[논문]감자에서의 조직배양과 형질전환의 이용 및 연구 동향

조광수; 박영은; 박태호

doi:10.5010/jpb.2010.37.4.456

감자에서의 조직배양과 형질전환의 이용 및 연구 동향
Recent advances in the applications of tissue culture and genetic transformation in potato 원문보기

Journal of plant biotechnology = 식물생명공학회지, v.37 no.4, 2010년, pp.456 - 464

조광수 (농촌진흥청 국립식량과학원 고령지농업연구센터) , 박영은 (농촌진흥청 국립식량과학원 고령지농업연구센터) , 박태호 (대구대학교 생명환경대학 원예학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Potato is one of the most important crops in the world. Due to vegetative propagation of this crop, techniques of plant tissue culture and genetic transformation are often applied for potato researches and a lot of progress has been made in the breeding programs using these techniques during the last decades. In potato, there have been several trials to introduce GM potato varieties to the world market, but they so far failed due to the changed legislation and unwillingness of large processors to process GM potatoes. These issues are highly associated with the general acceptances of the public and other political decisions. In addition to these, there are still obstacles to overcome to achieve the development of commercial potato variety and several factors to improve horticulturally important traits. In this study, therefore, we reviewed recent advances and research status on tissue culture and genetic transformation in potato and discussed future perspective.

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해서는 고전적 육종에 의한 저항성의 도입과 형질전환을 통한 저항성 유전자의 도입에 의한 방법이 있다. 과거 감자에서 고전적 육종법을 이용한 감자 역병 저항성 품종을 육성하기 위한 육종은 이종교잡과 이 후 지속적으로 저항성 형질의 유지를 위해 선발과 정을 통한 재배종 감자와의 여교잡 (backcross)을 통해 감자야생종으로부터 저항성 유전자를 도입하는데 목적을 두고 있었다. 그러나 이 방법을 이용하여 얻을 수 있는 품종은 야생종에서 온 DNA에 둘러싸인 하나 혹은 그 이 상의 다른 유전자를 포함하고 있다.
본 논문에서는 앞서 언급한 감자의 조직배양과 형질전환에 대한 내용을 바탕으로 현재 국내외에서의 감자 조직배양 및 형질전환과 관련된 연구의 성과와 동향 등을 알아보고자 한다.
이상에서 국내외 감자의 조직배양기술을 이용한 감자의 증식과 형질전환기술에 대한 연구 및 실용화, 상업화 현황을 설명하였다. 감자는 주요 세계 4대 작물의 하나이며, 영양번식 작물로 바이러스 무병의 씨감자 생산은 감자재배에 있어서 가장 중요한 요소 중의 하나이다.

제안 방법

실제로 Hijmans (2003)은 기후온난화 시뮬레이션을 활용한 결과 적절한 대책 (내재해성 품종 개발 등)이 없을 경우 18%에서 32%의 수량이 감소될 것으로 예측하였으며 또한 감자는 서리피해에 매우 취약하여 내상성 (耐霜性)에 대한 연구가 더욱 필요할 것으로 생각된다. 내재해성에 관련된 유전자는 Myb, EREBP, NDPK2와 같은 전사인자 (transcription factor)와 산화스트레스에 내성을 유도하기 위한 osmoprotectant를 유도하는 SOD (superoxide dismutase)와 GPD(Glyceraldehyde-3 Phospate Dehydrogenase) 유전자를 도입하는 시도가 이루어졌다.

성능/효과

형질전환에 이용되고 있는 국내 품종은 봄 재배 작형의 대표 품종인 수미 (Superior)와 가을 재배 작형의 대표 품종인 대지 (Dejima)라고 할 수 있다 (Table 1). 하지만 수미 품종의 경우 감자 역병에 치명적인 약점을 가지고 있으며 대지 품종은 감자 더뎅이병에 약한 특성을 나타내고 있어 기존 품종의 약점을 극복할 수 있는 병저항성 유전자 도입이 시급함에도 불구하고 이들에 대한 연구가 부족한 것으로 나타났다. 또한 최근 용도별로 새로운 품종들, 역병저항성품종 ‘하령’, 더뎅이병저항성품종 ‘서홍’ 등이 개발되고 있어 형질전환을 시작하기 전 품종의 특성 파악 후 도입 형질을 결정하고 형질전환을 시도하는 것이 금후 형질전환체의 실용화를 촉진할 수 있을 것으로 생각된다.

