종자기사 요약정리 - 식물육종학 - 육종방법

1. 육종방법 : 육종목표 달성을 위해 육종방법 결정시 최우선 고려사항 - 목표형질의 유전양식 

 - > 육종 순서 : 재료집단 - 선발 및 고정 - 생산력 검정 - 지역적응시험 - 품종결정 - 종자증식 - 농가보급

  * 우리나라의 주된 육종방법 변화 : 분리육종 -> 도입육종 - > 교배육종

  가. 도입육종법 : 통관검사 - 격리재배 - 포장재배 - 특성조사 - 종자보급

  나. 분리육종법 = 선발육종법 : 재래종이나 재배품종 중 우량한 형질을 가진 곳을 골라 새로운 품종으로 고정

   - 이론적 근거 : 완전한 순계는 선발의 효과가 없다. 재래품종은 혼계상태이고 자연집단에는 우수한 유전자형이 존재하므로 분리육종이 가능하다

   - 분리육종법의 종류 : 순자가 계타요~ (암기) 마늘과 같이 종자가 전혀 생산되지 않는 경우 유일한 품종개량법

 다. 교잡육종법 : 가장 널리 사용. 멘델의 유전법칙을 근거로 성립, 육종의 소재가 되는 변이를 교잡을 통해서 얻는 방법. 품종간 또는 종속간 교잡에 의해 유전적 변이를 작성하고, 그 중에서 우량한 계통을 선발하여 신품종으로 육성

 - 교잡육종법의 종류 

   ㄱ. 계통육종법 : F1양성 -> 초기(F2)세대 선발 -> F3세대부터 계통육성 / 유전력이 높은 형질개량

   ㄴ. 집단육종법 : 람수=혼합육종법 / 초기세대 집단 재배 후 선발 -> 선발노력절감, 유용유전자 상실 염려 적음(자연도태로 유용유전자는 상실할수도 있다), 계통육종법과 더불어 벼, 보리 등 자가 수정작물의 전형적인 육성방법

  ㄷ. 여교잡(여교배) 육종법 : A품종이 수량, 품질 등이 우수하나 특정병에 약할 때 그 병에 강한 B품종을 찾아내어 A와 B를 교잡한 후 그 1대 잡종을 다시 B품종에 교잡하여 육종의 시간과 경비를 절약 -> 자식에 비해 분리되는 유전자형의 종류수는 적고, 동형접한체(호모)의 비율은 동일하며, 희망 유전자의 출현비율이 높고, 불량유전자의 제거확률이 높다. 

   ㄹ. 파생계통육종법 : F2~3계통선발(질적형질만 선발) -> F4~5집단선발 -> F6 계통선발(양적형질)

 

 - 집단 제정법(꽃밥 밖으로 꽃가루가 나오지 못하게 함) : 암술의 기능을 유지하면서 수술의 기능을 상실시키는 방법으로 온탕 제정법, 저온처리법, 수세법, 알코올침윤법 등이 이용된다.

 

 라. 잡종강세육종법 : 타가수정작물에 적용(옥수수에 가장 많이 이용)

   : 잡종강세 - 생장발육의 증대, 성분함량 변화, 개화/성숙 촉진, 불량 환경에 대한 저항성 증진

   (핵내 유전자의 상호작용 / 세포질과 핵내 유전자의 상승작용)

    : 잡종종자 생산을 위한 우량한 조합

 * 조합능력 : F1의 잡종강세(잡종강세를 일으킬수 있는 힘) 능력

 * 조합능력 검정방법 : 톱교배에 의해 일반조합능력에 대한 선택(검정)을 하고, 그 다음에 단교베에 의해 특정조합능력에 대한 선택을 하는 것이 우량한 자식계통을 육성하는데 유리

 * 계통의 조합능력 개량방법 : 선발육종법, 여교잡법, 계통간 교잡법, 집중개량법

 * 선발육종법 : 누적선발법 / 순환선발법 / 상호순환선발법(3년을 1기로하여 같은조작 반복)

 

 마. 배수성 육종법 :

 - 이수성 : 한 게놈을 구성하는 정상의 염색체 세트(2n)에 1개 또는 몇 개의 염색체가 증감

 - 배수성 : 2n, 3n, 4n - 같은 게놈이나 다른게놈을 중복적으로 가지는 현상

   * 평지유채(Brassica napus)는 자연상태에서 서로 다른 게놈을 가진 종끼리 교잡되어 생긴 이질배수체 이다.

