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1 식물바이러스유전자원의특성및게놈분석현황 류기현서울여자대학교환경생명과학부식물바이러스유전자은행 Tel: / Fax: 목 차 1. 서론 2. 식물바이러스와유전자원 3. 식물바이러스게놈분석현황 4. 맺은말 5. 참고문헌

2 1. 서론 바이러스 (virus) 라는용어는동식물질병의병원체로서, 그리고, 컴퓨터에문제를일으키는대상으로서현재널리우리사회에서일상용어화되어있는단어중의하나이다. 최근의돼지에문제가되는구제역의병원체인 Foot-and mouth disease virus (FMDV) 가좋은예로될수있으며, 이들바이러스는인간을포함한동? 식물과조류, 곰팡이및세균등미생물에이르기까지거의모든생물체에병을야기하는주요한병원미생물이다. 또한, 바이러스는경제적손실및사회정치적이슈가종종되고있는사회적영향이큰미생물 (social pathogen) 이다. 바이러스는눈이나일반현미경으로는결코보이지않는미소한나노단위크기의존재로서, 종종우리는바이러스의크기를비교할때지구위에쥐한마리의크기정도로예를들곤한다. 바이러스는그구성성분이유전물질인핵산과이를보호하는단백질 (coat protein; CP) 로구성되며일정한모양을갖춘생물과무생물의이중적인성격을가지며, 자기복제를위하여고등한생물 ( 기주 ) 을고도로효율적있게이용하는절대활물기생균 (obligate parasite) 이다. 식물에기생하며식물에병을야기하는식물바이러스는농작물의곰팡이병이나세균병의방제는각종농약의사용으로병의방제효과가양호한반면, 직접적인유효농약이없는현실로서, 이들바이러스저항성식물육종이농업적으로매우중요한과제이다. 현재전세계적으로약 1,000여종이상의바이러스가벼, 맥류, 고구마, 감자, 배추, 토마토, 고추, 담배, 딸기등각종농작물과카네이션, 백합및난등각종화훼류의생산량및품질저하와품종퇴화등농업생산전반에걸쳐심각한경제적피해를주고있다. 특히최근에는식량및각종식물체등의국제교역량의증가로외국으로부터국내에존재하지않는병원바이러스의유입가능성으로인한피해의잠재력이증가하고있다. 또한, 선진외국을중심으로식물자원등유전자원의중요성이재평가되고있으며바이러스에의한피해가상상외로크다는것이인정되어바이러스의진단법개발, 저항성식물육성및바이러스유전자의기능규명등의연구가식물병리학을중심으로생화학, 분자생물학및유전공학등주변학문분야에서도활발히진행되고있다. 식물바이러스는바이러스퇴치용농약이없어예방적처치만이최선의방법이다. 동물바이러스, 특히, 인간의질병을일으키는바이러스의경우에는모든사람들이중대한관심을가지고그원인규명과치료연구에재력을집중하여첨단기술을적극적으로도입한결과비약적인발전이이뤄지고있다. 이에반해식물바이러스의경우에는이병식물의제거에의한점염원경로차단등에의한병원체를막는소극적인방법이이용되었고, 바이러스-식물체상호작용은부분적연구로한정되었다. 최근에는바이러스를방제하기위한연구가식물병리학분야는물론분자생물학, 식물학및유전공학등주변학문분야에서도점차이에대한연구가활기를띄고있다. 본총설에서는식물바이러스의유전자원으로서의특성과게놈분석현황을중심으로조사하였다.

