초록
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1983년 최초의 생명공학 식물이 개발된 후 다양한 유전자변형작물의 상업화가 진행되어 2006년에는 세계적으로 24개 작물에서 184종의 유전자변형작물이 승인되었다. 2011년 현재 유전자변형작물은 29개국 1억 6000만 ha에서 ...
1983년 최초의 생명공학 식물이 개발된 후 다양한 유전자변형작물의 상업화가 진행되어 2006년에는 세계적으로 24개 작물에서 184종의 유전자변형작물이 승인되었다. 2011년 현재 유전자변형작물은 29개국 1억 6000만 ha에서 재배 중이며 그 교역 규모는 160억 달러에 이르고 이는 세계 종자시장의 36%에 해당한다. 우리나라의 경우도 식량 자급률이 낮아 많은 양의 유전자변형작물이 식용․사료용․가공용으로 수입되고 있다.
해충저항성과 관련하여 현재 개발되어 상용화되어 있는 유전자변형작물은 Bacillus thuringiensis (Bt)를 이용하고 있다. 그러나 해충저항성 유전자변형작물은 해충의 밀도를 억제할 뿐만 아니라 해충과 관련된 먹이그물 및 영양단계 안에 있는 모든 비표적생물(non-target organism)에도 부정적 영향을 줄 가능성이 제시되어 왔다. 유전자변형작물의 비표적곤충 및 천적에 미치는 영향 평가는 자연생태계에 미칠 수 있는 유전자변형작물의 환경위해성을 추정하는데 중요한 근거자료가 될 수 있어 세계적으로 유전자변형작물 또는 도입 유전자 산물(독소단백질)이 비표적곤충에 미치는 영향평가가 활발히 진행되고 있다. 국내에서도 자체개발된 유전자변형작물 (제초제저항성잔디, 혹병나방저항성벼 등)이 상업화를 위해 위해성 심사 중에 있거나 심사를 위한 평가자료 확보를 위해 환경방출 시험 중에 있다.
현재 유전자변형작물의 환경위해성 평가·심사는 과학적 근거에 의해, 사례별, 단계별 원칙에 근거하여 큰 항목은 정해져 있으나 분야별 세부항목은 국제적으로도 아직까지 표준화되지 못한 실정이며, 국내에서도 세부항목 결정을 위한 관련 연구는 매우 미흡한 실정이다. 2012년 10월에 개최된 카르타헤나의정서 당사국총회에서 위해성평가를 위한 가이드라인(안)이 제시되기는 하였으나, 포괄적인 수준이었다. 그러므로 국내 법률의 감독 하에 국내 실정에 맞는 유전자변형작물의 환경위해성 평가 프로토콜을 개발하고 환경위해성 평가를 통한 과학적인 안전성 자료를 확보하는 것은 유전자변형작물에 대한 국민들의 막연한 불안감을 해소하고 안전한 유전자변형작물을 개발·보급함에 있어 필수적인 사안이다. 따라서 유전자변형생물 심사시 국내 자연생태계 위해성을 고려한 농작물 생산과 정에서 가장 관계가 깊은 곤충상에 미치는 세부평가 항목 및 평가기준 개발을 위한 조사연구 및 관련자료 확보가 필요하며, 이를 통해 유전자변형생물 심사의 객관성을 높이고 국제조화를 고려한 세부 평가항목과 평가기준을 마련할 필요가 있다.
따라서 본 연구에서는 국내로 도입되는 주요 유전자변형작물의 환경위해성 평가를 위한 비표적곤충에 미치는 영향에 관한 연구를 수행함으로서 환경위해성 평가단계 및 평가항목과 관련된 가이드라인 및 연구동향과 국내 작물재배 현황을 분석하여 유전자변형작물의 비표적곤충에 대한 위해성평가 기준을 마련하기 위한 과학적 근거 자료를 제공하고자 하며 그 범위는 크게 4가지로 다음과 같다.
가. 해외 유전자변형생물과 관련된 환경위해성 평가/심사 자료 수집 및 분석
나. 국내 곤충상 영향평가 지표종 선정을 위한 옥수수와 콩의 곤충군집 조사 및 분석
다. 미국 EPA 독성평가시스템(Tier system)의 국내적용을 위한 검토 및 분석
라. 유전자변형작물의 자연생태계 효율적 관리를 위한 자료 수집 및 외래침입종의 관리 현황을 비교분석
1. 해외 유전자변형생물과 관련된 환경위해성 평가 심사자료 종합분석
미농무부(USDA)/동식물검역청(APHIS)은 유전자변형작물의 개발사가 실시한 환경위해성 평가자료를 통해 비표적절지동물에 대한 부정적 영향 여부를 심사하며, 유럽연합(EU)은 LM작물 도입국의 입장에서 유럽식품안전청(EFSA)에서 유전자변형작물이 비표적절지동물에 대해 부정적 영향과 관련된 환경위해성을 관련문헌이나 연구결과를 통해 평가한다.
