7. 종속간교잡육종법 (Breeding by inter-specific and generic hybridization; Introgression breeding) : 유용유전변이를다른종 ( 種 ) 또는다른속 ( 屬 ) 으로부터도입하는육종법 다른 genome--- 결국 alien chromosome( 외래염색체 ) 로부터 * genome: 생물이생존하는데필요한최소한도의염색체 1 군 (set) ㅇ일반품종간교잡 ; inter-varietal hybridization-- 보통의교잡육종법의미 종간교잡 ; " -specific " 속간교잡 ; " -generic " * 원연간교잡 ; wide hybridization < distant hybridization < remote hybridization ( 아종또는종간 ) ( 종간, 절간 ) ( 속간, 과간 ) * but 혼동사용 * intersectional hybridization ** 식물분류 kingdom > division > class > order > family > tribe > genus > section > series > species > variety 界門綱目科족 ( 族 ) 속 ( 屬 ) 절 ( 節 ) 열 ( 列 ) 종품종 1. 종속간교잡시문제점과대책 (1) 잡종식물이전의불화합의양상및극복책 가. crossing barrier (cross incompatibility) 존재 ( 교잡장벽 ) ( 교잡불화합성 ) 현상 : - 화분불발아, 화분은발아하나배낭까지도달못함, - 배낭까지도달하나수정안됨, * 원인 : 발아및화분관신장에에필요한물질결여또는 억제물질의존재 --- 유전물질의相異로 (SI 와유사기작 ) 극복 : hormone 처리 (Auxin, GA 류 ), -ray 처리로일부극복, 기내수정 Hormone 처리예 ) H.vulgare( 보리 ) x H.bulbosum( 야생보리, 2, 4) 교잡시 - 2,4-D 100 ppm 을제웅당일부터수분전일까지주입 (Panicle axis 에주사 ) - GA 3 75 ppm 을수분다음날 1-3 회 spray - 교잡 14 일째 embryo rescue 나. zygote 의 degeneration (hybrid inviability) --- 수정란퇴화 ; 잡종생존불능 현상 : 교잡후수정되어배가자라다가퇴화됨 * 수정하나 zygote 발육못하거나교잡후수정되어배가자라다가 퇴화되는원인 : 세포, 조직의미세대사과정문제 극복 : embryo rescue 로일부극복 ( 종자발육시퇴화 ) 다. 기타불화합극복방법 (Briggs and Knowles) 유전물질의 유전적, 세포질적불일치 불균형 ==> 생육의일정 시기에발현 ( 후대不형성 ) < ( 종자 or 식물체 ) ㅇ교량교잡 (bridge cross): 재배종이이전코자하는특성을보유한종, 속또는아종과
직접교잡이안될때재배종과특성보유종양쪽모두에교잡가능한제3의종또는아종을이용하는교잡법. ㅇ품종별로종간교잡반응이다를수있다. : 다수의품종교잡ㅇ교배방향을바꿔서교배한다. 무 (18) x 배추 (20) --> 배추 (20) x 무 (18) --> O, 염색체수가많은것을자방친으로ㅇ화주와주두의생육시기에따라성패가달라질수있다. --- 화분관의신장속도가느린경우 * bud-pollination ㅇ자방친으로쓰일종을화분친으로쓰일종의대목에 grafting후교배ㅇ배수성이다를경우염색체배가후교배하면성공 Trefoil 종간교잡 Lotus corniculatus(2n=24) x L. tenuis(2n=12) ==> ( 클로버류 ) (doubling) " x " (2n=24) ==> O ㅇ Mixed pollination cotton(gossipium속 ) 의종간교잡에서교잡종자부족으로다래 ( 삭 ;boll) 가성숙되기전에탈락실패 ==> 자방과동일종의화분을약간씩 (6-12grains/boll) 먼저수분한후異종의화분을대량수분 ===> boll탈락안함, 교잡된종자중크기가약간작은것들은종간잡종종자이었음. ㅇ종간잡종식물체를동일종또는동일속의다른종에접목하여성공 sweet clover의 Melilotus alba x M. dentata ---> hybrid는엽록소결핍증 -->died (: hybrid inviability) ===> hybrid seedling을 M.alba와 M.officinalis 대목에접목 ==> 성공 (2) 종속간잡종 F 1 식물체의불임현상 : F 1 식물체의종실완전또는부분불임 * 원인 : 1 감수분열시염색체의정상적인대합 (pairing) 불가 ( 염색체의상이, multivalent 형성, Criptic structural hybridity, 또는 chromosome pairing gene 결여 ) 2 염색체의구조적차이 Inversions, reciprocal translocations Criptic structural hybridity --- 이중역위에의해유전자배열이달라져서다른종 ( 동일한유전자를보유하면서형태적으로는같은 ) 이되고그잡종 F 1 에서는식물체는완전정상 ( 양친종과형태적으로동일 ) 이지만배우자들이 viability에중요한유전자를소실하여불임이되는현상이있는데, 이렇듯염색체의미세한차이 ( 현미경으로감지어려운 ) 에의해잡종불임이되는것을 c.s.h. * 생물학적종간의결정적구분요인 : reproductive isolation. * sibling species
** 이런 C.S.H. 가여러염색체에서, 염색체의여러부분에서다수발생 ---> 대부분의 gametes 가불임가능성 3 유전적원인 : 화기결여감수분열미발생 ( 자방또는화분 ) n 불임관여유전자의존재 : S 5 locus( 벼 ) 극복 : backcross chromosome doubling (3) F 1 의 weakness 또는 hybrid breakdown a. F 1 의 weakness(hybrid weakness) : 생육의전시기또는특정시기에 chlorosis, necrosis, dwarfism 등이일어나서잡종식물체가생활력이빈약해지는것. --- complementry dominant weakness genes b. Hybrid breakdown: F 1 은거의정상이었지만 F 2 또는그이후의자식세대에서 weakness나 sterility가일어나는현상 --- complementary system으로설명예 ) A 는 B와, a는 b와같이있을때형질발현 ( 생활력과직결된 )
AAbb x aabb --- 정상 ( 종 1) ( 종 2) (F1) AaBb --- " (F2) AB, Ab, ab, ab weakness or sterility를 나타냄 ( 벼의아종간교배후대에서 hybrid breakdown 계통발생 ) (4) 기내수정, 배배양가. In vitro fertilization(pollination)( 기내수정, 기내수분 ) ; crossing barrier 방지기술 ( 화분은무균상태로채집유지사용, 보통은배지에서발아시켜서사용 b, c 의경우는필수 ) a. Sigmatic pollination( 주두수분 ); 자방친 ovary의불임장벽제거목적 --- ovary culture 후수분시킴 b. Stylar pollination( 화주수분 ); stigma까지의불임장벽제거목적 --- ovary culture 후주두를잘라낸화주에수분시킴 c. Placental pollination( 태좌수분 ); style 까지의불임장벽제거목적 --- 배주 (ovule) 를나출시켜수분시킴 (Gengenbach, 1977) 나. Embryo culture ( 배배양 )---embryo rescue; zygote의 degeneration 방지기술 ----인공수정후 12-14일정도의배를적출하여배지에서발아, 육묘하고보통재배하여 F1 식물체획득
ㅠ (Coconut 의배배양 ) 2. Genome 融合法 (1) 교잡에의한복 2 배체 (amphidiploid) 육종법 * Polyploid 로서정상종실임성을확보할수있는방법 * 1 이종, 이속 ------> 잡종식물체의획득 ------> 잡종복2배체교배염색체배가 AA, BB AB AABB 2 이종, 이속 ------> 4배체의이종, 이속 ------> 잡종복2배체염색체배가교배 AA, BB AAAA, BBBB AABB ( * 4 배체간의교배성공율은낮으므로보통 1 의방법을사용한다. 그러나이종, 이속의 2 배체간직접교배가되지않는경우는 2 의방법을 사용하기도한다.) 예 ) ㅇ재배밀 ( 빵밀 ): AABBDD (amphidiploid, allohexaploid) (Triticum aestivum, 전에는 T. vulgare) AABB x DD (T. turgidum) (T. tauschii)(1립계 ) : 자연상태에서종간 (2립계) ( 전에는 Aegilops caudata) 잡종후 genome 배가됨. AA x BB (T.monococcum) (?)--Agropyron속? extinct species? (1립계) ㅇ Triticale: AABBDDRR, AABBRR (Troticosecale) T.aestivum(AABBDD) Secale cereale(rr) ABDR 염색체배가 AABBDDRR (2n=56) T.turgidum(AABB) Secale cereale(rr)
