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식물 유전체 연구 동향 분석

이상협 세종대학교 바이오자원공학과 부교수

1. 서론

유전체(genome)는 유전자(gene)와 염색체(chromosome)를 합성한 단어로서 생명체를 구성하는 모든 생명현상을 조절하는 유전 물질(혹은 정보)을 통합해서 부르는 명칭이다. 따라서 생물체를 구성하는 모든 구성 요소를 만들어 내거나, 모든 생명 현상에 필요한 물질을 생산하게 하는 유전정보를 의미한다. 정확한 유전정보를 후손에게 전달시키기 위해서 암호화한 DNA(4개의 염기 A, G, T,C의 연속적인 배열로 이뤄지며 이중나선 구조) 형태로 유전정보를 보존하게 되며 이는 유전체를 구성하는 핵심 구성요소이다.

따라서 유전체 연구란 암호화된 DNA를 발굴하고, 이들의 염기서열을 밝히고 분석해서 궁극적으로 생명현상을 이해하거나 필요한 용도로 활용하게끔 조작 혹은 가공하는 모든 것을 의미한다. 최근 들어 급속히 진보된 염기서열 해독 분석 기술과, 염기서열 비용의 하락은 대단히 복잡한 유전체 정보를 가진 식물체에서도 유전체 연구를 보편화하게 되는 계기가 되었다.

따라서 현재 200 여종 이상의 식물체를 대상으로 유전체 정보가 밝혀진 상황이다. 식물 유전체 정보의 축적과 더불어서 유전체 정보를 식물 품종

육성에 직접적으로 활용하려는 시도가 다양하게 진행중 이고 유전체 정보 활용에 대한 다양한 기술적 접근이 진행되는 상황이다. 따라서 본고에서는 식물 유전체 연구 관련 동향과 유전체에 기반한 육종 기술 개발 동향을 분석하고자 한다.

2. 본론

가. 유전체 연구 동향

1950년대에 DNA 이중나선 구조가 밝혀지고, 그 후 20년이 지난 1970년대 말에 Frederick Sanger와 Walter Gilbert에 의해 염기서열 분석 기술이 최초로 개발되었으며, 이러한 Sanger 법을 기반으로 인간 유전체 서열이 2000년대 초반에 최초로 밝혀졌다. 이 때 까지만 하더라도, 유전체 연구는 막대한 비용과 시간은 물론 많은 과학자들의 공동 노력에 의해 달성될 수 있는 거대 프로젝트였기 때문에 인간을 비롯하여 학문적으로 또는 경제적으로 중요한 극히 몇 종의 모델 동, 식물과 미생물에 한정되었다.

2007년 이후 부터 기존의 sanger법과 차별화되는 새로운 염기서열 분석법이 개발되기 시작했다. 기존 염기서열 분석법과 차별화하기 위해서 차세대 염기서열분석(Next Generation Sequencing, NGS)이라는 용어를 사용하기 시작하였다. NGS 장비는 ddNTP를 이용하여 증폭된 이의 차이를 이용하는 1세대 capillary sequencing, 각기 다른 형광이 붙은 염기를 이용하여 PCR 증폭과 이들 이미지를 분석하여 base clling을 이용하는 2세대, 형광이 아니 칩을 이용하는 2.5 세대, single molecule 단위의 반응을 이용하는 3세대 등이 출시되어 있다. 그리고 현재 기존의 빛을 검출하는 방식이 아닌 새로운 방식으로 염기서열을 초병렬적으로 결정하는 4세대 장비가 상용화를 진행중이다.

따라서 이러한 고효율 염기서열 분석법의 개발에 의해서 대용량 유전체 염기서열 정보가 예전에 비해 저비용으로, 단기간에 분석할 수 있게 되었다.

최근의 예를 보면, 한번 실험(reaction)에 인간 유전체 크기의 7배에 해당하는 200억 염기서열 이상을 읽을 수 있는 기술과 장비가 개발 사용되는 상황이다.

따라서 유전체 분석기술의 급속한 발전이 유전체 염기서열 정보의 기하급수적 증가 추세의 원동력이 되고 있다.

