1-39. 생물공학(BT) 육종

1. 조직배양

1) 조직배양의 개념

①  의미

• 식물의 세포 · 조직 · 기관 등을 기내의 영양배지에서 무균적으로 배양하여 완전한 식물체로 재분화시키는 배양기술
• 조직배양이 가능한 이유는 한 번 분화한 식물세포가 정상적인 식물체로 재분화할 수 있는 전체형성능을 지니고 있기 때문
• 조직배양은 삽목과 접목에 비해 짧은 기간 동안 대량증식이 가능하고, 생장점을 증식하면 바이러스 무병주를 육성 가능

② 재료

• 단세포 · 영양기관 · 생식기관 · 병적 조직 · 전체식물 등 여러 종류가 다양함
• 영양기관은 뿌리 · 잎 · 줄기 · 눈 등을 배양
• 생식기관은 꽃 · 과실 · 배주 · 배 · 배유 · 과피 · 꽃밥 · 화분 등을 배양

③  조직배양 배지

• 보통 MS(Murashige-Skoog)배지를 기본배지로 하여 배양재료에 맞게 배지를 만듦.
• 배양조직의 영양요구도에 따라 조성을 달리함
• 기본 배지에는 당 · 아미노산 · 비타민 등 유기물질, N · P · K 등 다량원소와 Mn · Zn · Cu · Mo 등 미량원소의 무기성분, 옥신 · 시토키닌 등 식물호르몬을 포함함

2) 조직배양의 이용

①  생물공학 기초연구

• 세포의 증식 · 조직의 생장 · 기관의 분화 등 식물의 발생과 형태형성 및 발육과정과 이에 관여하는 영양물질 · 비타민 · 호르몬의 역할 · 환경조건 등에 대한 기초연구를 할 수 있음
• 우량한 이형접합체의 증식, 번식이 힘든 관상식물을 단시일에 대량으로 육성할 수 있음(난초 등)
• 바이러스나 그 밖의 병해충저항성 개체를 선발 · 육성(감자 · 딸기 · 마늘 · 카내이션 · 구근류 · 과수류 등)
• 바이러스무병(virus free)묘 생산 : 식물 생장점을 조직배양하면 세포분열 속도가 빨라서 바이러스가 증식하지 못하여 바이러스무병묘를 얻을 수 있음
• 세포돌연변이를 분리해서 이용할 수 있음
• 유용물질 생산 : 사탕수수의 자당, 약용식물의 알칼로이드, 화곡류의 전분, 수목의 리그닌, 비타민 등 특수물질(주로 2차대사산물)의 공업적 생산이 가능
• 원연종 · 속간 잡종의 육성 : 종 · 속간 잡종의 육성은 기내수정으로 얻은 잡종의 배배양, 배주배양, 자방배양을 통해 F1종자를 얻을 수 있음(기내수정 : 기내에서 씨방의 노출된 밑씨에 직접 화분을 수분시켜 수정하도록 하는 것)

②  선발

• 조직배양을 하는 배지에 돌연변이유발원이나 스트레스를 가하면 변이세포를 선발 가능
• 세포나 조직배양물을 이용하여 농약에 대한 독성이나 방사능 감수성을 간편하게 검정 가능

③  유전자원 보존

• 종자수명이 짧은 작물이나 영양번식작물은 조직배양을 하여 기내보존을 하면 장기간 보존이 가능

④  인공종자 개발

• 인공종자는 체세포의 조직배양으로 유기된 체세포배를 캡슐에 넣어 만들며, 캡슐재료로는 알긴산(alginic acid, 해초인 갈조류의 엽상체에서 얻음)을 많이 이용

⑤  배배양

• 정상적으로 발아 · 생육하지 못하는 잡종 종자는 배배양을 통하여 잡종식물을 육성 가능(나리 · 목화 · 벼 등)
• 결과연령을 단축하여 육종연한의 단축 가능(나리 · 장미 · 복숭아 등)
• 자식계가 퇴화하기 전에 분리 · 배양하여 새로운 개체를 육성(양앵두 등)