해충저항성 유전자변형옥수수는 현재까지 12종의 표적해충을 대상으로 개발되었으며, 실험용 비표적절지동물은 생태적 기능을 고려하여 딱정벌레목, 풀잠자리목, 노린재목, 벌목, 파리목, 나비목, 톡토기목 7개 목을 주요 실험종으로 선발한 것으로 분석되었다. 평가항목으로는 옥수수 이삭의 피해, 유충의 발육/중량, 포식량과 평균 생체중, 개체군의 크기 및 생존율과 생식능력 등이었다. 유전자변형콩의 경우 현재까지 3종의 해충을 표적으로 하고 있으며 비표적절지동물 실험종의 선발은 옥수수와 마찬가지로 생태적 기능을 고려하여 딱정벌레목, 노린재목, 벌목, 톡토기목 등 4개 목을 대상으로 하는 것으로 분석되었다. 평가항목으로는 생존율, 생체중, 발육기간, 생식능력 및 산란율 등이었다.
2. 위해성평가 대상종 선정을 위한 작물별 절지동물군집 조사 및 분석
현재까지 기록된 국내 옥수수 포장에 발생하는 해충은 7목 25과 34속 53종이며, 콩에서는 9목 47과 141속 158종이었다. 옥수수에서의 해충군 구성은 나비목, 매미목, 딱정벌레목 및 노린재목의 순으로 높았고 콩에서의 해충군 구성은 나비목, 딱정벌레목, 노린재목 및 매미목의 순이었다.
옥수수 포장에서 절지동물 군집현황 파악을 위해 강원 홍천, 충북 괴산 및 전남 곡성지역에서 채집된 32,191개체의 절지동물은 15목 65과 103종으로 동정되었다. 옥수수 포장에서 분류군별 종 구성은 딱정벌레목(22%), 거미목(20%), 벌목(13%) 및 노린재목과 파리목(각각 11%)의 순이었으나 발생밀도는 톡토기목, 총채벌레목, 파리목 및 벌목의 순이었다. 옥수수 포장에서 기능군별 군집구성은 포식천적군이 35%로 가장 풍부하였고 초식곤충군(33%), 분해자군(13%) 및 기생천적군(11%)의 순이었다.
콩 포장에서 절지동물 군집현황 파악을 위해 경기 파주, 충북 괴산 및 전남 곡성지역에서 채집된 235,000개체의 절지동물은 13목 66과 110종으로 동정되었다. 콩 포장에서 분류군별 종 구성은 딱정벌레목(23%), 거미목(20%), 노린재목과 벌목(각각 14%) 및 파리목(10%)의 순이었으나 발생밀도는 옥수수와 마찬가지로 톡토기목, 총채벌레목, 파리목 및 벌목의 순이었다. 콩 포장에서 기능군별 군집구성은 포식천적군이 36%로 가장 풍부하였고 초식곤충군(33%), 분해자군(12%) 및 기생천적군(10%)의 순이었다.
3. 미국 EPA 독성평가시스템(Tier system)의 국내적용을 위한 기준
가. 비표적절지동물에 대한 위해성평가를 위한 해당 작물별 포장조사종 및 실험종
비표적절지동물에 대한 위해성 평가를 위한 해당 작물별 포장조사종 및 실험종은 섭식부위에 따른 독성에 대한 노출가능성, 발생밀도, 먹이그물에 의한 연쇄반응 및 광지역 분포성 등을 고려하여 선발하였다. 포장에서 생물다양성 또는 개체군 변동을 조사할 때 동정이 비교적 가능하고 발생밀도가 높으며 광지역적발생을 하는 분류군을 대상으로 군집구조를 분석하는 것이 합리적으로 판단되며, 옥수수에서 전체의 39.8%인 총 41종이었으며 콩에서는 전체의 34.5%인 총 38종을 선발하였다.
실내실험 대상종은 포장조사 결과를 바탕으로 LMO의 독소단백질에 대한 노출가능성과 먹이그물에 의한 먹이연쇄 반응, 사육의 용이성 및 control 가능성 등을 고려하였으며 옥수수에서 23종, 콩에서 21종을 선발하였다.
나. 비표적절지동물에 대한 포장조사 기준
옥수수 포장에서 절지동물군집의 종다양성 및 종수 변동은 지역별로 시기별 다소간 변동에 있어 차이가 있으나 전체적으로 비표적절지동물에 대한 위해성평가를 실시하기 위한 포장 모니터링 시기는 6월 말부터 7월 초가 합리적인 것으로 분석되었다. 콩 포장에서는 종다양성의 조사시기는 8월 말과 9월말, 종수의 조사시기는 8월 말부터 9월 말까지가 합리적인 것으로 분석되었다.