2004년 최초로 인간 전유전체 정보를 해독한 이후에도, 미국의 MIT의 연구그룹을 중심으로 1000 Genome Project가 진행 중이고, 이를 통해 인간이 가진 유전적 변이를 분석하고 이러한 정보를 바탕으로 질병에 대한 심도 높은 이해를 하게 되고 이를 기반으로 개인별 맞춤형 질병 처방을 이루고자 하는 원대한 목적이 있다. 이러한 특수 목적 이외에도, 지구상에 존재하는 다양한 생물체를 대상으로 유전체 정보를 확보하려는 노력이 가속되는 상황이고 그 결과로 21,858개의 genome project가 현재 전 세계적으로 진행 중이다 (완료된 4,342 project 제외한 2013년 5월 21일 현재).

나. 식물 유전체 연구 현황

현재까지 약 370,000개의 식물 종이 지구상에 존재하는 것으로 알려져 있으나, 여전히 상당히 많은 수의 식물체가 미 분류된 상태이다. 그리고 이중에서 DNA 유전 정보가 알려진 식물체는 기존에 분류가 된 식물체의 20% 에도 미치지 못하는 현실이다.

NCBI genome project를 살펴보면 현재(2013년 5월 기준) 지구상에 존재하는 고등식물 206개를 대상으로 genome project가 완료 혹은 진행 중인 상태로 나타난다. 이것 이외에도 private sector 에서 비공개로 진행되는 프로젝트까지 감안하면 산업적으로 중요한 대부분의 작물을 대상으로 한 유전체 연구가 진행 중인 것으로 생각해도 무방할 것으로 생각되어진다. 현재 활발히 추진중인 식물 유전체 서열 분석 프로젝트를 살펴보며 아래 표1과 같다.

번 호

프로젝트

이름 주도 기관 시작

년도 프로젝트 목표 현황

1 Plant 1000 Genome

Project

AET, Musea Ventures,BGI, University of Alberta,and iCORE

2008

(1) 식물 계통학적으로 유용한 작물, 산업 적으로 유용한 식물 자원 식물 1000 종 에 대한 유전자 전 사체 확보

(2) 다양한 작물간의 진화적 배경 분석 (3) 대사체 개량을 통한 산업화 추진

735 개 전사체 확보

2

1000 Plant

& Animal Reference

Genome Project

BGI(Bejing

Genome Institute) 2010 1000개의 주요 동,식물 의 표준 유전체 정보 를 해독

(1) 34종 해독 완료 (2) 17종 해독

진행 중 (3) 214종

계획 3 SOL 100

Project International

Consortium 2010

산업적으로 활용 가능 성이 큰 가지과 식물 체를 100종을 선정해 서 염기서열 진행

24종 해독 완료 혹은 진행중

4

150 Tomato Genome Sequencing

Project

Wagenigen Univ./BGI/TTIGG(

Technological Top Institute Green Genetics)

2011

야생 토마토와 다양한 토마토 품종의 유전체 서열을 비교하여 품종화 과정을 이해하고 품종 육성에 필수적이고, 주 요한 요인 도출

5

100 X 100 Plant Genome

project

BGI 2009

(1) 진화적으로 중요한 100 종 이상의 식 물체 전체 유전체 서열을 해독해서 진화 과정 구명 (2) reference genome 을

바탕으로 각 종 마다 100 개 이상의 다 양한 유전자원을 re-sequencing 해서 식물체에서 일어나는 자연적인 변이 이해

6 1001 Genome Project

Max Planck Institute/Salk

Institute/Monsanto 2008 모델 식물인 애기장대의 1001개 변이체 서열 분석

(1) 840 변이체 해독 완성 (2) 31 변이체

해독 진행

<표 1> 대표적인 식물 유전체 연구 프로젝트

다. 유전체 연구가 농업에 미치는 영향

농업의 역사는 우수한 생물자원을 선발, 개량, 고정 시키는 역사와 일맥상통 한다.

2010년 일본 나고야에서 열린󰡒제10차 생물다양성협약 당사국총회(COP10)󰡓에서 체결된 󰡒유전자원 접근 및 이익 공유(ABS)에 대한 의정서󰡓혹은󰡒나고야 의정서󰡓라 불리는 의정서는 유전자원(생물자원)에 대한 중요성을 다시 한 번 일깨워 준다.