3 2. 식물바이러스와유전자원 식물바이러스는약 1,000여종이분리보고되었으며, 이들중에서 90% 이상이유전물질을 RNA로가지는 RNA 바이러스이다. 1970년대말제한효소의발견등분자생물학의발달은 DNA 조작기술의발전을가져왔고, 뒤이어 RNA를 DNA로전환시키는역전사효소의발견은바로동물바이러스에서유래하였으며, 이후 RNA, 특히바이러스의유전자연구에새로운기틀을마련하였다. 각종동? 식물과미생물뿐만아니라바이러스의게놈염기서열의결정이나유전자원의축적과활용은전세계적으로현재와미래의국가의부를창출할수있는기반의척도로작용하고있다. 바이러스는그게놈의크기가다른생물체와비교시매우단순하며, 수백 bp - 수십 kb내에유전정보를담고있다. 국내에서도 80년대말부터바이러스의유전자원과경제적인측면의중요성이재평가되어현재는다양한연구팀에서식물바이러스학분야는물론생물학, 원예과학및분자생물학등주변학문분야에서연구가활발히진행되고있다. 현재까지국내에서보고된식물바이러스는약 120 여종이다. 국내식물바이러스의연구는분리동정이 70 % 이상으로서기초연구에집중되어있으며, 그다음으로진단법개발에대한보고가약 15 %, 유전자분석및저항성육종이 3 % 등으로요약될수있다. 식물바이러스학의연구는크게 4가지분야로요약될수있다. 주요농작물에서바이러스를동정, 분리하고, 그특성을규명하는것은바이러스학연구의근본이고가장중요한연구분야의하나이다. 또한, 바이러스유전자인 RNA에대한 cdna 합성과염기서열결정을통한바이러스유전자원확보와이에해석연구는바이러스의본질을분자적수준에서이해하는데매우중요하다. 이것은현재의분자생물학적기술을이용한바이러스복제기구나병원성해석연구와바이러스기원과관련된진화학적연구로의새로운가능성을제시하고있다. 또한, 식물에는아직유용한벡터가개발되지못했는데, 바이러스유전자를이용한벡터의개발도중요한연구대상이다. 정확하고신속한바이러스의진단은여러가지방제대책을추진함에있어서매우중요하고효과적이다. 한편, 바이러스의퇴치는현재분자생물학적방법을사용, 바이러스저항성식물을얻고자하는형질전환식물을이용하는방법이있다. 이것은바이러스방제뿐아니라유용물질의식물체생산등미래의농업에서매우중요한자리를차지할것으로생각되고있다. 한편, 식물바이러스는식물을기주로하므로바이러스의감염과증식기작, 전염, 이동방법및저항성등을연구하여농작물및기타유용식물의발병기작을규명하고주요병원바이러스를신속히진단하여방제법을모색하는것이가장중요한과제이다. 현재미동정된다수의바이러스가존재하고특히염기서열등유전자분석에서는바이러스종류나각계통자체가완전히새롭게재구성되는경우도있으므로앞으로해결해야할많은연구과제를안고있다고할수있다. 전술한바와같이바이러스의치료는현재까지는불가능한상태이며, 오직이에대한예방적방법이중요한데, 이와같은바이러스저항성식물의분자육종은대단히중요한과제라고할수있다. 그예로 TMV와동부모자이크바이러스 (cowpea mosaic virus, CPMV) 의경우담배와동부의저항성

4 품종들에서바이러스저항성품종과의교잡에의한저항성품종육성과바이러스유전자를식물체게놈내로형질전환하여바이러스저항성형질전환식물을개발하는방법으로감자, 호박등주요수종의식물에서는상용화단계에접어들고있다. RNA 바이러스의유전자발현은 1) subgenomic RNA, 2) multipartite genome, 3) polyprotein processing, 4) readthrough protein 및 5) translational frameshift의 5가지유형으로구분된다. 대부분의식물바이러스는적어도상기 2가지이상의유전자발현방식을함께사용하여바이러스의복제및유전자발현을실시한다. 동식물과미생물뿐만아니라바이러스유전자의염기서열결정이나유전자원의축적은전세계적으로현재와미래의척도가되고있다. 바이러스게놈에는복제효소 (replicase), 이동단백질 (movement protein' MP) 및외피단백질 (CP) 의 3가지필수유전정보발현산물을코딩하고있으며, 바이러스종류에따라게놈결합단백질 (viral protein genome-linked, VPg), 단백질분해효소 (protease) 및아직기능이밝혀지지않은단백질등이있다. 바이러스의세포-세포이동에관여하는단백질이 MP 이다. 식물바이러스의 MP 연구는 tobacco mosaic virus (TMV) 30K 단백질의연구가가장활발히진행되었다. MP는바이러스의단거리이동에관여하는단백질로서 TMV의온도감수성변이계통의유전자분석결과로밝혀졌다. TMV 30K MP는식물감염세포내에서감염초기에주로발현되고이후에는세포벽주위에집적되어있다. 이들은감염세포내에서원형질연락사 (plasmodesmata) 의기능을조절하거나바이러스입자혹은 RNA 분자와결합하여바이러스의세포간이동을유도하는것으로생각되고있다. 대부분의바이러스는 TMV 30K 단백질처럼한종류의 MP를가지지만 Potexvirus처럼 MP의기능을하는서로다른 3종의단백질로구성된 triple gene block도알려져있다. 이들 MP의기능연구는 TMV와 CMV 등에서야생형인 MP 유전자를변이시키거나결손돌연변이실험을통해서바이러스세포간이동과관여하고있다는사실을확인하였다. 바이러스의외피단백질 (CP) 은새롭게합성된바이러스 RNA를보호하는기능을가진다. 대량으로복제된바이러스게놈 RNA와바이러스 mrna로부터대량으로발현된 CP와의결합으로새로운바이러스입자의구성이감염세포내에서이뤄지게된다. CP는바이러스의장거리이동에도관여하는것으로알려져있다. 또한, 일부바이러스에서는 CP가병징발현및기주결정인자로작용한다고보고된바있다. 식물바이러스는식물에병을야기하는병원체로서, 바이러스를방제하기위한각종연구소재로분자육종용재료뿐만아니라최근생명공학기술의발달과함께고등식물체에서유용물질을생산할수있는유용한생명공학의응용소재로부각되고있다. 따라서, 식물바이러스는기초연구용, 진단및검역용, 첨단연구용및생물유전자원소재로식물분자생물학, 생화학, 식물학, 원예학, 식물병리학, 생명공학, 의학및약학등자연과학거의모든분야에서이용가능한중요한특수연구소재이다. 바이러스유전자원은주요작물의바이러스저항성육종시유전자변형생물체 (genetically modified organism; GMO) 의연구소재, GMO의동정및분석용유전자원, 수입농산물의식물검역연구소재, 바이러스유전자기능연구및신규유전자기능분석용소재, 고등생물의발현벡터의소재, 바이러스항체생산을위한항원소재및생명현상규명을위한

