식물육종학 - 후편

[협회일꾼(총무)]

식물육종학 - 후편

6. 특성 및 성능의 검정방법

  가. 형질의 특성검정 : 육종과정에서 육종목표에 부합되는 형질의 특성을 가려내기 위해 행하는 검정

    1) 특성검정 : 형태적 특성 / 품질에 관한 특성 / 생리.생태적 특성

1차적 특성	감별이 쉽거나 유전력이 높은 형질	개화기, 초장, 색깔 등
2차적 특성	검정시설이 필요한 형질	환경저항성, 병해충 저항성 등
3차적 특성	환경변이가 큰 형질과 특수한 평가방법이 필요한 형질	수량성, 품질 등

    2) 생리 및 생태적 특성의 검정

생육성 형질	발아력, 휴면성, 경실성, 수발아성, 출수/개화성, 성숙, 조만성
환경저항성 형질	내랭성.내한성.내설성.내서성.내건성.내습성 // 내염성.내산성(토양 요인)
물질생산성 형질	엽면적지수, 잎의 경사각도, 엽록소 및 엽질소 함량
물질수용성 형질	동화물질 전류능력, 단위면적당 이삭수, 종실의 크기, 이삭당 종실의 수

       * 생리.생태적 특성은 보통 환경에서는 그 특성이 잘 나타나지 않으므로,  

         이들 형질이 잘 나타날 수 있는 이상異常환경을 조성하여 특성검정을 실시

       * 맥류의 내한성 검정방법 : 실내 및 포장검정과 KClO3처리 등이 있다.

       * 내병성 검정 : 환경에 따른 저항성의 변이를 줄일 수 있도록 재배환경을 균일하게 하되, 해당 병이 잘 발생할 수               있는 재배환경을 조성하며, 농약이나 (매개체인 곤충에 대한) 살충제를 살포하지 않는다.

       * 회피현상 : 포장시험에서 감수성 품종이 발병하지 않는 경우

       * 내충성 검정 : 대상 해충이 많이 발생하는 장소와 시기에 검정 대상 품종을 감수성 품종과 함께 밀식 재배하여                해충 발생을 유도하여 검정

  나. 조기검정 및 품질검정  * 조기검정 : 목표로 하는 우량형질을 생육초기에 판정하여 선발하기 위한 검정

    1) 조기검정방법 : 유식물검정법, 화분립 및 종자 검정법, 초형 및 체형에 의한 검정법,

                     세대촉진과 단축검정법(온실 이용 등)

    2) 품질검정

      가) 단백질 검정 : 전기영동법, 아미노산분석기

      나) 지방성분 검정 : 페이퍼크로마토그래피, 가스크로마토그래피

      다) 당류 또는 소량의 유기성분 검정 : 고속액체크로마토그래프

      라) 아밀로스 정량, 효소활성 측정, 당도 측정 : 분광광도계

  다. 생산력 검정 : 품종의 특성 유지나 개량을 위해 생산력 등을 검정. 포장시험으로 직접 수량을 측정

    1) 생산력 검정시험 과정(실제에 가까운 포장조건과 기상조건)

생산력검정 예비시험	생산력검정 본시험	지역적응 연결시험	농가실증시험	신품종
1~2년, 2반복	2~3년, 3~4반복(난괴법)	작물별 시험지 선정	장려품종과의 비교

       * 난괴법(randomized block design) : 모든 처리가 한 블록 안에 포함되도록 하고 블록에 실험구를 멋대로 배치하는 실험계획법

    2) 포장시험 : 토양 및 재배조건을 일반농가 포장과 유사한 상태에서 실시(오차 최소화)

       - 일반실험의 오차발생 원인 : 실험설계의 불완전, 시험조작.측정.포장관리의 불균일성,

                                     시험결과 해석의 오류

        - 포장시험 특유의 오차발생 원인 : 시험재료의 개체변이, 기상변이, 토양의 불균일성 등

    3) 시험구 주위의 식물은 시험구 내부의 식물에 비해 생육이 왕성한 주연효과周緣效果가 나타나는데,

       이는 공기유통, 토양수분, 양분 등의 조건이 시험구 내부보다 주변이 더 좋기 때문이다.