생물자원의 중요성이 점차 커지는 추세에 발맞추어서 선진국은 대규모로 생물자원을 수집, 보존, 증식, 이용하는데 총력을 집중하고 있다. 따라서 농업을 포함하여, 식물을 소재로 이용하는 연관 산업 분야의 핵심 경쟁력은 다양한 생물자원을 대량으로 수집하고, 수집된 자원을 효율적으로 분류, 선발하는 것이다. 기존에는 주로 형태, 생리학적 특성에 의존하는 전통적인 분류학적인 방법을 주로 이용해왔는데, 축적되는 생물자원의 숫자가 기하급수적으로 증가함으로, 전통적인 분류법을 적용하는데 한계를 보이고 있다. 따라서 DNA 염기서열 차이에 의존한 유전자원 분류와 유용형질에 연관된 DNA 서열 정보를 활용한 분자마커에 의존한 유용 유전자원 선발 및 분류 방법에 대한 기술 개발이 등이 활발히 진행되고 있다. 하지만 다양한 종 간의 분류나, 유용 유전자원 선발에 활용할 분자마커가 절대적으로 부족한 상황이므로 이에 대한 기술 개발이 활발히 진행 중이다. 이와 더불어서 유전체 서열 정보 자체를 활용한 유전자원 분류 및 유용자원 선발법의 개발도 활발히 진행 중이다. 궁극적으로 식물 유전체 정보의 축적량이 증대되면 될수록 이와 비례하여 생물자원 평가에서 유전체 정보가 차지하는 비중이 기하급수적으로 증가할 것이고 특히 reference genome을 바탕으로 한 targeted re-sequencing의 진화적, 분류학적 연구에의 적용이 활발히 추진 될 것으로 생각된다.

일단 유용 생물자원이 선발되면 선발된 생물자원을 유전적으로 동일하게 만드는 󰡒고정󰡓이란 과정이 뒤따라 진행된다. 현재까지 보편적으로 행해지는 고정이라는 과정은 "교배(crossing)"에서 생기는 후손(progeny)의 표현형을 관찰하면서 유전적으로 동질화 될 때 까지 수년에서 십여년의 시간을 들여서 지루하게 진행시키는 방법을 주로 사용한다. 전통적인 방법은 고정에 시간이 오래 걸리고, 비용이 많이 들고, 우수한 형질과 불량한 형질이 가까이

연관되어 있을 경우에는 고정 시키기 어렵다는 치명적인 단점들을 가지고 있다. 하지만 최근까지 분자마커나 분자마커와 단편적인 유전체 정보가 결합된 유전자 지도를 활용하는 방안들이 전통적인 방법의 문제점을 해결하는 대안으로 활발히 이용되고 있다. 하지만 분자마커와 유전자 지도의 효율적인 활용에도 불구하고 여전히 비용이 많이 든다는 단점 때문에 전체 작물에 보편적으로 활용되지 못하고, 산업적으로 중요하고 연구 결과 (분자 생물학적, 분자 유전학적 연구 결과) 가 많이 축적된 생물자원에만 제한적으로 적용되는 상황이다. 특히 이러한 접근법은 육종 계통이 달라지면 상기의 모든 프로세스를 처음부터 다시 진행해야 한다는 치명적인 약점이 있다. 이러한 단점은 단편적인 유전체 정보를 활용한다는 점에서 기인하므로, 전체 유전체 정보를 활용한다면 기존의 약점을 극복할 수 있을 것으로 생각된다.

특히 염기서열 분석 비용이 저렴해지면 genotype 고정에 유전체 정보를 활용하는 빈도가 급속히 증가될 것이다. 이렇게 특성(형질) 들이 고정된 생물자원(계통)을 활용하여 우수한 형질들이 집적된 품종으로 개량하는 작업이 최종적으로 진행되며 이를 협의의 의미로 󰡒육종(breeding) 이라 할 수 있겠다. 특히 전통적인 육종 방법은 수 대 에 걸친 교배를 통해서 원하는 형질들이 한 개체에 집적되어 농업적으로 우수한 형질이 집적된 품종의 형태로 최종적으로 만들어진다. 따라서 육종이라는 과정에서는 형질을 집적하기 위한 교배의 과정, 그리고 원하는 형질들이 집적된 개체의 선발, 그리고 선발된 개체의 고정 등의 작업이 필요하다. 하지만 현재에는 이러한 작업을 "표현형(phenotyping)", 즉 육종가가 눈으로 보고 진행하기 때문에 수많은 시간과 비용 소요되고 물리적으로 제한된 기간에 취급할 수 있는 수량에 제한이 있다는 등의 단점이 나타나고 있다. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위해서 분자생물학적인 방법이 개발되어서 최근에 활발히 사용되고 있다.