 - 동질배수체의 이용 : 인위적으로 염색체를 배가시켜 동질배수체를 작성하려면 콜히친 처리법을 이용

   * 콜히친처리법 : 콜히친을 종자나 세포분열이 왕성한 식물체의 생장점 부위에 처리하면 분열상태에 있는 세포의 방추사 및 세포막의 형성을 저해, 복제된 염색체가 양극으로 분리되는 것을 방지, 즉, 2n이 4n으로 복제된 후 분리되지 못하고 4n으로 남아있게 된다(침지법, 적하법, 분무법, 우무법, 라놀린법)

 - 동질 배수체의 특징 : 세포의 증대, 영양기관의 발육증진, 화기 및 품종의 대형화, 저항성 증대, 함유성분의 변화, 임성 저하, 착과성 감퇴

  * 3배체 수박종자 = 씨 없는 수박 : 2배체 수박을 4배체로 배가하여 4배체 암술에 정상수박의 수술을 수분하여 3배체 수박을 만든다(3배체는 감수분열시 염색체가 균등하게 분배되지 않기 때문에 높은 불임성을 나타낸다)

 

 - 이질배수체(비상동게놈으로 구성)의 이용 (자연계에 이미 존재하는 이질배수체 = 평지유채)

 : 다른 종속의 게놈을 동일 종속의 개체에 도입, 보유시켜 보다 실용적 가치가 높은 신형작물을 창성, 이질배수체 중 복2배체의 이용성이 가장 높으며, 밀과 호밀간 이종 속 간 교잡을 하고 게놈을 배가하여 라이밀(트리티케일)을 실용화

 

 - 반수체의 이용 : 완전불임, 반수체 식물을 유기하여 육종연한을 단축하거나 육종재료로 이용하여 신품종 육성

 

 바. 돌연변이 육종법 : 유전적 변이가 교잡에 의해 나타나면, 교잡변이, 교잡이 아닌 다른 원인인 경우 돌연변이라 함

 - 돌연변이의 종류 : 유전자돌연변이, 염색체돌연변이, 체세포돌연변이(아조변이), 색소체돌연변이

   * 아조변이 : 체세포돌연변이의 일종으로 식물의 줄기와 가지의 생장점 세포가 돌연변이를 일으켜 원래의 줄기나 가지와는 형질이 다른 부분이 생기는 것, 영양번식 작물에 주로 이용되어 과수류 신품종 육성에 이바지함

 

 - 인위적 돌연변이 유발 : 방사선(엑스선, 알파선, 베타선, 감마선 - 주로 감마선을 이용(잔류방사선이 적어서))

  : 방사선의 선량 : 저리식물의 반수가 살아남을 수 있는 반수치사향 이하를 사용

   * 인위적 돌연변이의 발생률은 10%이하아나 대체로 열성돌연변이가 많아(형태적 기형화나 임실률의 저하 또는 치사 등), 농업상 실용적인 변이의 발생률은 매우 낮다. 

  * 돌연변이육종법을 이용하여 종대가 나오지 않는 남도 마늘의 생산이 가능해짐

 

 사. 화분배양 / 약배양 육종법 : 식물체에 화분이나 약을 채취, 배양하여 반수체나 반수성 배를 생산하는 방법

  - F1식물체(F2 아님)에서 형성되는 화분이나 자방의 반수체 유전자형을 염색체 배가시키면 순계가 유전적으로 고정되어 품종으로 분리가능

  - 약배양은 3~4년이면 충분하므로 육종연한을 최대한 단축 가능(교배육종은 교배 후 6~7년이 지나야 생산력 검정 가능)

 

2. 특성 및 성능의 검정방법

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

  - 특성검정 : 형태적특성 / 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 형징(수량성, 품질 등)

 

  - 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(토양요인)

      물질생산성 형질 - 엽면적지수, 잎의 경사각도, 엽록소 및 엽질소함량

      물질수용성 형질 - 동화물질 전류능력, 단위면적당 이삭수, 종실의 크기, 이삭당 종실의 수

 

  나. 조기검정 및 품질검정 

   - 조기 검정 방법 : 유식물 검정법, 화분립 및 종자 검정법, 초형 및 체형에 의한 검정법, 세대촉진과 단축검정법(온실)

   - 품질검정 : 단백질검정(전기영동법, 아미노산분석기), 지방성분검정(페이퍼크로마토그래피, 가스크로마토그래피), 당류 또는 소량의 유기성분 검정(고속액체크로마토그래프), 아밀로스 정량, 효소활성 측정, 당도측정(분광광도계)

 

  다. 생산력 검정 : 품종의 특성 유지나 개량을 위해 생산력 등을 검정, 포장 시험으로 직접 수량을 측정

   - 생산력 검정시험의 과정(실제에 가까운 포장조건과 기상조건)

생산력검정예비시험	생산력검정 본시험	지역적응 연결시험	농가실증시험
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

 

  - 포장시험 : 토양 및 재배조건을 일반농가 포장과 유사한 상태에서 실시(오차최소화)

   : 일반 실험의 오차발생원인 : 실험설계의 불완전, 시험조작, 측정, 포장관리의 불균일성, 시험결과 해석의 오류

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

 - 시험구 주위의 식물은 시험구 내부의 식물에 비해 생육이 왕성한 주연효과가 나타나는데, 이는 공기유통, 토양수분, 양분 등의 조건이 시험구 내부보다 주변이 더 좋기 때문이다. 

