제 11강 초파리의 생활사와 및 돌연변이 관찰
1. 실험목표
1) 초파리를 채집하여 사육하고 교배시킬 수 있다.
2) 초파리의 외부 형태와 암수를 구별할 수 있다.
3) 초파리의 야생형과 돌연변이체의 표현형을 구별할 수 있다.
2. 실험 소개
초파리는 세계적으로 수천 종이 알려져 있으며, 우리나라에도 150여종이 있다. 이 중에서 대표적인 종 인 노랑초파리(
Drosophila melanogaster
)가 유전연구에 많이 이용되었다. 자연에서 다양한 돌연변이가 발견되기도 하고, 실험실에서 물리적 또는 화학적 요인에 의해 인위적으로 유발시킬 수 있다. 모건(Tomas Morgan)에 의하여 실험재료로 처음 도입된 후 염색체 지도 작성 등 많은 유전연구에 중요한 실험생물로 서 널리 이용되어왔고 유전학의 발전에 많은 기여를 하였다. 초파리가 유전학 및 발생학 재료로서 갖는 장 점은 다음과 같다.첫째, 초파리의 생활사는 대단히 짧아 고등한 무척추동물이지만 25℃에서 10일이면 성체가 되고 곧 성 적인 성숙에 도달하여 자손을 낳는다.
둘째, 많은 자손을 낳으므로 결과에 대한 확률적인 처리가 가능하다.
셋째, 외부의 구조가 복잡하여 유전자 돌연변이에 따른 기능을 연구하기가 수월하다.
넷째, 염색체수가 적어 분자 유전학적인 접근이 용이하다.
다섯째, 다사염색체(polytene chromosome)를 가지고 있어 염색체상에서 유전자의 위치를 확인할 수 있다.
여섯째, 여러 가지 방법을 이용한 돌연변이의 유발이 용이하다.
일곱째, 형질전환 동물(transgenic animal)을 만들어 쉽게 유전자의 기능을 연구할 수 있어 모델 시스 템으로 이용된다.
생활사와 유전현상에서 나타나는 이와 같은 특성으로 인해 초파리는 사육실험, 염색체의 관찰, 돌연변 이의 관찰, 성체의 외부구조의 관찰, 멘델의 분리 및 독립의 법칙 등을 쉽게 확인해 볼 수 있는 좋은 재료 이다.
이번 실험에서는 노랑 초파리를 사육하면서 암수의 형태와 야생형과 돌연변이형의 표현형이 어떻게 구 별되는지 알아보자.
3. 초파리의 생활사
초파리는 완전변태를 하는 곤충으로 알, 유충, 번데기, 성체의 네 단계를 거친다. 암수 성체 한 쌍을 한 사육병 속에서 교배시키면 암컷의 몸 속에서 많은 수의 난자가 정자와 수정을 한다. 암컷이 일단 알을 낳 으면 알은 유충으로 발생하면서 배지 속으로 파고들어 간다. 두 번의 탈피과정을 거친 후, 유충은 배지를 빠져 나와 사육병의 벽을 따라 기어올라간다. 유충은 병의 벽에 붙어있는 상태에서 번데기가 되고, 며칠이 지나 성충이 번데기에서 나오면 생활사가 다시 시작된다. 21℃에서 약 8일 동안 알과 유충의 상태로 있다 가 번데기로 되며 6일 후에는 성체가 된다. 성체는 여러 주 동안 산다. 수정된 알이 배아 상태를 거쳐 유 충으로 깨어나면 두 번 탈피를 한다. 유충은 세단계(1령, 2령, 3령 유충)로 나뉘며, 세 번째 단계의 유충에 서 침샘 염색체를 가장 잘 볼 수 있다. 3령 유충은 딱딱해지며 두꺼워져 번데기가 된다. 변태는 번데기 안 에서 일어난다. 번데기는 성체로 깨어 나오기 전에 점점 검어진다. 번데기 상태에서 빨간 눈이 보인다. 변
태가 완성되면 성체는 번데기의 앞쪽을 뚫고 나온다. 바로 나온 초파리는 옅은 색깔이며, 날개가 접혀져 있다. 2∼3시간 안에 날개의 시맥 속으로 액체가 흘러감으로써 날개가 펴지며, 초파리의 색깔은 점점 옅은 검은 회색으로 변한다. 이를 암화 현상이라고 하며, 깨어 나온지 2일이 지나면 암컷은 알을 낳을 수 있고, 살아있는 한 수정 능력을 갖는다. 하지만 시간의 흐름과 함께 알을 낳는 능력이 저하된다.