특히 형질에 연관된 DNA 염기서열의 차이를 판별해서 형질에 유래한 표현형의 관찰 없이 원하는 형질의 존재 유무를 파악하는 분자마커를 이용한 선발이 최근 각광을 받고 있고, 이를 마커선발(molecular-assisted selection) 혹은 분자육종(molecular breeding)이라 부른다. 하지만 분자마커 개발에는 많은 비용이 투입되고, 특히 육종 계통 간에 유전적 다형성이 부족할 때에는 분자마커 개발이 어렵다는 단점이 상존한다. 따라서 유전체 정보를

활용하면 손쉽게 분자마커를 개발한다는 이점과 분자마커의 효율성을 능가할 새로운 분자생물학적인 기술을 유전체 정보에 기반 하여 개발할 수 있을 것이다. 예를 들면 유전체 정보 자체가 기존의 분자마커 혹은 유전자 지도를 대체해서 사용될 수 있을 것이며, 이러한 개념적인 접근법을 최근에는 유전체 육종(gemone-assisted breeding)이라 부르며, 향후 핵심 기술로 자리매김 할 것이다.

전통적인 교배 육종 이외에도 다양한 생명공학 기법을 적용해서 이 종 간에 형질을 도입한 다양한 GM (genetically modified) 생물체가 시장에 나오고 있는 상황이다. GM 생물체를 개발할 때 가장 필수적인 요인이 산업적으로 활용이 가능한 유용 유전자를 발굴하는 것이다. 따라서 수많은 학자들이 산업적으로 활용 가능한 유용 유전자를 발굴하기 위해서 다양한 유전자 기능 연구를 수행하고 있다. 전통적인 방법론은 원하는 형질이 발현될 특정 상황에서 발현되는 유전자를 선발해서 이들 유전자의 기능을 개별적으로 확인하는 지루한 작업을 반복적으로 진행해 왔다. 현재까지 상당한 수의 유전자 기능이 상기의 방법으로 밝혀졌고, 이를 통해 우리는 생명 현상에 대해 상당히 많은 이해의 폭을 넓혔다. 실제로 이러한 방법을 적용해서 수많은 GM 제품이 개발 되었다.

하지만 최근에는 highthrough-put (대량 분석) 기술이 발달해서 대량으로 유전자의 기능을 규명하는, 기능유전체 기술들이 다양하게 발전했고, 현재에도 꾸준히 개발되고 있는 추세이다. 따라서 기능유전체 기술과 생명 현상의 청사진인 유전체 정보를 통합해서 연구를 추진하면 인류가 이제까지 밝히지 못했던 다양한 생명 현상을 규명하는 기회가 커지고, 특히 산업적으로 활용 가능성이 큰 유용 유전자의 기능을 효율적으로 밝힐 수 있을 것이다. 그리고 특히 생명 현상은 개별 유전자에 의해 조절되기 보다는 유전자간의 네트워크에 의해 시스템적으로 조절되므로, 이러한 유전자 간의 네트워크를 이해하는 데에는 유전체 정보와 기능유전체를 접목한 방법 이외는 현재 접근할 방안이 전무한 상황이다.

이상에서 살펴본 것처럼 유전체 정보는 농업 부분의 핵심 필수 요소 기술인 생물자원의 분류, 선발, 고정, 개량에 이르는 일련의 과정에서 현재 직면한 한계점을 돌파할 첨단 기술(cutting-edge technology)로 부상 할 뿐만

아니라 유전체에 기반한 다양한 파생 기술 개발을 통해 농업 연구 분야에 새로운 패러다임을 제시할 뿐만 아니라 농업 연구의 새로운 장을 열 것으로 주목받고 있다.