 

 - 지역적응성 검정 : 생산력검정 본시험에서 선발된 우량계통에 대해 환경이 다른 시험지에서 실시하는 수량검정시험

 

 라. 시험구 

  - 시험구의 크기 및 형성 : 작물의 체적이 크거나 품종수, 계통수가 많을 경우에는 1구의 크기를 크게하는 것이 좋지만, 작물의 면적이 일정할 경우 1구의 면적을 작게하고 반복수를 늘리는 것이 좋다. 시험구의 형상은 장방형이 적당하며, 7회 반복이면 충분하다.

  - 시험구의 배치법 : 완전임의배열법, 난괴법(시험단위나 실험재료를 균일한 것끼리 모아서 직구화하고 반복), 라틴방격법(포장을 종횡 모두 품종수와 같은 수의 시험구로 분할하여 종횡의 모든 줄이 모든 품종을 포함하도록함), 요인시험(2개 또는 2개 이상의 수준을 가지는 2개 이상의 요인으로 이루어지는 모든 가능한 조합을 처리), 분할구배치법(2개 이상의 요인에 관한 시험이면서 요인시험과는 달리 1개 또는 그 이상의 요인의 수준들이 적용)

오차의 자유도 공식
- 오차의 자유도 : 장소수 x (품종수 - 1) x (반복수 - 1)
- 오차의 자유도(F-검정) : 장소수 x 품종수 x (반복수 - 1)

 

3. 품종의 유지 증식, 보급

가. 품종 : 작물의 재배 또는 이용상 동일한 특성을 나타내며, 동일한 단위로 취급되는 것이 편의상 좋은 개체군, 재배적 관점에서 볼때 유전형질이 균일하면서도 영속적인 개체들의 집단(1대 잡종 F1도 품종으로 취급)

  - 혼형 또는 혼계의 집단 : 유전형질이 서로 다른 개체들이 섞여있는 상태의 집단

  - 계통 : 유전형질이 서로 같은 집단을 다시 가려낸 것

  - 순계 : 유전적으로 순수한 계통

 

 나. 우량품종 및 우량종자의 조건 

  - 우량품종의 구비조건 : 신규성, 구별성, 균일성, 안정성(영속성), 우수성

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

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

    * 종자갱신 주기 : 벼,보리,콩 = 4년, / 감자, 옥수수, 배추, 고추 = 매년갱신

  - 우량종자의 구비조건 : 우량품종의 종자, 유전적으로 순수하고 이형종자가 섞이지 않은 종자, 충실하게 발달하여 생리적으로 좋은 종자, 병충해에 감연되지 않은 종자, 발아력이 건전한 종자, 잡초종자 등 협잡물이 섞이지 않은 종자

 

 - 주요작물 농가보급 체계도

* 원종포에서는 1본씩 재배하여 이형주를 제거하고 집단 채종포로 넘긴다

* 종자생산포장의 채종량(일반 재배포장 대비 생산계획량) 원원종포 50%, 원종포 80%, 채종포(보금종) 100%

* 종자갱신 사업의 효과 - 새로운 우량품종으로서의 대체효과, 재배연수 경과에 따른 유전적 퇴화 방지에 의한 순도유지, 재배조건에 따른 생리적 퇴화방지, 각종 병충해로 인한 병리적 퇴화 방지 등 종자가치의 형성

 

- 타가수정하는 재배종 품종의 계통집단 선발과정 : 개체선벌 -> 선발개체의 계통재배 -> 선발된 우량계통의 혼항채종

 

- 유전적 취약성 : 어떤 작물의 품종을 획일화한 어떤 지역에서 재배조건의 급변에 의해 재배가 성립되지 못하는 것, 또는 품종의 단순화에 의해 작물 재배가 환경스트레스에 견디지 못하는 성질

 * 품종특성 유지방법 : 개체집단 선발법, 계통집단선발법, 격리재배, 종자갱신, 주 보존재배

   - 농민들이 종자의 퇴화를 막기위해 가장 쉽게 활용하는 방법은 종자갱신임

 