그림 1. 초파리의 생활사
4. 초파리 사육하기
1) 초파리 사육 배지 제작 방법
Ÿ 재료: 한천, 옥수수 가루, 건조 효모, 프로피온산, 에테르, 설탕
① 670 mL의 물이 들어있는 비커에 옥수수 가루 50g과 설탕 15g을 넣어 잘 섞는다.
② 45℃의 물 330 mL이 들어있는 비커에 건조 효모 12.5g, 한천 10g, 그리고 설탕 15g을 넣고 따뜻한 곳에서 20분 동안 발효시킨다.
③ ②과정에서 준비한 것을 서로 섞은 후 휘저으면서 충분히 끓인다. 불을 끄기 전에 2 mL의 프로피온 산을 첨가하여 잘 섞는다.
(프로피온산은 세균의 번식을 억제하기 위해 첨가하는 재료이다)
④ 배지를 약간 식힌 후 굳기 전에 깔때기를 이용하여 멸균된 사육병에 1.5～2.0 cm 높이까지 부어 넣 는다.
⑤ 멸균된 솜 마개 또는 스폰지 마개로 덮고, 12시간 정도 상온에 두어 배지가 완전히 굳도록 한다. (마 개가 잘 막히지 않으면 수분이 증발하여 초파리가 살아갈 수가 없다)
2) 초파리의 채집과 사육
Ÿ 재료: 포도, 사과, 바나나, 키위 등의 과일, 초파리 사육 배지
① 바나나, 복숭아, 포도, 사과 조각 등을 비닐봉지에 넣고 소량의 건조 효모를 뿌린 후 상온에서 하루 동안 발효시킨다.
② 충분히 발효된 과일 혼합물을 초파리 채집병에 조금 넣고, 포도밭 등의 과수원이나 과일 가게의 그늘 진 장소에 둔다.
③ 채집병에 들어온 초파리를 매일 일출직전과 일몰직후 2차례씩 곤충망을 이용하여 채집한다.
④ 채집된 초파리는 즉시 신선한 사육 배지가 들어있는 사육병으로 옮겨, 25℃의 항온기에서 사육한다.
사육 중에 사육병 속의 배지가 건조되지 않도록 주의해야 한다.
⑤ 10 ～ 14일 간격으로 초파리를 새로운 배지로 옮겨 사육한다.
그림 2. 초파리 사육병과 채집병
5. 초파리 성체의 외형 관찰
성체는 크게 머리, 가슴, 배로 구성된다. 머리에는 안테나, 눈 등이 있으며, 가슴은 세 개의 체절 (prothorax, mesothorax, metathorax)로 구성되어 있으며, mesothorax에서 한 쌍의 날개 및 다리가 있고, 세 번째 가슴에는 날개의 흔적기관이 평균곤(haltere)과 한 쌍의 날개가 있다.
성체의 구조는 초파리의 발생을 연구하는데 큰 공헌을 하였다. 예를 들면 호메오틱 유전자 중 Antennapedia의 한 우성 돌연변이에서는 안테나가 두 번째 다리로 형질의 전환이 일어난다.
Ultrabithorax 유전자의 결함은 세 번째 가슴의 평균곤(haltere)이 날개로 전환되는 대 변화가 일어난다.