후속연구

4%의 높은 형질전환을 얻을 수 있다고 보고하였다. 그러나 다른 품종은 매우 낮은 효율을 나타내 각 품종별로 최적의 재분화 및 형질전환 protocol 개발이 필요할 것으로 판단된다. 감자의 형질전환은 Agrobacterium tumefactions와 유전자총을 이용하여 왔으며 국내의 형질전환은 모두 아그로박테리움을 이용하고 있는 것으로 나타났다 (Table 1).
2003a). 그러나 품종 별로 그리고 조직 부위별로 형질전환 효율이 매우 달라 국내에 실용화가 가능한 장려품종에 대한 최적의 형질전환 방법이 필요할 것으로 판단된다. Yi 등은 (2003a) 국내에서 개발된 품종에 대한 형질전환 효율을 검토한 결과 조원 품종은 잎 조직을 이용하고 75 uM의 acetosyringone을 첨가하였을 경우 87.
감자의 육종은 주로 병충해저항성, 맛, 요리품질, 괴경피색 및 괴경육색, 괴경 모양 및 수확량 등 다양한 목적으로 이루어지고 있으나, 재배되고 있는 감자의 대부분이 4배체(tetraploid)로 이러한 특성은 높은 이형접합성과 사염색체성유전과 연관되어 효율적인 육종의 걸림돌이 되고 있다. 따라서 형질전환과 같은 생명공학적 방법의 적용은 감자의 다양한 형질을 개량하는데 육종가들에게 중요한 기법으로 고려 될 수 있을 것이다. 감자의 형질전환체는 1983년 최초 보고된 이후 1986년 형질전환 가능 작물로 인정받았으며, 1989년 형질전환법이 정착되었다 (Herrera-Estrella et al.
또한 최근 용도별로 새로운 품종들, 역병저항성품종 ‘하령’, 더뎅이병저항성품종 ‘서홍’ 등이 개발되고 있어 형질전환을 시작하기 전 품종의 특성 파악 후 도입 형질을 결정하고 형질전환을 시도하는 것이 금후 형질전환체의 실용화를 촉진할 수 있을 것으로 생각된다.
이러한 문제점은 국내의 연구환경을 고려해 볼 때, 국가의 연구정책과 연구관리 상 단기간 내의 연구성과 도출을 요구하고 있고 시설과 연구비에 있어서 외국에 비해 투자 규모가 극히 적으며 연구자의 수 또한 적다는데 기인하고 있는 것으로 판단된다. 뿐 만 아니라 전통육종과의 낮은 연계성에 의해 국제 경쟁력이 떨어져, 분자육종 기술을 적용한 품종개발에는 전통육종가와 분자육종 연구자 상호간의 도움이 절실히 필요할 것이다. 이에 더해 식량 안보 문제와 직결된 식량 문제 해결, 기능성 감자의 개발 등, 미래 사회에 인류가 필요로 하고 기대하고 있는 생명공학적 기술을 활용한 감자의 개발, 특히 cisgenesis에 의한 감자의 개발은 지속적으로 중요한 연구가 될 것이며, 가까운 미래에 일반적인 기법으로 자리매김 할 것으로 예상된다.
하나의 예로 여러 개의 저항성 유전자를 포함하는 하나의 cisgene cassette를 재배종에 도입하는 방법을 이용할 수 있을 것이다. 위에서 고전적 육종과 형질전환 방법에 의한 육종의 비교에서 본 바와 같이, cisgene 을 이용한 형질전환 저항성 육종은 돌연변이 육종과 같이 과거의 형질전환 육종의 규제와 달리 이런 규제에서 예외적으로 적용되어야 할 것이다. 궁극적으로 형질전환 작물 개발 반대자들 혹은 규제 담당자들은 이러한 다른 생물체로부터 도입되는 transgene 과 같은 식물체로부터 도입되는 cisgene의 차이를 인식하여야 할 것이다.
뿐 만 아니라 전통육종과의 낮은 연계성에 의해 국제 경쟁력이 떨어져, 분자육종 기술을 적용한 품종개발에는 전통육종가와 분자육종 연구자 상호간의 도움이 절실히 필요할 것이다. 이에 더해 식량 안보 문제와 직결된 식량 문제 해결, 기능성 감자의 개발 등, 미래 사회에 인류가 필요로 하고 기대하고 있는 생명공학적 기술을 활용한 감자의 개발, 특히 cisgenesis에 의한 감자의 개발은 지속적으로 중요한 연구가 될 것이며, 가까운 미래에 일반적인 기법으로 자리매김 할 것으로 예상된다.