        * 주연효과에 의한 오차를 줄이기 위하여 시험구마다 2~3렬의 번외구를 정하여 재배, 조사시 제외

        * 파종량이 많을수록+시험구가 클수록 주연효과가 크게 나타나며, 단위 시험장/구의 크기가 클수록 오차는 줄어드나 일정 수준 이상 커지게 되면 전체포장 면적의 확대에 따른 토양의 불균일성이 증가하여 오차가 더 이상

          줄어들지 않는다.

        * 포장시험의 신뢰도를 높이기 위해 오차발생 요인을 기술적으로 줄이려면, 시험구 1구의 면적을 작게 하고 반복수를 늘리는 것이 좋다.

     4) 지역적응성 검정 : 생산력검정 본시험에서 선발된 우량계통에 대해 환경이 다른 시험지에서 실시하는                   수량검정시험(많은 지역에서 장기간 검정. 벼의 경우 2~3년)

   라. 시험구

      가) 시험구의 크기 및 형상 : 작물의 체적이 크거나 품종수.계통수가 많을 경우에는 1구의 크기를 크게 하는 것이 좋지만, 면적이 일정할 경우에는 1구의 면적을 작게 하는 것이 좋다.

         시험구의 형상은 장방형이 적당하며, 시험구의 반복수는 7회 반복으로 충분하다.

      나) 시험구의 배치법

완전임의배열법	한 요인으로서의 처리가 모든 실험단위에 아무런 제한 없이 완전히 임의로 배치되는 설계법 이 방법은 실험단위가 동질적인 경우에 효과적이며 환경조건을 쉽게 조절할 수 있는 실내 시험이나 온실실험 또는 동물실험에 널리 이용된다.
난괴법	이미 알고 있는 변이의 원인이 제거될 수 있도록, 실험단위나 시험재료를 균일한 것끼리 모아서 집구화하고 이를 반복함으로써 차이가 주로 처리효과에 의하도록 하는 시험방법이다.
라틴방격법	포장을 종횡 모두 품종수와 같은 수의 시험구로 분할하여, 종횡의 모든 줄이 각 품종을 모두 포함하도록 배열하는 방법(품종수와 반복수가 동수가 됨)
요인시험	2개 또는 2개 이상의 수준을 가지는 2개 또는 2개 이상의 요인으로 이루어지는 모든 가능한 조합을 처리하는 시험이다.  이들 처리의 시험구 배치는 완전임의배열법, 난괴법 또는 라틴방격법 등이 적용된다. 요인시험은 모든 분야의 연구에서 이용되고 있는데, 특히 어떤 요인이 중요한지 적정수준이 어느 정도인지 탐구적 연구에서 가장 가치있는 시험방법
분할구배치법	2개 이상의 요인에 관한 시험이면서 요인시험과는 달리 1개 또는 그 이상 요인의 수준들이 적용되는 주구와 하나 또는 그 이상의 다른 요인의 수준들이 적용되는 세구로 분할되어 두 단계로 나누어 시험처리가 배치되는 시험방법

        * 오차의 자유도 공식[자주 출제]   ① 오차의 자유도 : 장소수 × (품종수 -1) × (반복수 -1)

                                        ② 오차의 자유도(F-검정) : 장소수 × 품종수 × (반복수 -1)

7. 품종의 유지 증식, 보급

  가. 품종 : 작물의 재배 또는 이용상 동일한 특성을 나타내며, 동일한 단위로 취급되는 것이 편의상 좋은 개체군.