라. 유전체 연구가 육종에 미치는 영향

“육종󰡓이란 기본적으로 자연계에 존재하거나 혹은 인위로 창출한 유전적인 변이를 함유한 다양한 유전자원을 활용해서 원하는 형질을 가진 개체를 최종적으로 생산해 내는 일련의 통합된 과정을 말한다. 따라서 다양한 유전적인 변이를 가진 개체를 선발하는 것이 육종의 출발점이다. 표현형에 의존한 전통적인 선발에서 벗어나서 DNA 염기서열의 차이(polymorphism)에 기반한 분자마커를 이용해서 다양한 유전자원을 분류, 선발하는 방법이 최근 들어 활발히 이용되고 있다. 하지만 현재 활용되는 대부분의 분자마커는 형질의 발현을 유도하는 유전자의 DNA 염기서열의 차이에서 유래된 것이 아니라, 목적하는 유전자와 근접한 비유전자 영역의 염기서열 차이에서 유래한 연관 마커(linked-marker)이다. 따라서 목적 형질을 가진 유전자원을 선발할 때에 연관 정도에 따라 마커 선발의 정확성이 떨어지는 오류를 범하게 될 확률이 높다. 이러한 오류를 해결할 방안이 전체 유전체를 해독해서 유전체 염기서열을 기반으로 자원을 분류하거나 산업적으로 유용한 형질을 유도하는 유전자를 식별할 수 있는 유전자 염기서열의 차이에서 유래한 기능성 분자마커(functional molecular marker)를 활용하여 유용 유전자원을 선발하는 방안이 부상되고 있는 실정이다.

향후 유전체 염기서열분석 비용이 줄어들게 되면, 유전체 정보를 활용한 유전자원 분류 및 선발 기법이 기하급수적으로 증가할 것이다. 궁극적으로 육종에 활용되는 육종 계통과 야생 자원에 대한 체계적인 분류 및 그들의 농업 형질에 대한󰡒전체 유전체적 서열분석(genome scanning)"이 가능해지면 기존 방법으로는 도입이 불가능한 형질이나 다양한 조합 작성을 통한 엘리트 품종 육성 및 육종에 활용할 자원의 pool를 대폭 증가시킴으로,

"잡종 강세(hybrid vigor, heterosis)" 발견 이후 최고의 육종 혁명을 이룰 신기술로 기대되고 있다.

서로 다른 계통의 식물을 교배시키면 그 후손이 부모 세대에 비해 더 우월한 현상이 나타나고 이를 잡종 강세라 부른다. 현재 시장에서 시판되는 대부분의 채소 작물 종자는 잡종 강세 현상에 의해 생산된 일대 잡종 품종(F1)이 주류를 이룬다. 하지만 잡종 강세라 불리는 이 같은 현상이 나타나는 이유에 대한 과학적인 설명은 지금까지 불가능했다. 2002년 미국 Rutgers 대학 산하 워크스만 미생물학연구소의 식물 유전학자 들이 옥수수의 유전체 분석을 통해 잡종 강세에 대한 실마리를 제공해주었다. 역사적으로 볼 때, 잡종 교배를 통한 새로운 품종의 개발은 대부분 시행착오 방식에 의해 진행되어 왔다. 정확한 이유는 모르는 상태에서 잡종 교배된 품종 가운데 우수한 것들을 선발하는 것이 고작이었다. 그러나 유전체 연구와 각종 유전자 기술의 발달을 통해 지금까지 베일에 가려져 있던 잡종 강세의 비밀이 서서히 벗겨지기 시작하고 있다. 따라서 잡종 강세를 육종에서 자유자재로 활용할 계기를 유전체 연구가 제공해줄 수 있다는 점을 강력히 시사함과 동시에 작물 육종에 새로운 전환점을 유전체 연구가 제시할 수 있다고 할 수 있다.

일대 잡종 품종 생산을 위해서는 웅성불임이나 자가불화합 자원을 이용하지 않고는 인위적인 제웅과 인공 교배가 필수적으로 수반되고 이러한 행위는 종자 생산비용을 증가시키는 요인으로 작용한다. 따라서 웅성불임이나 자가불화합 시스템을 육종에 도입하는 것이 종자 생산 업체의 경쟁력을 높이는 지름길중의 하나이다. 하지만 다양한 교배조합 실험을 통해서 야생 유전자원으로 부터 이러한 자원을 도입하기에는 시간과 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 그래서 최근에는 웅성불임과 자가불화합에 관련된 분자마커를 활용하여 이러한 유전자원을 선발해서 육종 라인으로 도입 하거나 교배조합 작성에 활용하는 추세이다. 하지만 마커의 불완전성 때문에 활발하게 사용되고 있지 못하는 상태이다. 따라서 웅성불임이나 자가불화합 자원을 정확하게 표현형으로 선발해서 이들의 표준 유전체를 확보한 후 targetted re-sequencing을 이용한 비교 유전체(comparative genomics) 기법을 적용하면 효율적인 일대 잡종 품종 생산의 전기를 마련할 기술적 도약을 마련 할 수 있을 것이다.