현재 상대적으로 분리된 많은 역병저항성 유전자의 이용가능성은 고전적 육종법에 의한 것과 달리 새로운 저항성 품종의 개발을 위한 전략의 발전을 가져 올 것이다. 하나의 예로 여러 개의 저항성 유전자를 포함하는 하나의 cisgene cassette를 재배종에 도입하는 방법을 이용할 수 있을 것이다. 위에서 고전적 육종과 형질전환 방법에 의한 육종의 비교에서 본 바와 같이, cisgene 을 이용한 형질전환 저항성 육종은 돌연변이 육종과 같이 과거의 형질전환 육종의 규제와 달리 이런 규제에서 예외적으로 적용되어야 할 것이다.
이러한 이슈들은 대중과 정치적인 결정에서 나오는 일반적 정서와 깊은 연관이 있다. 현재 변화된 전분구성을 갖는 GM감자는 유럽을 중심으로 실용화되었고 Phytophthora infestans에 저항성을 나타내는 GM감자가 실제 포장에서 실험재배 되고 있으나, 이제 새로운 GM감자의 개발과 환경적 염려 등을 포함하여 GM감자의 더 많은 이용 가능성을 논의하고 실행해야 할 때이다. 여기에는 clean vector technology라 일컬어지는 기술로 선발유전자(마커유전자)는 모두 배제하고 오직 농 업적으로 필요한 유전자만 도입하는, 다시 말하자면, 오직 식물체 유래 유전자만 도입하여 식물 이외의 생물체에서 분리된 유전자로부터 영향을 받지 않은 상태의 cisgenic을 이용한 기술의 개발을 포함한다 (de Vetten et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	감자는 무엇을 함유하고 있는가?	감자는 세계 4대 식량작물의 하나로 그 생산량이 옥수수, 벼, 보리 다음으로 많은 비중을 차지하고 있으며, 생육기간이 짧고 단위면적당 생산량이 많아 전 세계적으로 재배되고 있다. 감자는 중요한 전분의 공급원으로 고품질 단백질과 비타민C를 함유하고 있으며, 우리나라에서 일반적으로 소비되는 신선감자, 전분생산, 감자칩, 감자튀김 등 다양한 용도로 이용되고 있다. 2008년도 국내 감자재배면적은 2만 ha가 조금 넘으며, 생산량은 60만 5천 톤으로 재배면적은 지속적으로 감소하는 반면 생산성은 증가하고 있다.
	감자의 육종은 어떠한 목적으로 이루어지고 있는가?	감자의 조직배양과 형질전환 기술은 영양번식을 하는 특성과 배수성의 특성에 의해 감자의 증식과 육종에 있어서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 감자의 육종은 주로 병충해저항성, 맛, 요리품질, 괴경피색 및 괴경육색, 괴경 모양 및 수확량 등 다양한 목적으로 이루어지고 있으나, 재배되고 있는 감자의 대부분이 4배체(tetraploid)로 이러한 특성은 높은 이형접합성과 사염색체성유전과 연관되어 효율적인 육종의 걸림돌이 되고 있다. 따라서 형질전환과 같은 생명공학적 방법의 적용은 감자의 다양한 형질을 개량하는데 육종가들에게 중요한 기법으로 고려 될 수 있을 것이다.
	감자의 형질전환은 Agrobacterium을 이용한 방법이 가장 널리 사용되고 있는 이유는 무엇인가?	감자의 유전적 형질전환을 위한 방법으로는 주로 Agrobacterium tumefactions와 particle bombardment (유전자총)을 이용하는 방법이 이용되고 있다. Agrobacterium의 이용은 유전자총을 이용하는 방법보다 매우 높은 형질전환 빈도와 효율성을 가지고 있으며 유전자총의 이용은 다수의 유전자를 도입하고자 할 때 대체 가능한 방식으로 여겨지고 있다 (Romano et al. 2003). 이에 더해 미세주사를 이용하여 DNA를 직접 삽입하는 방법, 원형질체 (protoplast)에 polyethylene glycol (PEG)를 처리하는 방법, 전기충격을 이용한 DNA의 삽입과 같은 다양한 물리적 방법이 있다 (Weiland 2003). 그러나 유전자총을 이용하는 방법은 gene silencing, transgene rearrangement, high copy number 등 복잡한 결과를 야기할 수 있어 주로 세포기관의 형질전환이나 효율적인 재분화 시스템이 없는 식물의 형질전환에 주로 사용된다 (Sawahel 2002). 따라서 감자의 형질전환은 Agrobacterium을 이용한 방법이 가장 널리 사용되고 있다.

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