⑥ 약배양

• 약배양은 화분(꽃가루)의 소포자로부터 배가 형성되는 4분자기 이후 2핵기 사이에 꽃밥을 배지에서 인공적으로 배양하여 반수체를 얻고, 이것의 염색체를 배가시키면 유전적으로 순수한 2배체식물(동형접합체)이 얻어지므로, 육종연한을 단축시킬 수 있음
• 자가불화성 식물에서 새로운 개체를 분리 · 육성(벼 · 담배 · 감자 · 배추과)
• 약배양은 화분세포 이외의 화분벽세포(2n) 조직이 기관으로 분화될 수 있기 때문에 화분만을 배양하는 화분배양이 개발되었지만 효율이 낮고 백색체가 많이 나오는 단점이 있음
• 약배양을 통해 육성한 화성벼 · 화청벼 · 화영벼 등이 재배되고 있음

⑦  병적 조직배양

• 바이러스 · 선충 등에 관한 기초정보를 얻을 수 있음
• 병해충과 숙주 간의 관계를 연구할 수 있음
• 종양조직의 이상생장 메카니즘을 규명할 수 있음

※ 양액재배

의미	땅을 대신하여 작물의 정상적인 생육에 필요한 필수원소를 물에 용해하여 만든 배양액으로 작물을 재배하는 것
장점	땅에서 작물을 가꿀 경우 땅을 개간하고 소독하기가 어렵지만, 양액재배는 배양액을 바꾸거나 소독하기 쉽고, 어느 곳에서나 가꿀 수 있다
	물과 양분을 효율적으로 줄 수 있고, 심기가 간단하다
	땅갈이와 김매기가 필요없고, 자동화할 수 있다
	품질이 좋고 수량이 높으며, 깨끗한 농산물을 생산할 수 있다
단점	배양액을 순환시키고 양분을 조절하는 장치 등의 시설이 필요하다
	배양액의 무기 양분 농도가 높으면 염류 장애를 일으킨다
	급격하게 pH가 변화하여 장애를 일으킬 가능성이 크다

2. 세포융합

1)  세포융합

• 식물세포벽을 융해시켜 얻은 나출 원형질체에 PEG(polyethylene glycol) 처리나 전기적 충격을 가하여 세포를 융합시키고 식물체로 분화시키는 기술
• 세포융합은 통상 교배가 불가능한 원연종 간의 잡종을 만들거나 세포질에 존재하는 유전자를 도입하는 수단으로 이용함
• 세포융합에 의한 잡종은 보통 유성생식에 의한 잡종과 구별하여 체세포잡종이라 함
• 사례 : 감자(potato)와 토마토(tomato)의 원형질체를 융합시켜 얻은 포메이토(토감, pomato)가 있음, 포메이토는 감자와 토마토 그 어느 쪽의 특성도 제대로 나타나지 않아 실용성은 없음

2)  체세포 잡종

• 서로 다른 두 식물종의 세포융합으로 얻은 재분화 식물체
• 보통 유성생식에 의한 잡종은 핵만 잡종이나, 체세포잡종은 핵과 세포질 모두 잡종이 됨
• 이용 : 체세포잡종은 종 · 속 간 잡종육성, 유용물질 생산, 유전자 전환, 세포선발 등에 이용, 특히 생식과정을 거치지 않고 다른 식물종의 유전자를 도입할 수 있으므로 육종재료의 이용범위를 확대할 수 있음

3) 세포질 잡종

• 세포융합에서 핵과 세포질이 모두 정상인 나출원형질체와 세포질만 정상인 나출원형질체가 융합하여 생긴 잡종
• 이용 : 세포질잡종은 세포질만 잡종이므로 웅성불임성의 도입, 광합성능력의 개량 등 세포질유전자에 의하여 지배받는 형질을 개량 가능

3. 유전자 전환 

• 1.15 유전자 전환 참조