19. 작물 유전자 조작과 유전 양식

- 작물 유전자 조작과 유전 양식

 

- 작물의 염색체와 유전자는 다음과 같다(4).

 

- 유전자조작(2)

2. 유전자은행

특정한 DNA 단편(유전자)의 클론(clone)을 모아 놓은 유전자의 집단을 ‘유전자은행(DNA library, 하나의 생물 종이 가지는 모든 유전자를 숙주를 이용하여 독립적으로 클론화 한 것)’라고 부른다. 유전자은행에는 ‘게놈 라이브러리’와 ‘cDNA 라이브러리’가 있다. 게놈 라이브러리는 생물체의 게놈을 특정한 제한효소로 절단한 모든 DNA 단편을 벡터에 삽입하여 만든 유전자은행이며, 생명체의 유전자를 원래대로 모두 가지고 있다.

 

cDNA 라이브러리는 특정한 조건에서 발현된 유전자의 mRNA를 모두 역전사(RNA를 주형으로 DNA가 만들어지는 과정. 레트로바이러스의 유전 정보가 숙주 세포에서 발현할 때 볼 수 있는데, 유전자 조작에도 이용한다)시켜 합성한 cDNA(complementary DNA)의 집단이며, 게놈의 일부분만을 나타낸다. ‘역전사(reverse transcription)’란 전사(RNA 합성)와는 반대로 RNA를 주형으로 삼아 그것에 상보적인 DNA(cDNA)를 합성하는 반응이다. 역전사를 촉매하기 위해 역전사 바이러스에서 분리한 ‘역전사효소(reverse transcriptase)’를 사용한다.

 

유전자은행에서 원하는 DNA를 찾을 때는 ‘프로브(probe, 탐침)’가 필요하다. 프로브는 찾고자 하는 DNA에 상보적인 한 가닥 DNA 단편으로서 흔히 방사능으로 표지하여 사용한다.

 

3. 유전공학

재조합 DNA 기술과 유전자클로닝(생물체의 유전체에서 한 특정 유전자 또는 특정 DNA 절편을 분리하고 세균이나 박테리오파지와 같은 복제 기구를 이용하여 대량으로 복제하는 분자 생물학적 기법) 기술을 실용적으로 응용하는 분야를 ‘유전공학(genetic engineering)’이라고 한다. 그리고 유전공학 기술에 의하여 형질 전환된 작물이 생산한 농산물을 ‘유전자변형농산물(genetically modified organism, GMO)’이라고 부른다. 2003년 4월 말까지 세계적으로 상품화된 GMO는 16개 작물의 83개 품종에 이른다.

(2022년 현재, 행정안전부 국가기록원 검색에 따르면, 유전자재조합기술을 이용해 개발된 식용 작물은 19개 작물 90여개 품종으로 기록되어 있다. 이 기록은 2007년 최초 작성되었다. 현재는 이보다 많은 것으로 생각된다)

 

벼, 콩, 옥수수 등 여러 작물에서 박테리아의 특정 유전자를 재조합하여 제초제, 병, 해충 등에 저항성인 형질전환품종을 육성하였다. 최근 스위스에서 개발한 황금쌀(Golden Rice)은 박테리아의 카로틴디새튜라아제(carotene desaturase) 유전자를 벼 종자의 저장단백질인 글루텔린(glutelin) 유전자에 재조합한 것으로, 황금쌀은 비타민 A의 전구물질인 β-카로틴을 다량 함유한다.

 

미국에서 제품화된 토마토 품종 ‘플레이버세이터(Flavr Savr)’는 성숙 후에도 물러지지 않는데, 이것은 안티센스 RNA(antisense RNA) 기술에 의하여 세포벽 분해효소인 폴리갈락튜로나아제(polygalacturonase) 유전자의 발현을 억제시킨 것이다. 안티센스 RNA란 세포질에서 단백질로 번역되는 mRNA(이것을 sense RNA라고 함)와 상보적인 한 가닥의 RNA를 말한다. 특정 유전자의 안티센스 RNA는 mRNA(센스 RNA)와 2중 나선을 형성하며, 2중 나선 RNA는 번역될 수 없다.