              재배적 관점에서 볼 때 유전형질이 균일하면서도 영속적인 개체들의 집단.(1대잡종 F1도 품종으로 취급)

    1) 혼형 또는 혼계의 집단 : 유전형질이 서로 다른 개체들이 섞여있는 상태의 집단

    2) 계통 : 유전형질이 서로 같은 집단을 다시 가려낸 것    

    3) 순계 : 유전적으로 순수한 계통

  나. 우량품종 및 우량종자의 조건

    1) 우량품종의 구비조건 : 신규성, 구별성, 균일성, 안정(영속)성, 우수성

    2) 신품종의 3대 구비조건(DUS) : 구별성(Distinctness), 균일성(Uniformity), 안정성(Stability)

    3) 종자산업법상 신품종의 품종보호 요건 : 신규성, 구별성, 균일성, 안정성, 1개의 고유한 품종명칭

        * 종자갱신 주기 -  ① 벼, 보리, 콩 : 4년  ② 감자, 옥수수, 배추, 고추 : 매년 갱신

     4) 우량종자의 구비조건 : 우량품종에 속하는 종자 / 유전적으로 순수하고 이형종자가 섞이지 않은 종자

                              충실하게 발달하여 생리적으로 좋은 종자 / 병충해에 감염되지 않은 종자

                              발아력이 건전한 종자 / 잡초종자 등의 협잡물이 섞이지 않은 종자

  다. 품종의 증식과 보급

    1) 주요작물 보급종 농가보급 체계도

품종 육성(계통선발)  및  기본식물 생산

시험장(기본식물포)

품종 육성 후 기본식물 생산
- 국립식량과학원,
호남농업연구소, 영남농업연구소

원원종	도 농업기술원(원원종포)

종자 증식
- 생산사업비는 국립종자원에서 보조

원  종	도 원종장(원종포)

종자 증식
- 생산사업비는 국립종자원에서 보조

보급종 벼.보리.밀.옥수수.콩.감자

국립종자원(채종포)

농가에 보급할 종자 생산
- 채종적지의 농가와 계약생산

      * 원종포에서는 1본씩 재배하여 이형주를 제거하고 집단채종포로 넘긴다.

      * 종자 생산 포장의 채종량(일반 재배포장 대비 생산계획량) : 원원종포 50%, 원종포 80%, 채종포(보급종) 100%

      * 종자갱신 사업의 효과   ① 새로운 우량품종으로의 대체효과

                              ② 재배연수 경과에 따른 유전적 퇴화 방지에 의한 순도 유지

                              ③ 재배조건에 따른 생리적 퇴화 방지

                              ④ 각종 병충해로 인한 병리적 퇴화 방지 등 종자가치의 형성

      * 농작물 품종의 조만성 검정 요소 : 기본영영양생장성, 감광성, 감온성(기상생태형~~~)

      * 타가수정하는 재배종 품종의 계통집단 선발과정 : 개체선발 → 선발개체의 계통재배 → 선발된 우량계통의 혼합채종

      * 유전적 취약성 : 어떤 작물의 품종을 획일화한 어떤 지역에서 재배조건의 급변에 의해 재배가 성립되지 못하는 것.                 또는 품종의 단순화에 의해 작물재배가 환경스트레스에 견디지 못하는 성질

      * 품종특성 유지방법 : 개체집단선발법/계통집단선발법/격리재배/종자갱신/주株 보존재배

                           * 주株 보존재배 : 영양번식방법. 돌연변이가 일어나지 않는 한 원형을 가장 완벽하게 보존

      * 인공교배는 수박, 오이, 참외와 같은 박과채소나 토마토, 가지와 같은 가지과 일부 작물에서 이용되고 있다.

      * 농민들이 종자의 퇴화를 막기 위해 사용할 수 있는 가장 손쉬운 방법 : 종자갱신이 가장 용이

      * 보급종 정선(3~8%의 정선 감모량 발생) : 투입-제망-대략정선-건조-정밀정선-비중정선-현미분리-소독-포장

      * 종자 관련 국내외 기구

국립농산물품질관리원	종자검사에 관한 사항
국립종자원	종자 관련 사업 총괄
국제종자검사협회 (ISTA)	국제적으로 거래되는 종자의 통일된 품위평가를 위해 시료채취 및 검정방법 개발, 국제종자분석증명서 발급
국제공인종자검사자(가)협회 (AOSA)	종자검정실간의 종자검정 절차를 규정하고 종자의 검정, 관리, 저장 등에 관한 훈련, 종자검사에 관한 법규와 방법 연구에 공헌
국제식물신품종보호동맹 (UPOV)	새로 육성된 식물품종을 기본적인 원칙에 따라 보호
경제협력개발기구 (OECD)	국제적으로 유통되는 종자의 보증, 보증종자와 보증서에 고유번호 부여하여 관리
국제미작연구소 (IRRI)	벼에 관한 연구와 교육을 하는 기관으로, 벼 유전자원의 수집.보존.기록.평가.정보관리 등의 업무를 수행

