[강연] 식물 유전학과 육종의 역사  포스텍 최규하 교수 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 9강

2022-05-11-수

야생식물에서 인간이 작물을 재배하면서 어떤 일이 발생했는가?

• 유전체(유전정보)가 많이 변경

• 환경에 적응한 식물만 살아 남음 -> 재배 식물은 다양성이 떨어짐

• 인류의 선택 재배, 보라색(항산화물질) 농작물에 대한 기호도 생김

• 네델란드의 튤립 붐 : 버블 경제(시장)의 예

1)먼 과거(만년 전 ~ 1900)

• 작물  domestication/식물 유전체 변형

  • 고추 - 남아메리카

  • 밀,보리-터키,시리아 (현재 곡창 지대는 우크라이나, 영국, 독일, 프랑스)

  • 벼,콩 - 중국 (현재 곡창지대는 중국, 인도)

  • 옥수수,호박,콩,감자 - 멕시코 등 아메리카 (현재 곡창 지대, 미국, 아르헨티나)

• 오랜 재배의 결과로 유전적 변화

  • 옥수수 예 : 좋은 씨앗을 "선택"하여 다음 세대에 이용 ->인류의 인위적 선택으로 낟알 크기 증가

  • 멕시코 테우아칸 계곡의 고고학 유적지에서 발견된 옥수수 속대를 보면 크기가 커졌음

  • 옥수수에서 씨앗을 감싸는 덮개가 제거되도록 인류 선택으로 인한 진화

  • 옥수수가 작물화 되면서 곁가지가 감소 -> 밀집해서 심을 수 있게됨

  • 야생에서는 종자를 빨리 탈립되는데, 작물은 비탈립

  • 자연은 종자 탈립, 종자 성숙과 발아가 불균형, 수명이 환경조건에 의존, 종자 껍질 털 가시가 존재,  독성 물질이 존재하는 방향으로 진화

  • 인류는 종자는 비탈립을 선택, 종자 성숙과 발아는 균등한 것을 선택, 수명은 수명이 짧고(동시 개화)로 선택, 종자 껍질 털 가시는 없는 것을 선택, 독성물질이 없는 것을 선택

  • 배추 - 야생 겨자 식물(Brassica Oleracea) : 인위적 선택

    • 브로콜리 - 꽃봉오리와 줄기

    • 콜리플라워 - 꽃봉오리

    • 콜라비 - 줄기

    • 브러쉘 - 잎 새싹

    • 배추 - 잎

    • 케일 - 잎

  • 유전 정보

    • 유전자는 단백질을 부호화 하는  DNA 염기 서열로 되어 있음

    • DNA 는 염색체에 담겨 있고, 각 염색체들은 유전자들을 담고 있음

    • 유전체(종마다 있는 모든 유전자 세트) 는 하나의 세포에 모두 담겨 있음

    • 쌍으로 존재 : 2배체

    • 사람 유전체는 22쌍의 염색체 +  XY 성염색체 : 총 46개 염색체로 구성

    • 진핵생물: 2~3만개 유전자 수

    • 옥수수의 염색체 : 2n=20, 사람  2n=46)

    • 2체가 아닌 작물

      • 밀 (600체)

      • 배추, 고먼, 유채, 갓  : 4배체

      • 우장춘 박사의 우트라이앵글 : 배추(2배체) 속 작물들은 4배체

      • 밀의 경우 4배체, 6배체(빵밀)-밀 유전체의 길이는 사람의 유전체보다 5배 더 크다. 

      • 탈립 안되도록 진화 ->선택->털벗기 

    • 벼 IR64 품종 

      • 재조합( Recombinations) +  전위(Translocations) +  역위(Inversions) + 결손(Deletions)

      • 우리가 먹고 있는 음식은 원래 형태에서 광범위하게 변형된 식물, 유전자 서열이 많이 변함

2)가까운 과거(1900~2021)-과학적 식물 육종

• 잡종(Hybrid) 종자

  • 인구 증거에 따라 육종을 통해 꾸준히 식물 개량

  • 화학비료, 농업의 기계화, 관수 활용

  • 멘델(1865  분리의 법칙, 독립의 법칙, 우성/열성)과 다윈(1859년 종의 기원: 자연 변이에 집중)

    • 잡종 강세(Hybrid Vigor, heterosis) : 교배된 자손이 부모 식물들보다 더 성장을 잘하고 수확량이 많은 현상

    • 농부와 종묘의 비지니스 협력 : 잡종 강세 작물을 재배함 (배추, 브로콜리, 콜리플라워, 멜론, 오이, 호박, 시금치, 상추, 토마토, 가지, 고추, 양파, 당근, 콩, 완두)

• 녹색혁명: 교배 육종

  • Norman Borlaug, 녹색 혁명의 아버지, 노벨상

  • 병(녹병)에 강하고 키가 작아(한국 품종) 넘어지지 않는 밀을 육종

  • 통일벼 :밀양에서 육종, 생산량이 2배 이상 확대

  • 작물 생산성은 인구증가와 함께 증가

  • 경작지를 늘이지 않고 생산성을 늘이는 것이 환경 변화를 최소화, 종 다양성 감소를 늦춤

• 유전체 시대: 육종 기술의 진보

  • 분자육종 - 염기서열을 바꾸는 방법

  • 특정 문자 마커(marker)활용 : MAS, 표현형보다 DNA 마커로 '선택'하는 것이 빠름(예, 인도에서 침수 저항성 벼 개발)

  • 유전체 정보 활용: 표현형 분석 ->유전형 분석->연관 분석->유전자 변이 발견

  • 형질전환식물(GMO)

  • 유전자가위를 통한 정밀 육종

  • 교배 육종,  돌연변이, 형질전환(재분화 과정-캘러스 )은 10년 이상이 걸리지만, 유전자 가위는 4~6년 걸림

  • CRISPR/Cas9으로 원하는 부분에 돌연변이를 일으키게 함. RNA 디자인이 가능

  • 벼, 토마토, 유채, 감자, 옥수수 등에 병 저항성, 가뭄 저항성, 고온 저항성, 다수확, 고품질, 질소를 잘 흡수 등 활용

  • 작물도 맞춤형 개량 가능

3)현재와 미래(2021~)

• 유전자 편집 시대: 2차 녹색 혁명과 환경

• 교수님 관심분야 : 잡종 강세 식물을 종자로 복제할 수 있다면?

  • 자연: 감수분열(Meiosis 2배체->반수체)->(재조합)

  • 연구: 감수분열 대신 체세포 분열(MiMe) ->유전자 가위를 사용하여 처녀생식:모계 클론, 수정하면 4배체

  • 벼의 알세포에 수정해서 배젓이 되는데, 처녀 생식으로 배 발달

• 교수님 연구실 : 감수분열 교차 재조합 수를 늘이는 연구

  • 정상의 식물 유전체를 교차 증가 돌연변이로 교차 증가 돌연변이 식물 유전체를 만들어 유전자 연구

4)Q&A

• 유전체 분석으로 벼의 고향은 중국으로 판명됨

• 메타카오스: 유전자가위 기술을 이용한 식물의 육종은 연구로 그쳐야 하는가 아니면 실질적으로 농업화가 되어야 할까?