식물육종

3. 육종 방법

육종 방법에는 전통적인 교배 육종, 돌연변이 육종, 배수성 육종과 현대적인 유전자 재조합, 마커 보조 선발(MAS) 등이 있다. 분자 육종은 분자 생물학 기술을 이용하여 원하는 형질을 선택하거나 도입하는 방법이다. 배가반수체 및 역육종은 동형접합 식물을 빠르게 생산하여 육종 기간을 단축하는 기술이다.^[19][20]

제2차 세계 대전 이후, 식물 육종가들은 멀리 떨어진 종들을 교배하고 인위적으로 유전적 다양성을 유도할 수 있는 여러 기술을 개발했다. 멀리 떨어진 종을 교배할 때, 식물 육종가들은 여러 식물 조직 배양 기술을 사용하여 교배에서 자손을 생산한다. 종간 및 속간 잡종은 일반적으로 서로 생식하지 않는 관련 종 또는 속의 교배에서 생산되며, 이러한 교배는 ''광교배''라고 한다. 예를 들어, 곡물 트리티케일은 밀과 호밀의 잡종이다. 교배에서 생성된 첫 번째 세대 식물의 세포는 불균등한 수의 염색체를 포함하고 있어 불임이었으나, 세포 분열 억제제인 콜히친을 사용하여 세포 내 염색체 수를 두 배로 늘려 비옥한 계통을 생산할 수 있었다.

원형질체 융합은 일반적으로 전기장에서 원형질체를 융합하는 기술로, 생존 가능한 재조합체는 배양에서 재생산될 수 있다. 에틸 메탄설포네이트(EMS)와 다이메틸 설페이트(DMS)와 같은 화학적 돌연변이 유발 물질, 방사선 육종 및 전이인자는 돌연변이 유발에 사용된다. 돌연변이 유발은 돌연변이체를 생성하는 과정으로, 육종가는 이를 통해 다른 품종과 교배하여 바람직한 특성을 얻기를 희망하며, 이를 돌연변이 육종이라고 한다.

고전적 식물 육종가들은 체세포 변이를 이용하여 종 내에서 유전적 다양성을 생성하기도 하는데, 이는 조직 배양, 특히 식물 조직 배양 캘러스에서 유래된 식물에서 발생한다. 유도된 배수성과 염색체 공학 기술을 사용하여 염색체를 추가하거나 제거할 수도 있다.

바람직한 특성이 종 내로 육종되면, 새로운 식물이 선호되는 모본과 최대한 유사하도록 여러 번 교배가 이루어진다. 예를 들어, 곰팡이병 저항성 완두와 수확량이 높지만 곰팡이병에 취약한 완두를 교배하여 곰팡이병 저항성 자손을 얻은 후, 이 자손을 수확량이 높은 모본과 여러 세대 동안 다시 교배(역교배)하여 수확량이 높은 특성을 유지한다. 이처럼 고전적 육종은 순환적인 과정이다.

고전적 육종 기술을 사용하면 육종가는 새로운 품종에 어떤 유전자가 도입되었는지 정확히 알 수 없다. 따라서 일부 과학자들은 고전적 육종 방법으로 생산된 식물이 유전자 변형 식물과 동일한 안전성 검사 체제를 거쳐야 한다고 주장한다. 실제로 독 솔라닌이 식물 육종을 통해 특정 종류의 감자에서 의도치 않게 허용할 수 없는 수준으로 증가한 사례가 있으며, 새로운 감자 품종은 종종 시장에 출시되기 전에 솔라닌 수준을 검사한다.

가장 최신의 생명공학 지원 재래식 육종조차도, 유전자형 형질의 통합에는 클론 번식 작물의 경우 평균 7세대, 자가 수분 작물의 경우 9세대, 교차 수분 작물의 경우 17세대가 걸린다.^[16][17]

3. 1. 전통적 육종 방법

• 개선된 품질 (영양, 맛, 외관 등)
• 작물의 수확량 증가
• 환경적 압력에 대한 내성 증가 (염분, 극심한 온도, 가뭄)
• 바이러스, 곰팡이, 세균에 대한 저항성
• 곤충 해충에 대한 내성 증가
• 제초제에 대한 내성 증가
• 수확한 작물의 보관 기간 연장