8. 생명공학기술의 이용

  가. 조직배양 : 식물의 일부 조직을 무균적으로 배양하여 조직 자체의 증식 및 생장,

                  나아가 각종 조직 및 기관의 분화.발달에 의해 완전한 개체를 육성하는 방법

    1) 전체형성능(totipotency) : 식물에게는 하나의 기관이나 조직 또는 세포 하나라도 적당한 조건이

       주어지면 모체와 똑같은 유전형질을 갖는 완전한 식물체로 발달할 수 있는 재생능력이 있다.

    2) 조직배양의 작업순서 : 작물 선정 → 배양방법 및 배지 결정 → 살균 → 치상 → 배양 → 경화 → 이식                               

  나. 조직배양의 장점

    1) 병균, 특히 바이러스가 없는(Virus-Free) 식물 개체 획득 - 무병주 획득

    2) 유전적으로 특이한 새로운 특성을 가진 식물체 분리

    3) 특정 식물체를 단시간 내 대량번식

    4) 좁은 면적에 많은 종류와 품종을 보유할 수 있다(유전자은행 역할).

  다. 조직배양 방법    

생장점 배양 (감자.딸기.마늘. 아스파라거스. 카네이션.난 등)	영양번식체(감자 등), 화훼식물의 경우 바이러스 병이 가장 문제 바이러스 병은 직접방제가 불가능하기 때문에 무병주 생산으로 극복 생장점(경정조직)에는 바이러스가 없거나 극히 적기 때문에 배양시 무병주 생산 가능 절취하는 생장점의 크기는 0.2mm~0.5mm 높이로 이용
배 및 배주 배양, 자방 배양	- 수분 후 수정은 되나 종자를 얻을 수 없는 경우,   배 및 배주(퇴화하기 전) 또는 자방을 배양하여 잡종식물을 얻을 수 있다. - 종속간 교배에 의한 유용 유전자 도입을 목표로 할 때 주로 이용
약 및 화분 배양 (담배.벼)	- 약 배양 : 화분이 들어있는 약을 식물체에서 분리하여 배양 - 화분 배양 : 약에서 세포조직을 제거하고 소포자만을 분리하여 배양 - 인위적으로 반수체를 육성하여 육종연한을 단축하고 순계를 얻을 때 용이
원형질체 융합	- 교배가 전혀 불가능한 두 식물의 원형질체를 나출시켜 한 곳에 놓고    자극을 주어 두 종류의 원형질체가 융합되게 한 다음 융합된 원형질체를 배양,   캘러스를 형성시켜 완전한 식물체를 유도. - 원연종간의 유전질 조합방법으로 적합

  라. 분자표지

    1) 분자표지 : 유전현상의 본질인 DNA의 염기서열 차이를 대상으로 개체간 다형성(polymorphism)을

                  나타내는 방법으로, DNA marker 또는 molecula marker라고도 한다.

    2) 분자표지의 종류

      가) 교배분석(hybridization-based marker) : 주로 Southern Hybridization 기술 이용

        (1) RFLP : 핵 DNA를 제한효소로 처리하여 특이한 탐침을 이용하여 DNA 단편의 다형성을 확인.