농업 형질은 하나의 유전자에 의해 결정 되거나, 두 개 이상의 복합 유전자에 의해 결정된다. 후자의 경우를 QTL(qualitative trait locus)이라 부른다. 또한 유전적인 요인 외에도 환경적인 요인이 대부분의 농업 형질에

관여한다. 따라서 양적형질을 개량하기 위해서는 전통적인 교배 육종법이 갖는 한계가 있으므로, 현재까지 양적형질 개량에 큰 성과를 얻지 못하고 있는 실정이다. 하지만 최근 유전자 지도를 활용한 QTL mapping과 transcriptome 정보를 이용한 eQTL mapping 방법이 개발되면서 다양한 양적 형질과 환경 요인에 대한 유전 육종적인 접근이 가능해지고 있으나, 상용화 품종 육성에 직접 적용하기에는 아직도 시기상조이다. 최근에는 이들에 대한 대안으로 고밀도 유전자 지도를 활용하는 방법과 genome wide association mapping 이 부상하고 있는 추세이다. 유전체 분석 기법이 두 가지 방법의 핵심 기술이다.

최근에는 전체 유전체를 scanning에서 나온 대량의 SNP 마커와 다양한 genotype 집단을 mapping 해서 농업적으로 유용한 양적형질을 규명해서 육종에 도입하려는 GWAS(genome wide association study)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 머지않은 장래에 다양한 작물에 대해서 reference genome 서열정보가 축적되면 다양한 genotype을 대상으로 re-sequencing 해서 이들 re-sequence 정보를 활용한 GWAS 가 활발히 진행되어서, 전통 육종법으로 해결하기 어려웠던 농업 형질에 대한 개량이 활발히 진행될 것으로 예상된다.

육종 기술이 고도로 발달함에 따라, 육종에 활용할 우량한 변이체가 부족하다는 문제가 최근 대두되고 있다. 그리고 전통적인 방법으로 육종 프로그램에 도입하기 어려운 유전자원을 프로그램에 효율적으로 도입하는 방안을 찾아야 하는 문제에 직면하고 있다. 육종에 활용되지 못하는 대부분의 유전자원은 나름대로 육종에 도입하기에 불리한 농업 특성(형질)을 가지고 있으므로 활발히 활용되지 못하는 실정이다. 하지만 이러한 유전자원이 가진 다 수의 열악한 농업 형질과 우리가 원하는 우수한 농업 형질을 효율적이고 조기에 육종 계통에 도입, 고정 시킬 수 있다면 육종 활용할 우수 변이체 pool 의 확장을 통해 우수한 품종을 지속적으로 개발할 수 있다는 장점이 있다.

따라서 단 기간에 back-cross(여교배)를 통해 우수한 형질만을 분리해서 육종 계통에 도입하는 전략적 방법을 모색해야 할 것이다. 따라서 기술적으로 여교배를 통해 고정에 걸리는 시간을 단축하는 방안 모색과 열악한 형질을 배제하고(linkage drag 해결) 목적 형질(alien locus)만을 receipt genome에 정확하게 도입(integration)하는 두 가지 기술이 필요하다. 근래에 들어 유전자 지도에 의존하여 해결하려는 방법이 시도되고 있으나 성공적인 결과를

보여주지 못하는 상황이다. 따라서 여교배 개체를 re-sequencing (혹은 targeted re-sequencing) 해서 목적 형질의 도입 여부를 genome scale에서 확인하면 여교배를 통해 원하는 형질이 원하는 정확하게 원하는 receipt genome 위치에 도입된 개체를 조기에 얻을 수 있을 것이다.