4. 생명공학 기술의 이용

 가. 조직배양 : 식물의 일부조직을 무균적으로 배양하여 조직 자체의 증식 및 생장, 나아가 각종 조직 및 기관의 분화, 발달에 의해 완전한 개체를 육성하는 방법

 

 나. 조직배양의 장점 : 병균, 특히 바이러스가 없는 식물개체 획득(무병주), 유전적으로 특이한 새로운 특성을 가진 식물체 분리, 특정 식물체를 단시간 내에 대량번식, 좁은 면적에 많은 종류와 품종을 보유할 수 있다(유전자 은행 역할)

 

 다. 조직배양방법

 

 라. 분자표지 : 유전현상의 본질인 DNA의 염기서열 차이를 대상으로 개체간 다형성을 나타내는 방법으로 DNA 마커 또는 Molecula market라고도 한다.

 

 - 분자표지의 종류 

 : 교배분석 - 주로 써던교잡(Southern Hybridization :어느 개체의 DNA에 특정 염기배열 혹은 이와 유사한 염기 배열이 존재하는지를 검정하는 방법. 전체 DNA를 제한효소로 절단하여 전기영동한 후 이를 nylon membrane 등에 부착시킨 후 DNA 탐침과 반응시켜 잡종 분자형성여부로 특정 염기배열의 존재를 확인함) 기술 이용

  - RFLP : 핵 DNA를 제한효소로 처리하여 특이한 탐침을 이용하여 DNA단편의 다형성을 확인 - 선발효율은 높으나 시간, 장비, 기술 소요

  - PCR분석 : 중합체 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction) 기술 이용

 - 분자표지의 활용 : 분자표지를 이용한 선발은 선발의 효율성을 높이고 육종연한 단축가능

  : 유전자형의 차이에 의한 개체식별로 활용 - 꽃, 종자, 과실 등 생육 후기에 발현되는 형질도 생육초기에 선발가능, 후대 검정 불필요

   : 염색체 상에서 특정 DNA부분의 위치를 나타내기 위한 용도, 유전자형 분석용도, 기타 양적 질적 분석 및 분자표지 개발

 

 마. 유전자클로닝(유전자복제)

  - DNA의 특정 부위인 유전자를 다량으로 복제하여 증식

 바. 형질전환

   - A생물의 DNA가 B생물로 들어가 B생물의 DNA에 조합되어 B생물의 유전형질을 변화

  - 형질 전환 방법 : 벡터법(vector), 물리적 방법

    ㄱ. 벡터법 : 토양 미생물인 아그로박테리움을 유전자운반체로 이용( Ti plasmid 이용) + 바이러스 이용

    * 근두암종이 생기는 것은 아그로 박테리움이 지니고 있는 Ti Plasmid의 한 조각이 식물세포로 이동하여 식물 게놈이 삽입되기 때문이다.(Ti plasmids는 쌍자엽 식물의 형질전환에 널리사용)

    ㄴ. 물리적 방법 : 유전자총, PEG법, 물리적 충격법, 직접 주입법

 

  - 형질전환을 이용한 식물 육종의 실제 

    : 보합 DNA 유전자은행(cDNA Library)의 구축순서 : mRNA추출 - > 역전사 효소에 의한 cDNA합성 -> cDNA를 운반체(벡터)에 삽입 -> dDNA클론의 동정 

    : 유전자 복제에 의한 형질전환 육종과정 : 유전자클로닝 -> 벡터에 도입 -> 형질전환 캘러스 선발 -> 식물체 재분화 -> 형질전환품종

* 조명나방의 유충을 죽이는 바실러스균의 유전자를 옥수수에 삽입한 내충성 Bt유전자(조바옥Bt)

  모든 식물을 죽이는 제초제에도 살아남는 제초제저항성 bar유전자(제초bar)

  바이러스 저항성인 외피단백질유전자 등이 육종에 이용(바이러스외피)

 

* 형질도입 : 박테리오파지와 같은 DNA매개체가 한 세균에서 가지고 온 DNA를 다른 세균에 전달하여 유전물질의 재조합을 이루게 하는 현상

  - 형질전환과 다른점 : 유전자의 재조합을 이루는 데 박테리오 파지가 매개작용을 한다는 점

  - 유전자변형농산물(GMO) : 생물체의 유전자 중 필요한 유전자를 인위적으로 분리, 결합하여 목적한 특성을 갖도록 한 농산물(제초제, 병해충저항성, 저장성향상, 고영양분함유 등)

  - 플레이버 세이버(Flavor Savor) : 상품화된 최초의 유전자변형농산물로 일정기간 물러지지 않는 토마토임. 안티센트 DNA기술로 폴리갈락투로나아제라는 효소의 유전자를 억제함