서 작물 의 개화시기에 변화를 주는 연구들이 지속적으로 활발하게 수행되고 있다. 작물에서 개화시기 조절은 생산량, 바이오매 스 등에 영향을 주는데 최근에 들어서는 기후변화에 의한 이 상온도로 개화시기가 빨라지거나 늦어지는 경향을 보이고 있 다. 따라서 전통육종과 더불어 유전자를 이용한 개화시기 조 절은 변화하는 환경에 적응할 수 있는 작물을 개발하는데 중 요한 역할을 할 수 있을 것이다.

본 연구는 벼에서 양성자 펌프의 활성을 증가시키는 것으로 알려진 오옥실 결합단백질 ABP57 유전자의 과발현에 따른 분자생물학적 특성을 분석해 작물 분자육종을 위한 기초자료로 활용하고자 수행하였다.ABP57 유전자 과발현 형질전환체와 대비 품종 낙동벼의 뿌리조직에서 유전자 발현 변화를 비교 분석한 결과는 다음과 같다. 두 식물체간에 발현량이 2배 이상 차이를 보인 유전자 수는 29,389개 중 총 148개였으며, 그 가운데 65개는 발현량 증가를 보였다. ABP57 유전자 과발현 형질전환체에서 발현량 변화를 보인 유전자들의 생물적 기능을 분석하기 위해 유전자 온톨로지 분석을 수행한 결과 각 부문별로 생물적 작용 부문에 67개 세부항, 세포 구성요소 부문에 59개 세부항, 분자기능 부문에 29개 세부항에 각각 영향을 미치는 것으로 나타났다. ABP57 유전자 과발현에 따라 세 개 부문 모두에서 공통적으로 나타난 영향은 H+-ATPases의 활성 증가, 여기에 필요한 에너지원 관련 화합물(ATPs, purines) 생합성 및 대사관련 활동 증가, 이온의 막투과 및 운반체 활동 증가 등이 확인되어 Kim et al.(2001)의 선행 연구결과와 일치하는 경향이었다. 그러나, 엽록체의 일부 구성요소나 G-protein 결합 단백질 신호전달경로, cytokine 신호전달 경로 등과 관련된 단백질 활성 감소는 식물 생육에 부정적 영향을 미칠 것으로 추정된다.따라서, 향후 작물의 효율적 분자육종을 위해서는 개별 유전자의 명확한 기능 분석과 더불어 유전자 상호작용에 대한 네트워크 분석 등에 대한 연구개발 노력과 함께 형질전환 식물체에 대한 생리적 특성, 표현형, 농업형질 특성 등에 대한 효과적 분석을 위해 전통육종과의 지속적 교류와 협력이 반드시 필요할 것이다.

Disease is one of the devastating obstacles in the stable crop production. Numerous agronomical and chemical controls have been developed to overcome this problem, but the former is not sufficient for the maintaining the disease under the economic threshold level and the latter is not free from the environmental regulation. One of the most ideal solutions is resistance breeding. Resistance breeding has been majorly dependent on the resistance (R) genes conferring race-specific vertical resistance effective for limited populations within the pathogen species harboring avirulence (Avr) genes encoding effectors exactly matching with R gene products. In spite of its outstanding efficiency, improper management of above cultivars frequently resulted in the resistance break down due to the appearance and domination of the new races in the field. During the last two decades, mechanisms of disease resistance have been characterized and analyzed in the respect of genetics, biochemistry, molecular biology, cell biology, and evolution. Especially, a growing body of investigations has been focused on the resistance effective for multiple races or even more species of pathogen’s infections and also durable and long-lasting. In this manuscript, we will introduce the investigations searching for durable and broad-spectrum resistance and the considerations for their applications in the crop production will be presented.