식물체의 표현형이 유전자 염기서열의 차이(돌연변이)에 전적으로 의존하는 것이 아니라, DNA가 methylation 된 정도 혹은 RNAi(RNA inference) 기반의 반독립적인 epigenetics 유전양상에 의해 결정된다는 것이 최근에 밝혀진 사실이다. 따라서 epigenetic alleles(epialleles)는 염기서열에 바탕을 둔 다형성(polymorphism) 과는 전혀 다른 새로운 개념이고, 육종 소재로 활용할 유전자원의 pool을 확대하는 효과를 준다. 현재까지 알려진 바에 의하면 epialleles는 다양한 스트레스(생물학적과 비생물학적 스트레스)와 연관성이 크다고 한다. 따라서 환경 저항성 품종 육성의 소재로 활용할 가치가 크다. 기존의 분자생물학적인 접근법은 DNA 염기서열의 다형성에 기반을 두고 있기 때문에 epigenetics 유전양상에 대해서는 근본적으로 접근할 방안이 없었다. 하지만 최근에 급부상하는 유전체 서열분석 기술은 전 유전체를 대상으로 epigenetics 마커를 검출할 능력을 가지고 있다. 따라서 기존에는 육종 소재로 활용할 수 없었던 epigenetics 표현형과 이를 검출할 epigentics 마커 개발이 가능해지므로 생물학적 혹은 비생물학적 저항성 품종 육성에 필요한 변이체 자원 pool을 넓혀서 기존과는 다른 유형의 저항성 품종을 생산할 기술적 방법을 제시하고 있다.

Sequencing 비용 절감은 NGS 적용이 가능한 영역을 대폭 넓힌다는 점에서 분자육종에 시사하는 바가 크다. 이는 기존에 개념상으로 머물렀던 유전체 정보를 바탕으로 개념적으로 정립되던 다양한 접근법을 현실의 세계로 끌어들인다는 중요성을 내포하고 있다. 예를 들면 candidate gene approach도 sequencing 비용에 대한 부담이 없어진다면 다양한 genotype 배경을 가진 유전자원을 대상으로 targeted re-sequencing을 적용해서 생산되는 정보를 육종에 직접 적용할 가능성이 높아진다. 이는 교배 조합을 통해서 도입하고자 하는 영역을 정확히 목적 유전자 영역으로만 국한 시킬 수 있으며, 이를 좀 더 확장하면 다양한 교배 조합에서 우리가 목적으로 하는 유전자 영역만 정확히 우리가 원하는 지역에 도입된 개체를 선발해지는 것이 가능해짐을 의미한다.

3. 결론 및 시사점

이상에서 살펴본 것처럼, 유전체 정보가 육종 및 농업 현장에 미치는 효과는 상상 이상일 것이다. 현재 분자마커를 활용한 육종을 분자육종(molecular breeding) 이라고 부르고 전통육종으로 접근이 불가능한 형질에 대한 신규 품종 개발과 육종의 효율성에 지대한 공헌을 하였다. 향후 유전체 서열이 기존의 분자마커를 대체해서 육종에 사용되는 유전체 육종(genome assistance breeding)은 분자육종이 육종과 농업에 미친 영향과는 비교할 수 없을 정도의 파급 효과를 미칠 것으로 예상된다.

유전체육종에 필요한 다양한 기술 중에서 우선순위를 정한 후 우선 순위에 따른 핵심 기술 확보 방안을 수립할 필요가 있다. 그리고 단일 형질 보다는 양적 형질에 연관된 유전자원의 유전체 서열 분석 작업을 통해서 유전체육종을 추진하는 전략이 효과적이다. 특히 유전체 연구는 대량의 생물 정보를 생산해낸다는 특성이 있다. 따라서 대량의 생물 정보를 체계적으로 수집, 보관해서 필요로 하는 연구자에게 제공해줄 필요가 있다. 이러한 목적을 위해서는 유전체 연구의 단계에서부터 마지막 단계에 이르는 모든 프로세스에 대해 표준화된 프로토콜을 적용해서 표준화된 정보를 생산해야 막대한 생물 정보가 서로 호환성을 가지고 실질적으로 유전체 연구가 추구하는 효과를 극대화 할 수 있을 것이다.

본 글은 2012년 발간된“유전체 결과활용 기반 조사 분석 기획 보고서”에 수록된“식물유전체 연구현황 및 금후 연구방향”을 정리, 수정, 보완한 자료임.

참고문헌

1. http://www.1000genomes.org/

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Bioin 스페셜웹진 2013년 제34호

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