 

식물의 유전공학에서는 식물을 ‘생체반응기(bioreactor, 생물의 몸 안에서 일어나는 화학 반응을 체외에서 이용하는 장치. 생체 내의 분해나 합성 과정을 외부 장치에 실현해 이상적인 생산을 한다)’로 만들어 유용 물질을 대량 생산하는 연구가 이루어지고 있다. 현재 식물에서 생산을 시도하는 외래유전자 산물은 생물학적 분해가 가능한 플라스틱, 독성물질, 항체, 백신 등이 있다. 또한, 유전자조작을 통해 식물이 생산하는 단백질을 개선하고 광합성 효율을 높이며 질소고정 능력을 부여하는 등 다방면의 연구가 진행되고 있다.

 

- 작물의 유전양식은 다음과 같다.

 

- 멘델(Mendel)의 법칙 (매우 중요한 내용이다!)

1. 멘델의 교배 실험과 가설

ㄱ. 멘델의 교배 실험

멘델(MENDEL, 1822~1884)은 자식성 작물인 완두의 교배 실험을 통하여 유전의 기본원리를 발견하였는데(‘식물 잡종의 연구’란 논문을 1866년 자연과학회지에 발표함), 이를 ‘멘델의 법칙(Mendel’s law)’이라고 한다.

 

멘델은 완두 종자의 모양과 색깔, 콩깍지의 모양과 색깔, 꽃의 색깔과 위치, 줄기의 길이(키) 등 7가지 형질에 대해 형질마다 뚜렷이 구별되는 두 가지 대립형질을 택하여 교배 실험을 하였다. 멘델은 각 교배조합의 양친(A, B) 간에 A(♀) X B(♂) 교배를 하고, 동시에 B(♀) X A(♂) 교배도 하였는데, 이러한 교배방식을 ‘정역교배(reciprocal cross)’라고 한다.

 

교배에 사용되는 개체를 양친 또는 P(parental generation)라 하고, 교배에서 나온 자손을 잡종 제1세대 또는 F1(1st filial generation)이라고 한다. F1의 자가수정 또는 F1끼리 교배하여 생긴 자손은 F2, 그다음 세대는 F3, F4 등으로 부른다. 멘델은 각 교배조합의 F1, F2, F3 세대를 양성하고 각 세대에서 분리되는 대립형질의 개체수를 조사하여 분리비를 계산하였다.

멘델이 실시한 ‘단성잡종교배(monohybrid cross, 한 쌍의 대립형질이 서로 다른 개체를 교배하는 것)’의 결과는 모든 조합에서 F1은 양친 중 어느 한쪽 친의 대립형질만 나타났고, F2에서는 F1에서 나타났던 대립형질과 나타나지 않았던 대립형질이 3:1로 분리되었으며, 정역교배의 결과도 마찬가지였다. 그리고 모든 ‘양성잡종교배(dihybrid cross, 두 쌍의 대립형질이 서로 다른 개체를 교배하는 것)’의 F2에서는 4가지 표현형이 9:3:3:1로 분리되었다.

 

멘델은 F1에서 나타나는 형질을 ‘우성형질(dominant trait)’, 나타나지 않는 형질을 ‘열성형질(recessive trait)’이라 하고, 우성형질과 열성형질을 지배하는 단위인자(unit factor)가 있다고 생각하였다. 멘델이 생각해 낸 단위인자를 지금은 ‘유전자(gene)’라고 부르는데, 이 용어는 요한슨(JOHANNSEN)이 1909년에 처음으로 사용하였다. ‘gene’은 다윈(DARWIN)이 사용한 용어 ‘pangene’의 마지막 음절에서 따온 것이다.