인간과식량 Human and Foods 친환경식물학부유기농생태학전공황선구
5 장작물의품종개량 작물의육종목적, 육종방법, 유전자원과작물육종 참고 :
육종방법 1. 자식성작물의육종 자식성작물은같은꽃또는개체의꽃가루에서수정하는작물. 벼과작물 : 벼, 밀, 보리, 귀리, 수수, 조등 콩과작물 : 콩, 녹두, 완두등 산업작물 : 담배, 목화, 아마, 황마등 원예작물 : 가지고추상추등 사료작물 : 토끼풀등
작물의품종개량 1) 순계선발 분리육종 : 재래종집단에서우량유전자형분리, 품종육성. 자식성작물 : 개체선발을통해순계육성. 타식성작물 : 집단선발에의하여집단개량. 자식성작물의재래종은재배과정에서타가수분, 자연돌연변이, 다른품종의기계적혼입등에의하여다양한유전자형, 대부분자식을해서동형접합체. 순계선발 : 재래종집단에서우량한개체 ( 유전자형 ) 를선발후계통재배하면순계를얻을수있음 생산성및지역적응성검정을거쳐우량품종으로육성예 ) 벼 ( 은방주 ), 콩 ( 장단백목 ), 고추 ( 풋고추 ) 등은모두순계선발
작물의품종개량 2) 교배육종 재래종집단에서우량유전자형선발할수없을때, 인공교배로새로운유전변이를만들어육성하는방법. 대부분이이에해당. 잡종세대취급방법에따라계통육종, 집단육종등으로나뉨. 계통육종 : 인공교배를통해 F 1 에서 F 2 F n 등을만들어선발및재배를반복하면서우량유전자형순계를육종하는방법. 계통육종은잡종초기부터계통단위로선발하므로육종효과가빨리나타나는이점. 효율적선발방법이필요.
작물의품종개량 2) 교배육종 재래종집단에서우량유전자형선발할수없을때, 인공교배로새로운유전변이를만들어육성하는방법. 대부분이이에해당. 잡종세대취급방법에따라계통육종, 집단육종등으로나뉨. 계통육종 : 인공교배를통해 F 1 에서 F 2 F n 등을만들어선발및재배를반복하면서우량유전자형순계를육종하는방법. 계통육종은잡종초기부터계통단위로선발하므로육종효과가빨리나타나는이점. 효율적선발방법이필요.
작물의품종개량 3) 여교배육종 여교배육종은우량품종에결점이있을때이를보완하는데효과적육종방법. 여교배는양친 A 와 B 를교배한 F 1 을양친중어느 하나와다시교배. 여교배를한잡종은 BC1F1, BC1F2 등으로표시. 여교배를여러번할때처음한번사용하는교배친을 1 회친이라하고, 반복해서사용하는교배친을반복친이라고함. 연속적교배후이전하려는 1 회친의특성만선발하므로육종효과확실, 높은재현성. 목표형질이외의다른형질개량이어려움.
작물의품종개량 2. 타식성작물의육종 타식성작물은다른개체의꽃가루에서만수정 식량작물 : 옥수수, 호밀, 메밀, 감자, 고구마등 산업작물 : 참깨, 해바라기, 사탕무등 원예채소 : 고추, 당근, 딸기, 수박, 배추등 원에과수 : 바나나, 파인애플등 사료작물 : 자주개자리, 큰김의털등 타가수분을하므로대부분이형접합체.
작물의품종개량 타식성작물육종특징 근교약세 ( 자식약세 ): 인위적으로자식시키거나큰친교배를하면작물체생산량과생육이떨어짐 근교약세의원인은이형접합체가동형접합체로되고이형접합체의열성유전자가분리되기때문. 잡종강세 : 타식성작물의약세화한작물체또는빈약한자식계통끼리교배하면그 F1은양친보다왕성한생육. 근교약세의반대현상. 자식성작물에서보다타식성작물에서많이나타남.
작물의품종개량 1) 집단선발 타식성작물의분리육종은순계선발을하지않고근교 ( 자식 ) 약세를방지하고잡종강세를유지하기위해서집단선발이나계통집단선발을함. 타식성작물의품종은타가수정에의하여불량개체나이형개체가분리도기때문에반복선발필요. 2) 순환선발 순환선발은우량개체선발후상호교배를통해집단내우량유전자빈도를높이는 방법, 단순순환선발및상호순환선발이있음.