ABR 염색체배가 AABBRR (2n=42) o 배무채 : 교배후소포자배양및선발고정 ( 이수성교수님개발 )
(2) 체세포융합법 (Cell fusion, Protoplast fusion) ; 인공교잡이안되는종, 속, 과등간에잡종식물획득이목적 ( 과정 ) a. Callus( 보통 ) 또는식물체조직으로부터세포의單離 --- 원형질체나출 ; using cellulase + pectinase b. 원형질체의융합 ; PEG(polyethylene glycol), 전기충격 (electroporation) high voltage c. 융합세포의배양 --- 융합된것과안된것혼재 < 잡종세포의선발 >---어려움 ; marker, selective media 이용 d. 식물체재분화및잡종식물체의선발 ( 종류 ) ㅇCell hybrid ( 체세포잡종 ): nucleus의 hybrid 얻기가어렵다. --- cell cycle의문제등 * Pomato = potato (Solanum tuberosum) + tomato (Lycopersicum esculentum) ㅇCybrid ( 세포질잡종 ): cytoplasm의 hybrid Mt DNA, Cp DNA--- CMS, 저항성 (corn의 leaf blight) 등 Species A Species B Cell fusion Nuclear hybrid Cell hybrid Cybrid Pomato = potato + tomato (1978, 독일막스프랑크 )
3. 염색체또는유전자도입법 (Introgression breeding) ; genome level 이아닌 chromosome level 에서종속간염색체또는그일부분, 유용유전자 의이동을목적 (1) 교잡과약배양에의한일부염색체치환또는도입 가. 치환 나. 도입 종속간교잡 genome AA x genome BB (2n=24) (2n=24) 종속간교잡 genome AA x A B --- 약배양 ===> n IA + n IB (n=1~12) (12 IA + 12 IB) genome BB (2n=24) (2n=24) 염색체배가 2n=24 ( n IIA + n IIB) : 兩종 genome 의 A B ----- 염색체배가 (AABB) x genome AA (12 IA + 12 IB) (12 IIA + 12 IIB) 12 IIA + 12 IB 염색체가일부씩관여 약배양 ==> 12 IA + n 1B (n=1~12) 염색체배가 12 IIA + n IIB (n=1~12) A genome 에다가 B genome 의염색체몇개가도입됨. O. sativa (12 II S) Dihaploid hybrid (12 I S + 12 I O) Anther culture O. officinalis (12 II O) Haploid substitutions (nis + nio, n = 0-12) Chromosome doubling O. sativa (12 II S) Dihaploid hybrid (12 I S + 12 I O) O. officinalis (12 II O) Chromosome doubling Amphidiploid O.sativa (12IIS+12IIO) (12IIS) Backcross hybrid (12IIS + 12IO) Anther culture Haploid alien addition lines (12IS + nio, n=0-12) Chromosome doubling Diploid substitutions (niis + niio, n = 0-12) (A) Diploid alien addition lines (12IIS + niio, n = 0-12) (B) Fig.. Examples of breeding scheme of alien chromosome substitution(a)- or addition(b)-lines using anther culture technique with Oryza sativa and O. officinalis. (Chu, 1982)(Rice Tissue Cul. Plan. Conf.:47-53)