3. 2. 현대적 육종 방법

• 유전자 재조합 (유전자 변형): 특정 유전자를 식물에 도입하거나 제거하여 원하는 형질을 발현시키는 방법이다.
• 마커 보조 선발: DNA 마커를 이용하여 유용한 유전자를 가진 개체를 효율적으로 선발하는 방법이다.^[18]
• 유전체 육종 (GS): 대규모 SNP 마커를 활용하여 유전체 육종가를 예측하고, 선발 정확도를 높이는 방법이다. 옥수수, 밀 등 다양한 작물에 사용되어 왔다.^[32][33]
• 속성 육종: 식물의 생육 기간을 단축하여 육종 효율을 높이는 기술이다.^[31]
• 참여형 식물 육종 (PPB): 농부가 육종 과정에 참여하여 지역 환경에 적합한 품종을 개발하는 방법이다. 참여형 프로그램을 통해 지역 농업 시스템과 유전적 다양성이 강화되며, 농부가 요구되는 품질에 대한 지식과 대상 환경 평가를 통해 결과가 향상된다.^{[34][35][36][38]}
• 진화적 육종: 다양한 유전자형을 가진 집단을 자연 선택에 맡겨 적응력이 높은 품종을 육성하는 방법이다. 네팔 국립 유전자 은행에서 줌리 마르시 벼의 토종 품종 다양성을 보존하는 동시에 도열병에 대한 감수성을 줄이는 데 성공적으로 사용되었다.^[46][47]

4. 육종의 목표

• '''환경 적응성 개량'''
• 재배 환경에 더 적합한 품종을 만드는 것이다. 추위나 더위, 토양 염분, 재배 시기(조만성) 등에 대한 적응성을 높인다. 예를 들어, 벼는 원래 열대 식물이지만, 홋카이도와 같은 아한대 지역에서도 재배할 수 있도록 조만성과 내한성이 개량되었다.^[49]
• '''내병성, 내충성 개량'''
• 병이나 해충 피해를 줄이거나 없애는 품종을 만드는 것이다. 환경 적응성 개량의 일종으로 볼 수도 있다.
• '''경제적 특성 개량'''
• 수확량(수량)을 늘리거나, 수확물의 맛, 향, 식감, 성분 등 품질을 좋게 만드는 것이다. 성분 개량은 '성분 육종'이라고도 한다. 코시히카리는 원래 맛 개량이 아닌 다른 목표로 육종되었지만, 결과적으로 '맛있는 쌀'로 알려져 널리 재배되었다.
• '''재배, 수확, 관리 특성 개량'''
• 재배, 수확, 종자 관리 등 작업이 편하도록 품종을 개량하는 것이다. 야생 식물은 종자를 널리 퍼뜨리는 성질이 있지만, 작물은 그 반대 성질이 필요하므로 이러한 방향으로 개량한다. 예를 들어, 벼의 까끄라기는 종자 분산에 도움이 되지만, 작업에 방해가 되므로 현대 품종은 까끄라기가 없도록 개량되었다. 발아 및 성숙 시기가 균일한 것도 이 목표에 해당한다.

5. 육종과 관련된 분야

육종학은 유전학, 양적 유전학, 생명공학, 돌연변이, 유전자원, 재배 식물 등 다양한 분야와 관련이 있다. 통계 유전학, 실험 계획법, 분자 생물학 등도 육종 연구에 중요한 역할을 한다.

6. 육종의 윤리적, 사회적 문제

식물 품종 보호권은 새로운 품종 개발자의 지적 재산권을 보호하고 로열티를 징수할 수 있도록 하는 제도이지만, 여러 논란이 있다. 비판론자들은 이러한 제도가 기술적, 경제적 압박을 통해 생물 다양성을 감소시키고, 농부와 같이 지역 수준에서 종자를 개발하고 거래하는 개인을 제약한다고 주장한다.^[45] 육종가의 권리를 강화하려는 노력, 예를 들어 품종 보호 기간을 연장하려는 시도도 진행 중이다.