작물의품종개량 3) 합성품종 합성품종 : 여러개의우량계통 (5~6개의자식계통사용 ) 을격리포장에서자연수분또는인공수분으로다계교배 ( 여러개품종이나계통을교배 ) 시켜육성한품종 여러계통이관여, 세대가진전되어도비교적높은잡종강세가나타나고유전적폭이넓어환경변동에대한안정성이높고자연수분에의하여유지되므로채종노력과경비가절감. 합성품종은영양번식이가능한타식성사료작물에서널리이용.
작물의품종개량 3. 영양번식작물의육종 영양번식작물은고구마, 감자, 바나나처럼배수체가많으며, 감수분열때다가염색체를형성하므로불임률이높아종자를얻기어렵고, 종자로부터발생한작물체는비정상적인것이많다. 영양번식작물은동형접합체는물론이형접합체도영양번식에의하여영양계의유전자형을그대로유지할수있다. 따라서영양번식작물은영양계선발을통해신품종을육성한다. 영양계선발은교배나돌연변이에의한유전변이또는실생묘중에서우량한것을선발하고삽목이나접목등으로증식하여신품종육성.
작물의품종개량 4. 1대잡종육종 1대잡종육종은잡종강세가큰교배조합의 1대잡종을품종으로육성하는방법. 1대잡종품종은수량이높고균일한생산물수확가능. 우성유전자이용유리 매년새로운 F 1 종자를파종하므로종자산업발전 1대잡종품종은옥수수, 배추, 무등타식성작물에서이용시작. 1대잡종육종은잡종강세가큰교배조합선발과 F1종자를대량생산할수잇는채종기술이중요. 자가불화합성과웅성임성을이용하여 F 1 종자생산
작물의품종개량 1) 품종간교배 1대잡종품종의육성은자연수분품종간교배또는자식계통간교배또는여러자식계통으로합성품종을발달. 자연수분품종끼리교배한 1대잡종품종은자식계통을사용하였을때보다생산성은낮으나, F1종자의채종이유리하고환경스트레스에적응성이높다는이점. 자가불화합성으로자식이곤란할때주로이용
작물의품종개량 2) 자식계통간교배 1대잡종품종의잡종강세는이형접합성이높을때크게나타남. 동형접합체인자식계통을육성하여교배친으로사용 자식계통육성은우량개체를선발후 5-7세대동안자가수정 육성한자식계통은자식또는형매교배에의해유지, 다른우량품종과교배를통해능력개량 자식계통이용 1대잡종품종육성방법 : 단교배, 3원교배, 복교배등
작물의품종개량 3) 조합능력 조합능력이란 1대잡종 (F 1 ) 이잡종강세를나타내는교배친의상대적능력 ( 일반조합능력, 특정조합능력 ) 일반조합능력 자식계통이다른검정계통과교배되어나타나는 1대잡종의평균잡종강세 특정조합능력 특정교배조합의 F 1 에서만나타나는잡종강세
작물의품종개량 4) 1대잡종종자채종 1대잡종종자 (F1) 채종 : 인공교배또는웅성불임성또는자가불화합성이용 인공교배작물 : 오이, 수박, 호박, 멜론, 참외, 토마토, 가지, 피망등 웅성불임성이용작물 : 당근, 상추, 고추, 쑥갓, 파, 양파, 옥수수, 벼, 밀등 자가불화합성이용작물 : 무, 양배추, 배추, 브로콜리, 순무등
작물의품종개량 5. 배수성육종 배수체의특성을이용하여신품종육성 3배체이상의배수체는 2배체에비하여세포와기관이크고, 병해충저항성증대, 함유성분이증가하는등의형질이변화 배수체발달방법 : 생장점에콜히친처리 ( 밀의 6배체 ), 조직배양의배수성세포재분화