5 생물모델소재등학술적, 경제적및산업적활용성이매우높은연구소재로서, 국내유용바이러스유전자원의탐색및개발과확보된유전자원의관리체계화를통한국제경쟁력의확보와신규유전자원의개발과분류체계확립등이필요하다. 식물바이러스유전자은행 ( 은바이러스연구소재를개발하고국내외연구자에게이들을분양서비스하고개발된유전자원을수집보존하는업무를주요목적으로운영되는특수연구소재은행이다. 본연구소재은행은국내자생식물과재배식물, 그리고수입된각종식물에서유래하는바이러스유전자원을확보개발하며, 개발된유전자원의활용성증대를위하여다양한바이러스및관련유전자원을집중개발하고있다. 특수연구소재로서식물바이러스유전자원의활용범위 - 신규바이러스및변이체의동정, 계통분석등식물바이러스표준연구소재 - 주요작물의내병성스크리닝및바이러스저항성육종용유전자소재 - 유전자조작형질전환식물체의동정용및환경안전성분석용유전자소재 - 식물검역용표준연구소재 - 바이러스유전자기능탐색용연구소재 - 저항성기작규명및바이러스 - 식물체상호작용연구소재 - 고등식물의단백질발현바이러스벡터의소재 - 미동정유전자의대량기능탐색용바이러스연구소재 - 바이러스항체생산을위한항원소재 - 분자구조분석용및모델분자연구소재 - 유전자발현및조절분석용연구소재 - DNA 및 protein chip 모델소재 - 생명현상규명과나노바이오텍모델연구소재 이와같이식물바이러스유전자원은식물바이러스게놈에코딩된각유전자에대한 cdna 클론을비롯하여 full-length cdna 클론, 바이러스감염유도 cdna 유전자라이브러리등의유전자재조합자원등과바이러스항체, 바이러스원및 cdna chip 제작용 primer 및각종 probe등으로세분화될수있다. 바이러스연구소재는식물분자생물학, 생화학, 식물학, 원예학, 식물병리학, 생명공학, 의학및약학등자연과학거의모든분야에서이용가능한특수연구소재로국내생명공학분야의활성화에기여를할것으로기대된다.

3. 식물바이러스게놈분석현황 바이러스의전체게놈분석은 2002 년 6 월초현재, 873 종의바이러스 ( 표 1) 에서완료되었다. 식물바이러스의경우는선진국을중심으로약 500 여종이상의식물바이러스게놈의부분또는전체염기서열이결정되었다. 전체게놈에대한염기서열이결정된식물바이러스는 301 종이다 ( 표 2 참조 ).

6 3. 식물바이러스게놈분석현황 바이러스의전체게놈분석은 2002 년 6 월초현재, 873 종의바이러스 ( 표 1) 에서완료되었다. 식물바이러스의경우는선진국을중심으로약 500 여종이상의식물바이러스게놈의부분또는전체염기서열이결정되었다. 전체게놈에대한염기서열이결정된식물바이러스는 301 종이다 ( 표 2 참조 ). 이들을바이러스종류에따라분석한결과, DNA 를게놈으로가지는바이러스는 79 종 (retroid 바이러스 9 종, ssdna 바이러스 70 종 ), dsrna 바이러스는 3 종이며, ssrna 바이러스는 191 종에대한전체게놈분석이완료되었다. 이러한식물바이러스게놈의해석완료는동물바이러스의결과와단순비교를하더라도연구비와연구인력의상대적열악함을감안하면매우높은성과로평가된다. 식물바이러스게놈염기서열에대한정보는식물바이러스의분자생물학적분류에서중요한분류지표로활용되고있으며, 유전자진단에서활용가능하다. 또한, 각바이러스종간및종내변이계통들에대한진화적추적연구와기주적응성연구에필수적인데이터로활용되고있다. Table 1. List of viruses of full-genomic sequences has been completed Genome types Number of viruses Percentage (%) Retroid viruses (DNA,RNA) dsdna viruses ssdna viruses dsrna viruses (+) strand ssrna viruses (-) strand ssrna viruses unclassified viruses unclasified bacteriophages Deltavirus Satellites Total 1, Ref: NCBI (