                   선발효율(재현성)은 높으나, 시간.장비.기술 소요

          * Southern blotting - DNA Fragment 검출 // Nothern blotting - RNA Fragment 검출

            Western blotting - 단백질 검출   * RFLP : restriction fragment length polymorphism

      나) PCR 분석 : 중합체연쇄반응(PCR : Polymerase Chain Reaction) 기술 이용

RAPD randomly amplified polymorphic DNA	- 임의의(randomly) 프라이머 이용 - 과정이 단순하고 빠르며 비용이 적게 들지만,    재현성이 가장 낮고 증폭되는 밴드 수에 비해 다형성이 극히 낮다.
SSR simple sequence repeat	- 수십 회 반복되는 동일염기서열로부터 특정한 마커의 개발. - 특정 유전자의 단편 크기가 품종마다 상이하게 나타난다.
AFLP amplified fragment length polymorphism	- 특정 제한효소 단편을 증폭시켜 밴드 차이의 유무를 비교한다.
SNP single nucleotide polymorphism	- 개체간의 DNA에 존재하는 한 염기쌍의 차이로 다형성을 나타냄 - 결과에 대한 재현성이 높고 중요 형질로 발현하는 유전자 부위의    sequence로 primer를 개발하면 선발 마커로서 사용이 가능

      다) 분자표지의 활용 : 분자표지를 이용한 선발은 선발의 효율성을 높이고 육종연한 단축 가능

        (1) 유전자형의 차이에 의한 개체식별로 활용 : 꽃.종자.과실 등 생육 후기에 발현되는 형질도

                                                   생육 초기에 선발 가능. 후대검정 불필요

        (2) 염색체상에서 특정 DNA부분의 위치를 나타내기 위한 용도

        (3) 유전자형 분석 용도

        (4) 기타 양적 및 질적 형질의 분석 및 관련 분자표지 개발, 유전자원의 다양성 평가 및 유용 유전자의 탐색 및 이용, 잡종강세의 유전적 생화학적 기작에 대한 이해, 유전자와 환경간의 상호작용에 대한 이해(분자표지를 이용하여 유전자형을 분석할 경우, 환경의 영향을 전혀 받지 않기 때문에 보다 정확한 선발이 가능), 고밀도 분자유전자지도 작성 등에 활용

  마. 유전자 클로닝(gene cloning. 유전자 복제)

    1) 유전자 클로닝 : DNA의 특정 부위인 유전자를 다량으로 복제하여 증식

    2) 유전자 클로닝 기본단계

      가) 클로닝 될 유전자를 가지고 있는 DNA 단편을 벡터라 불리는 원형의 DNA 분자 내부에 삽입

      나) 벡터는 숙주세포 안으로 유전자를 이동시키는 운반체 역할

      다) 숙주세포 내에서 벡터가 복제되어 수많은 복사본 생성

      라) 숙주세포가 분열할 때 재조합 DNA 분자의 복사본들은 자손세대로 이동하여 다시 벡터의 복제

      마) 수많은 세포분열 후 동일한 숙주세포의 군락(colony) 또는 클론(clone)이 생성 : 유전자 클로닝 완성(클론의 각 세포는 재조합 DNA 분자 하나 이상의 복사본을 가지고 있다.)

      바) 클론을 배양하여 DNA를 추출한 다음 목적에 맞게 이용

  바. 형질전환

    1) 형질전환 : A생물의 DNA가 B생물에 들어가 B생물의 DNA에 조합되어 B생물의 유전형질을 변화

    2) 형질전환방법 : 벡터(vector)법 + 물리적 방법

      가) 벡터법 : 1. 토양미생물인 아그로박테리움을 유전자운반체로 이용(Ti plasmid 이용) + 2. 바이러스 이용

                   * 근두암종이 생기는 것은 아그로박테리움이 지니고 있는 Ti Plasmid의 한 조각이 식물세포로

                     이동하여 식물 게놈이 삽입되기 때문이다.(Ti Plasmids는 쌍자엽식물의 형질전환에 널리 사용)

      나) 물리적 방법 : 유전자총, PEG법, 물리적충격법, 직접주입법

   3) 형질전환을 이용한 식물육종의 실제

     가) 보합DNA 유전자은행(cDNA Library)의 구축 순서

       ① mRNA 추출 → ② 역전사효소에 의한 cDNA 합성 → ③ cDNA를 운반체(vector)에 삽입 → ④ dDNA 클론의 동정    * mRNA : 메신저RNA // cDNA : 상보적(complementary)DNA // dDNA : ?