작물의품종개량 6. 돌연변이육종 기존품종의종자또는식물체에방사선 ( 엑스선, 감마선, 베타선등 ) 또는화학물질 (EMS, NMU, DES, NaN 3 등 ) 을처리하여변이를일으킴. 7. 생물공학적육종 1) 조직배양 세포, 조직, 기관등에서완전한식물체재분화하는기술 원연종ㆍ속간잡종육성, 바이러스무병식물생산, 인공종자개발등에이용. 종ㆍ속간잡종육성 : 기내수정으로얻은잡종의배배양또는배주배양, 자방배양을통해종자를얻음
작물의품종개량 식물의생장점배양 : 세포분열속도가빨라바이러스가증식못해무병식물을개발가능. 인공종자 : 체세포의조직배양된체세포배를캡슐형태로만든것. 2) 세포융합나출원형질체를융합한후배양하여식물재분화. 다른식물종의세포융합으로얻은재분화식물체를체세포잡종이라고한다. 보통유성생식에의한잡종은핵잡종, 체세포잡종은핵, 세포질모두잡종종ㆍ속간잡종육성, 유용물질생산, 유전자전환, 세포선발등에이용
작물의품종개량 3) 유전자전환 다른생물의유전자를분자생물학적기술또는물리적방법에의해삽입한형질전환식물을육성하는기술 원하는유전자만삽입가능 세균의유전자를도입한내충성품종및제초제저항성품종이이에해당. 형질전환식물은잠재적인위험성을가지고있어사용에주의. 콩, 옥수수, 목화, 유채가세계 4대 GMO 식물.
작물의품종개량 유전자원과작물육종 작물육종은생산량을늘려식량수용에공헌을하고있지만농업유전자원의단일화ㆍ획일화가증가하는현상을초래. 이는유전적다양성감소의원인및환경변화등에대하여취약 1. 유전적다양성의감소 고등식물은복잡한유전적구조를가지고많은수의유전자가복잡한상호작용을통해작용. 집단선발의전통방법은종의게놈함량의변화를통해다양한식물육종.
작물의품종개량 현대작물육종은특정형질 ( 예 : 잡종다수확등 ) 에집중된개량형태를띈다. 잡종다수확품종이종자시장을장악했으며, 유전적으로균일한식물이넓은지역에파종. 식량은점점좁아지는유전자원집단으로부터생산. 유전적다양성이감소된유전적침식이발생 유전적다양성은작물육종의재료가되며이러한다양성이감소하면미래작물육종에악영향을미칠수있음.
작물의품종개량 2. 유전적취약성 유전적다양성감소는유전적취약성문제유발. 예 ) 넓은지역의식물에대한병충해대발생, 이상기후에의한식물소멸등 병충해집단은짧은생주기로인해빠른진화를보이며병충해저항성식물에빠르게적응. 유전적획일성의위험에대한예 ) 영국의감자역병, 1846 년감자역병이영국재배감장의반을파괴. 이때영국은 기근으로인구 25% 가이민. 이때영국에서는두품종의감자만을재배
작물의품종개량 3. 인간간섭의의존증가 현대작물의잡종품종은농장의제한 ( 농약, 비료등의투입이나농기계사용등 ) 없이는재배불가능. 잡종품종의종자는종자와함께농약비료사용량과재배방법이명시. 전통적재배기술에대한지식의손실우려 4. 다른유전자원의유실 작물의야생종은새로운변이를위한재료로써중요. 병충해대량발생과같은경우작물육종을위하여사용가능. 하지만, 산림벌채나개발등으로야생식물자원들이급속히사라지고있음.