(A) Oryza sativa Oryza officinalis (B) Oryza sativa Oryza officinalis Parents Parents F1 F1 Chrom. doubling Random combination of chromosomes into gametes 1~12 I S +1~12 I O Haploid plants Anther culture BC with O. sativa BC1F1 plants 12 II S + 1~12 I O Anther culture Diploid plants (chrom. -substituted) Chrom. doubling Haploid plants Diploid plants (chrom. -addition) Chrom. doubling (2) 이수체 ( aneuploid, heteroploid ) 를이용한염색체치환 a. 이수체의작성 * 이수체 : 염색체가 1-2개씩증감한식물체 2n-2 ; 영염색체, 이중일염색체식물 ; 일염색체식물 2n ; 정상식물 (disomics) 2n+1 ; 삼염색체식물 2n+2 ; 이중삼염색체, 사염색체식물등 ---- 식물체의형태적특성도달라지게됨 ; 옥수수, 보리, 밀, 호밀, 벼, 등 - 돌연변이 : 자연, 인위 - 염색체배가와교잡등 2n > 4n x 2n ( 배가 ) 3n x 2n 여러형태의이수체를염색체관찰로선발
(rice trisomics 8) b. 염색체치환--- Monosomics, nullisomics 이용 (Cytogen. of aneuploids :229-) 재배종의 Monosomics, nullisomics 이용하여야생종의염색체를치환 i) Monosomics 이용 : A 염색체를도입하고자 반복친 a x A () A (2n) F 1 A, A x a a () () (2n) BC 1 F 1 A, ( ), A x a (but 이경우화분을통해서 a (2n-2) () Mono. 이전달될가능성 4% (2n) ===> 실패위험 ) ( a ) Mono. 선발하면서연속 BC후 selfing하고 () disomics 선발 - 해당염색체의 marker gene 이용 ( A 와 a 의구분시에 ) * 해결책 : Mono.(A) F 1 (BC n F 1 ) 을 selfing 시켜서 F 2 에서 disomic(aa) 을 선발하고이것을 male 로 mono.(a) 에여교잡하면됨 (but 매 BC 마다 1 세대씩연장됨 )
반복친 (monosomic) 2n F 1 BC1 BC 1 F 1 2n 2n-2 BC2 BC 2 F 1 2n 2n-2 BC3 BC n F 1 2n 2n-2 Selfing 및선발 2n ( 염색체치환계통 ) 반복친 (monosomic) F 1 BC1 F 2 BC 1 F 1 BC2 BC 1 F 2 BC 2 F 1
ii) Nullisomics 이용 반복친 ( ) x A A ( ) x A ( nulli 는보통 MS) 계속 BC 후 mono F 1 ( A ) 을 selfing 시켜 disomic 선발 (* 이경우는화분을통하여 A 가전달되지않을가능성有 --> Mono-A F 1 (BC n F 1 ) 을 selfing 시켜서 F 2 에서 disomic(aa) 을선발하고 이것을 male 로 ( ) 에여교잡하면됨, but 매 BC 마다 1 세대씩연장됨 ) (3) 이종이속의유전자도입 (introgression breeding; 특정유전자만도입하는것 ) 가. 일반적 : 재배종을반복친으로여교잡하여특정형질 ( 유전자 ) 도입 --> 염색체대합이일어날경우여교배육종법에서와동일 나. 염색체대합이전혀안되거나 linkage drag 가우려될경우, 방사선처리동원. : 종속간교잡 ( 또는세포융합 ) --> 염색체배가 --> 여교잡 -----> 방사선처리로 ( 선발 ) 염색체전좌유발 --> 여교잡또는자식후대에서유전자도입된개체선발 예 ) N. tabacum(tt) 에 N. rependa(rr) 의 TMV 저항성도입과정 (bridge cross 이용 ) * TTxRR, RRxTT 는교잡이안됨. N. sylvestris(ss) 는 N. tabacum(tt) 과 N. repanda(rr) 모두에교잡가능하여서 bridge 로이용 RR x SS ( 저항성보유 ) RS 염색체배가 RRSS x TT (N.tabacum) RST 염색체배가 RRSSTT x TT (N.tabacum) 여교잡 RSTT x TT (N.tabacum) 여교잡 여교잡및특성검정 계속 TT(R') 방사선처리 전좌유도 ----------> 선발 ( 자식 or BC) TT (TMV 저항성보유 ) 계통육성