7 Table 2. List of genus and species of plant viruses of full-genomic sequences have been completed Genome types Genus/family Number of virus species Retroid viruses (DNA) Badnavirus 4 Percentage (%) Retroid viruses (DNA) Caulimovirus 5 Retroid viruses (DNA) subtotal ssdna viruses Geminivirus 66 ssdna viruses Nanovirus 4 ssdna viruses subtotal dsrna viruses Reoviridae 3 dsrna viruses subtotal (+) strand ssrna viruses Allexivirus 4 (+) strand ssrna viruses Benyvirus 2 (+) strand ssrna viruses Bromoviridae 15 (+) strand ssrna viruses Capillovirus 2 (+) strand ssrna viruses Carlavirus 5 (+) strand ssrna viruses Closteroviridae 4 (+) strand ssrna viruses Comoviridae 15 (+) strand ssrna viruses Foveavirus 5 (+) strand ssrna viruses Furovirus 4 (+) strand ssrna viruses Hordeivirus 1 (+) strand ssrna viruses Idaeovirus 1 (+) strand ssrna viruses Luteoviridae 12 (+) strand ssrna viruses Marafivirus 3 (+) strand ssrna viruses Pecluvirus 1 (+) strand ssrna viruses Potexvirus 14 (+) strand ssrna viruses Potyviridae 32 (+) strand ssrna viruses Sequiviridae 3 (+) strand ssrna viruses Sobemovirus 6 (+) strand ssrna viruses Tobamovirus 13 (+) strand ssrna viruses Tobravirus 3 (+) strand ssrna viruses Tombusviridae 25 (+) strand ssrna viruses Trichovirus 2 (+) strand ssrna viruses Tymovirus 7 (+) strand ssrna viruses Umbravirus 3 (+) strand ssrna viruses Vitivirus 2 (+) strand ssrna viruses unclassified virus 1 (+) strand ssrna viruses subtotal (-) strand ssrna viruses Bunyaviridae 4 (-) strand ssrna viruses Tenuivirus 2 (-) strand ssrna viruses subtotal unclassified viruses 3 Satellites 25 Total Ref: NCBI (

8 4. 맺은말 우리들의주변에는많은바이러스가여러가지질병의원인이되고있는데, 각종암을비롯하여최근전세계적으로확산되고있는공포의질병인에이즈 (AIDS) 와구제역 (FMDV) 이대표적인예라할수있다. 또한식물에서는국내의경우고추, 수박등주요작물에서경제적피해가거듭되고있다. 바이러스학분야도유전자단위에서의연구가매우활발히이뤄지고있는데, 그예로바이러스재조합백신의개발, 유전자진단법의개발및활용, 바이러스저항성형질전환식물육성및상업화, 주요바이러스유전자클로닝및염기서열분석등과기초연구분야로각바이러스및기주체유전자의기능연구와상호작용에대한기전해석과고부가가치단백질의고등식물체대량생산을위한식물바이러스벡터의개발등이점차활성화되고있다. 특히, 21 세기식량자원의안정적인수급을위하여다양한작물에서각종병원바이러스에대한내병성식물의육종분야가선진국에서는이미상용화단계에있는현실이다. 즉, 바이러스는병원체로서의중요성뿐만아니라매우작은유전정보를가진전자현미경적나노생명체로서생명현상을이해하는데매우유용한연구소재이며, 고부가가치의유용단백질을식물체에서대량발현할수있는신규유전자원으로평가되고있다. 21 세기가다가오도록아직까지바이러스에대한완벽한해결의열쇠가주어지지않은상황이지만학문의발달과연구의부단한노력은결국은인간으로하여금바이러스를방제할것으로기대한다. 5. 참고문헌 Audy, P., Palukaitis, P. and Slack, S.A. Replicase-mediated resistance to potato virus Y in transgenic tobacco plants. Mol. Plant-Microbe Interact. 7, (1994) Beier, H., Siler, D.J., Russel, M.L. and Bruening, G. Phytopathology 61: (1977). NCBI Wilson, T.M.A., and Watkins, P.A.C.: Virology 149, (1986) Wolf, S., Deom, C.M. and Beachy, R.N.: Science 246, (1989) Yamaya, J., Yoshioka, M. and Meshi, T.: Mol. Gen. Genet. 315, (1988) Zaitlin, M. and Hull, R.: Plant Physiol. 38, (1987)

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