식물에 대한 지적 재산권 관련 법률은 유전적 균일성과 세대를 거쳐 변하지 않는 외관을 포함하는 정의를 사용하는데, 이는 작물의 수확량이나 품질이 지역 및 시간에 따라 얼마나 일관성을 유지하는가라는 측면에서 안정성을 고려하는 전통적인 농업적 사용법과는 다르다.^[46] 2020년 현재 네팔의 규정은 균일한 품종만 등록 또는 출시할 수 있도록 허용하는데, 진화적 식물 집단과 많은 토착 품종은 다형성이므로 이러한 기준을 충족하지 못한다.^[47]

현대 식물 육종은 전통적인 방식이든 유전자 변형(GM)을 통한 방식이든 여러 우려를 낳는다. 특히 식량 작물과 관련하여 육종이 영양 가치에 부정적인 영향을 미칠 수 있는지에 대한 문제가 중요하다. 2004년 ''미국 영양학회지''에 게재된 연구에 따르면, 1950년부터 1999년까지 43개 정원 작물의 영양 분석 결과, 단백질 6%, 리보플라빈 38%를 포함한 6가지 영양소가 감소했다. 칼슘, 인, 철, 아스코르브산의 감소도 발견되었다. 이 연구는 수확량과 영양소 함량 사이에 상충 관계가 있을 수 있다고 결론 내렸다.^[51]

하지만, 식물 육종은 사료 및 작물의 영양 가치를 높이는 비용 효율적인 도구이므로 세계 식량 안보에 기여할 수 있다. 1960년 이후 분석 화학 및 반추위 발효 기술을 사용하여 사료 작물의 영양 가치를 개선하는 성과가 기록되었다. 유전자 개선은 주로 시험관 내 건물 소화율(IVDMD)에서 이루어졌으며, IVDMD가 1% 증가했을 때 소고기 소(Bos Taurus)의 일일 증가율이 3.2% 증가했다고 보고되었다.^[52]

7. 육종의 미래

기계 학습, 특히 딥 러닝은 최근 표현형 분석에 더 일반적으로 사용되고 있다. 기계 학습을 사용하는 컴퓨터 비전은 큰 발전을 이루었으며, 현재 잎 표현형 분석 및 사람의 눈으로 수행되는 기타 표현형 분석 작업에 적용되고 있다. Pound 외 2017과 Singh 외 2016은 초기 성공적인 적용 사례이자 여러 대상 식물 종에서 프로세스의 일반적인 사용성을 입증하는 특히 중요한 예이다. 이러한 방법은 크고 공개적으로 사용 가능한 오픈 데이터 세트에서 훨씬 더 잘 작동할 것이다.^[31]

미래에 식물 육종이 직면한 문제에는 경작지 부족, 점점 더 혹독해지는 작물 재배 환경, 그리고 세계 인구에게 충분한 영양을 공급할 수 있는 능력과 관련된 식량 안보 유지가 포함된다. 작물은 전 세계적인 접근을 허용하기 위해 여러 환경에서 성숙할 수 있어야 하며, 이는 가뭄 내성을 포함한 문제 해결을 포함한다. 식물 육종은 특정 유전자를 선택하여 작물이 원하는 결과를 산출하는 수준으로 수행할 수 있도록 함으로써, 세계적인 해결책을 달성할 수 있다는 주장이 제기되었다.^[43] 농업이 직면한 한 가지 문제는 토착 품종 및 미래 기후 적응에 유용한 유전자를 가질 수 있는 기타 지역 품종의 손실이다.^[44]

기존 육종은 의도적으로 유전자형 내에서 표현형 가소성을 제한하고 유전자형 간의 변이성을 제한한다.^[42] 균일성은 작물이 기후 변화 및 기타 생물학적 스트레스와 비생물학적 스트레스에 적응하는 것을 허용하지 않는다.^[44]

인구 증가와 더불어 식량 생산량도 증가해야 한다. 세계 식량 안보 정상회의 선언을 충족하기 위해 2050년까지 식량 생산량을 70% 증가시켜야 할 것으로 추산된다. 그러나 농지의 황폐화로 인해 단순히 더 많은 작물을 심는 것은 더 이상 실행 가능한 선택지가 아니다. 어떤 경우에는 식물 육종을 통해 토지 면적 증가에 의존하지 않고 수확량을 증가시키는 새로운 품종의 식물을 개발할 수 있다. 이러한 예는 아시아에서 볼 수 있는데, 1인당 식량 생산량이 두 배로 증가했다. 이는 비료 사용뿐만 아니라 해당 지역에 맞게 특별히 설계된 더 나은 작물의 사용을 통해 달성되었다.^[53][54]

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