생태계에 서식하는 절지동물은 군집을 구성하는 개별종은 생물학적․생태학적 특성 및 행동습성이 다르기 때문에 적절한 모니터링 방법을 사용해야 군집 및 개체군의 야외변동을 해석할 수 있다. 옥수수 포장에서 종수는 피트폴트랩과 황색점착트랩이 유사하였고 종다양성은 황색점착트랩에서 높았으며, 페로몬트랩의 경우 종특이성이 있기 때문에 성페로몬에 반응하는 표적곤충 단 한 종만을 포획하였다. 콩 포장에서 종수와 종다양성은 모두 황색점착트랩에서 높았으며, 페로몬트랩의 경우 옥수수와 마찬가지로 종특이성을 지녀 집합페로몬에 반응하는 표적곤충 단 한 종만을 포획하였다.
작물의 생육시기와 절지동물 군집의 계절발생에 따른 조사시기 및 조사횟수는 옥수수에서 생육시기에 따라 3~4회의 조사가 필요하며 옥수수의 재배기간을 고려하면 정식 후 포장생태계가 안정되는 10일 이후부터 조사를 할 경우 약 10일정도의 조사간격을 두어야 하는 것으로 분석되었다. 콩에서는 생육시기에 따라 최소한 3~4회의 조사가 필요하며 콩의 재배기간을 고려하면 정식 후 포장생태계가 안정되는 10일 이후부터 조사를 할 경우 약 15일 정도의 조사간격을 두어야 하는 것으로 분석되었다.
다. 비표적절지동물에 대한 위해성평가를 위한 Bt 독소 단백질 확보 및 인공발현
Bt 유전자는 미국 The Ohio State University, Department of Biochemistry의 Bacillus Genetic Stock Center에서 구입한 Cry1(BGSC no. ECE53)과 Cry3(BGSC no. ECE131) E. coli clone을 배양한 후, plasmid preparation과 DNA sequencing을 실시하였다.
Bt 독소 단백질의 인공발현을 위한 cloning으로 Baculovirus expression system을 통한 Cry1Ac와 Cry3Aa의 in vitro expression을 위해 두 유전자를 Pfu Turbo polymerase를 이용해 증폭한 결과, 약 2kb 크기의 높은 purify의 product를 확보하였다. Baculovirus expression system을 통해 발현 준비가 완료된 Cry1Ac와 Cry3Aa E. coli clone은 50% glycerol stock solution에 의해 –75℃에서 보관중이다.
Bt 독소 단백질의 인공발현을 위한 positive control 예비 발현실험을 실시하였고 Baculovirus expression system을 통한 Cry 단백질과 같은 외래단백질의 발현이 가능한 것으로 사료된다.
Cry1Ac와 Cry3Aa 단백질의 인공발현을 위해 발현 vector가 transfection된 세포만 선별적으로 배양하기 위해 blasticidin 저항성 유전자를 포함하고 있는 발현 vector의 특징을 이용하여 blasticidin 처리를 실시하였다. Blasticidin 선별 후 대량 배양된 세포에서 추출한 단백질을 대상으로 SDS-PAGE와 Western blotting을 실시한 결과, 예상된 Cry 단백질의 active domain의 분자크기인 약 70 kDa 수준의 single band가 확인되어 Cry 단백질이 성공적으로 인공발현된 것으로 판단된다.
4. 유전자변형작물의 자연생태계 효율적 관리를 위한 위해유형 분석
국립식물검역원(2010)은 현재 국내 외래침입식물로 돌소리쟁이 등 30종으로 구분하고 있으며 환경부는 애기수영 등 12종을 생태계교란종으로 지정하고 있다. 외래침입식물은 현재 국내 농업생태계 등 6개 생태환경에 분포하며 피해유형으로는 축산피해와 농업피해 등 5개의 피해분야로 구분되었고 피해유형 중 농업과 축산피해 및 생태계교란 등이 현저한 것으로 나타는데 외래침입식물의 피해유형은 일반 자생잡초의 피해유형과 비슷하였다.
미국의 환경보호국 및 환경보호규정은 병해충저항성 유전자변형작물을 살충제로 분류한하며, 경제협력개발기구(OECD)는 유전공학적으로 개발된 식물에 대한 안전성 문제를 유전자 전이, 잡초화, 고유독성, 유전 및 표현형질적 변이, 병원균의 생물학적 매개체 혹은 유전물질로서의 역할 및 사람에 대한 안전성 등 6가지를 제시하였다. 유전자변형작물 자체의 잡초화는 외래침입식물이 유입되어 잡초화하여 일반잡초와 같은 기능을 갖는 것과 유사하지만 천적이나 척추동물에 부정적 영향을 가져온다거나 유전자 전이 및 유전자 전이로 인한 근연종의 슈퍼 잡초화는 명확하게 밝혀진 것은 없다. 따라서 현재까지 LMO의 환경위해는 유전자변형식물체로서 잡초가 갖는 일부 속성만 지니고 있다고 판단된다.
(출처 : 요 약 문 11p)