     나) 유전자 복제에 의한 형질전환 육종과정

         ① 유전자 클로닝 → ② 벡터에 도입 → ③ 형질전환 캘러스 선발 → ④ 식물체 재분화 → ⑤ 형질전환품종 육성

     다) 조명나방의 유충을 죽이는 바실러스균의 유전자를 옥수수에 삽입한 내충성 Bt유전자 [조바옥bt] 

         모든 식물을 죽이는 제초제에도 살아남는 제초제저항성 bar유전자 [제초bar]

         바이러스저항성인 외피단백질유전자 등이 육종에 이용 [바이러스외피]

* 형질도입 : 박테리오파지와 같은 DNA매개체가 한 세균에서 가지고 온 DNA를 새로운 다른 세균에
             전달하여 유전물질의 재조합을 이루게 하는 현상
            - 형질전환과 다른 점 : 유전자의 재조합을 이루는 데 박테리오파지가 매개작용을 한다는 점
* 유전자변형농산물(GMO : Genetically Modified Organisms)  
                   생물체의 유전자 중 필요한 유전자를 인위적으로 분리.결합하여 목적한 특성을 갖도록 한 농산물
                   (제초제.병.해충 저항성, 저장성 향상, 고영양분 함유 등)
* 플레이버 세이버(Flav‘r Sav’r) : 상품화 된 최초의 유전자변형농산물로 일정 기간 물러지지 않는 토마토이다.                                  이 토마토는 과육이 숙성될 때 많이 발현되는 폴리갈락투로나아제라는
                                     효소의 유전자를 억제한 안티센스(antisense) DNA기술이 이용되었다.

   4) 외래유전자 이전 확인방법 : 항생제저항성검정, 효소활성검정, GUS효소활성검정,

                                   Southern blot검정, 단백질발현검정

대립유전자와 비대립유전자

대립유전자(allele) : 어떠한 형질(표현형)을 나타내는 유전자가 상동 염색체상의 같은 유전자자리(유전자좌, locus -> 복수 loci)에 있는 것을 말한다.

  상동염색체는 genome이 두 개인데, 각 genome의 같은 위치에 유전자가 있다는 말이다.  이렇게 같은 위치에 두 개의 유전자가  있을 때 두 유전자는 우성(dominant)유전자와 열성(recessive)유전자처럼 대립하게 된다. <물론 2개보다 더 많은 유전자 종류가 있을 수도 있는데, 3개 이상의 종류가 있을 때는 "복대립유전자(multiple alleles)"라고 한다.>

  우성(대문자)이든, 열성(소문자)이든 각 genome상에 있는 유전자가 AA,aa처럼 같은 종류일 때는 동형접합체(homozygote),  Aa처럼 다른 종류일 때는 이형접합체(hetrozygote)라 부른다.

  이렇게 같은 유전자좌(loci)에 있는 유전자간에 서로  자신의 주장을 내세우려고 대립하는 것이 대립유전자이다. 유전자간에도 대립해서 싸워 이기는 것이 우성유전자이고(F1에서 표현형으로 발현), 그 반대편은 열성유전자이다(표현형으로 발현되지 못함).  

<물론 대립유전자는 이 외에도 여러 가지 다른 종류들이 있다. 복대립유전자, 치사유전자... 등등>

비대립유전자(null allele) : 어떤 형질을 발현시키는 유전자가 서로 다른 염색체에 있는 것을 가리킨다. 유전자 상호작용(gene interaction)은 한 가지 형질에 대해서 2개 이상의 비대립유전자가 관여하는 것을 말한다. 따라서 여기서는 우성과 열성이 형질에 관여하는 것이 아니라, 유전자 자리가 다른 유전자의 영향을 받는다.  유전자 상호작용에서는(비대립유전자에서는) 같은 유전자자리가 아니기 때문에 ‘우성.열성’으로 구분하지 않고, ‘상위성(上位性.epistasis, 그리스어로 "막는다")’이라는 용어를 사용한다.