그림 3. 초파리 외형
1) 초파리의 마취
초파리를 관찰하기 위해서는 마취를 해야하는데 일반적으로 에테르(ethyl ether)나 이산화탄소를 이용 한다. 뚜껑이 있는 마취병에 솜을 넣고 약간의 에테르를 부은 후, 끝이 막혀있는 깔때기를 이용해 이곳에 초파리를 옮기면 마취가 된다. 1분이면 마취가 되며 수분동안 마취를 하면 죽을 수가 있으므로 주의한다.
마취된 초파리가 깨어나는데 약 10여분 이상이 걸린다. 초파리를 사용한 후 더 이상 필요가 없을 경우에 는 빈 관병에 넣어 보관한다. 에테르는 유기용매이므로 화기 사용에 유의하고, 인체에도 유해하므로 가급 적 이산화탄소를 사용하여 마취 후 실험을 수행하도록 한다.
2) 초파리의 형태 관찰과 암수구별
① 이산화탄소나 얼음팩을 이용하여 초파리의 성충을 관찰하기 위해서는 일단 마취를 시켜야 한다. 에테 르를 묻힌 솜을 그림과 같이 마취병 속에 넣는다.
② 사육병의 옆을 손가락으로 톡톡 쳐 초파리가 사육병의 마개에서 멀어지게 한다.
③ 사육병의 마개를 신속히 제거한 후 마취병을 그 위에 거꾸로 놓는다.
④ 사육병과 마취병을 양손으로 동시에 잡고 마취병은 밑으로, 그리고 사육병은 위로 놓이게 한다. 이런 상태에서 사육병을 손으로 톡톡 치면서 초파리가 마취병 속으로 떨어지게 한다.
⑤ 초파리가 마취가 되어 움직이지 않으면 신속하게 꺼내어 실체현미경으로 관찰한다.
특징 암컷 수컷
겉모습
복부
구조 둥글다 뾰족하다
복부 말단의 검은 띠
검은 띠들이 매우 가깝게 밀집되어
하나의 띠로 보인다. 여러 개의 검은 띠가 분리되어 보인다.
성즐
첫 번째 다리의 안쪽에 성즐이 있음
없음
그림 4. 초파리의 암수
<강의용 PPT자료>
<학생활동지>
초파리 관찰
년 월 일 반 이름
1. 실험목표
1) 초파리를 채집하여 사육하고 교배시킬 수 있다.
2) 초파리의 외부 형태와 암수를 구별할 수 있다.
3) 초파리의 야생형과 돌연변이체의 표현형을 구별할 수 있다.
v 실험 준비물
Ÿ 기구 : 해부현미경, 루페, 돋보기, 마취 기구 세트(붓, 관병, 깔대기, 마취병), 10cm X 10cm 크기의 흰 종이
Ÿ 재료 : 초파리 각 발생 단계별 개체
Ÿ 시약 : 에테르(ethyl ether) 혹은 이산화탄소
v 실험 방법
해부현미경, 루페 등을 이용하여 각 발생단계의 초파리를 관찰하고 결과를 기록한다.
2. 관찰 결과
1) 초파리의 발생 단계를 각각 스케치하고 특징적인 모습을 기록하시오.
(관찰대상, 현미경종류, 배율 등 표시)
2) 성체의 몸은 크게 어떻게 나누어지는가? 다리, 날개는 어느 체절에 붙어있는가?
▶ 초파리의 암수는 형태적으로 서로 무엇이 다른가?
3) 초파리를 채집하여 사육해 보고, 사육하는 동안 초파리의 생활사를 관찰하여 그 단계별 특징 을 기록해보자.
▶ 완전변태란 무엇인가?
4) 채집된 초파리 가운데 다른 개체와 달리 특이한 구조를 갖고 있는 개체가 있었는가? 어떤 특 이한 구조를 보이는가?