5 장작물의품종개량 작물의육종목적, 육종방법, 유전자원과작물육종 참고 :
녹색혁명용어의기원 1968년워싱턴DC에있었던국제개발협회회의, 미국제개발처국장윌리엄가이드. 파키스탄, 인도, 필리핀, 터키에서의기록적인수확량을언급하면서 이런성과와농업분야에서의다른발전들은새로운혁명이일어났음을의미한다. 그것은소련같은폭력적적색혁명이아니며이란같은백색혁명도아니다. 나는그것을녹색혁명이라부르겠다. 냉전시대와완벽히맞아떨어져이용어는전세계로빠르게퍼져나감
녹색혁명 농업분야에서, 품종개량등새로운농업기술의도입으로많은수확을올리는농업상의모든개혁을이르는말 특히 1960년대개발도상국에서일어난, 농작물의대량생산으로인한비약적인식량생산력의증대. 1944년미국의지원을받아멕시코에서밀생산량이획기적으로증가한것이그시초
1960년대이후미국을중심으로, 품종개량등의관련연구가활발히진행되고식량부족에직면한개발도상국들이적극적으로이기술을도입하면서세계적으로농업생산량이획기적으로증가하게됨 이변화는농업생산량의증가를가져온동시에많은관개시설의확장, 잡종씨앗의배포, 화학비료및농약의사용확대를가져옴 녹색혁명의핵심은품종개량성과품종개량종자는관개시설, 화학물질과패키지로될때에만성공적 즉농자재산업화에기반을둔농업현대화가필요
새로운밀, 옥수수, 벼종자는생육속도빠르고관개와질소비료에훨씬잘반응 수확량뚜렷하게많았음 인도수확량은 2배가까이증가, 쌀생산량은연간 6000만톤에서 1억5,000만톤으로증가 이고성능작물은아시아벼경작지의 75%, 아프리카밀경작지의절반, 남아메리카옥수수경작지의 2/3이상차지하게됨 제 3세계경작지의 40% 에서뿌리를내렸다고추정됨
기술개발성과 1) 녹색혁명가 ) 정의 William Gaud( 미국 AID 국제개발협회총재 ) 1968년에처음사용 반단간다수성신품종개발 관개, 시비, 농약, 기계화등자원을이용획기적수량증가 녹색혁명은 Rockefeller, Ford 및개발도상국가의재정적지원을받은국제연구기관농학자들의연구성과 식물자원의개량을통한인류의기아문제해결 Norman Borlaug이핵심적역할 : 1970년 Borlaug의 Novel 평화상수
노먼블로그 (1914~2009) 녹색혁명의아버지 미국의병리학자 / 식물육종가 Rockefeller 재단에합류 (1944) 멕시코 CIMMYT의밀연구원 1970년에노벨평화상 노벨평화상, 미국대통령자유메달, 미국의회금메달을모두받은다섯명중한명
녹색혁명이후밀의작아진신장
나 ) 녹색혁명을위한생산기술의두요소 품종개량 ( 육종 ) 다수성, 고품질, 고기능성, 환경적응 복합내재해 : 병, 충, 기상재해 유통가공우수성, 우수한맛과향기 재배기술 ( 재배 ) 저비용, 생력화, 자동화, 고효율 최적시비관리및물관리, 최적병충해방제, 최적수확후관리
다 ) 녹색혁명의성과 곡물생산의획기적증가 멕시코의밀생산량 30만톤 260만톤으로획기적인증가 세계의식량생산은 1950년의 1억4천만톤 1990년에는 17억톤으로증가 재배기간연장및경지의증가 한발저항성품종재배로재배가능면적증가 다모작체계의확대 비료와관개의결합으로안정적생산가능 사회적효과 (1960년 ~ 1990년 ) 식량생산 1000% 증가, 일인당열량소비량 25% 증가
라 ) 한국의녹색혁명 1960 년대이전의수도작 근대적품종개량사업 : 1906 년수원에권업모범장이설립된이후본격적인 도입육종 (1938 년까지재배면적의 85% 가도입품종 ) 중앙농업시험장 농사원 농촌진흥청으로개편으로품종개량사업의규모확대 1960 년대이후의벼품종개량 1960 년대후반의주요장려품종 ( 육성품종 + 도입품종 ) 재배품종의문제점 : 도열병과호마엽고병 ( 깨씨무늬병 ) 에이병성, 장간으로도복에 약하고내비성이약함 도입품종의확대시대 (1965 년이후 ): 에집트의 Nahda, 일본의메네히까리, 아끼바레, 야마비꼬등
벼단간수중형 통일벼 육성 1968년한국연구자에의해서새로 IR 667-98 개발 1970년전국 48개소에서연락시험을실시 겨울에필리핀에서 4.3톤의종자생산 1971년초 IR 667-98 계통중에서가장우수한계통을 통일벼 로명명 1972년전국55개소에서집단재배실시 1974년부터 IRRI을통한신품종대량생산사업실시 : 새로개발된품종 유신, 밀양21호 등 105톤생산도입, 10년간대량종자증식사업추진
통일계품종의수량성 시험장평균 30% 증수 (420 kg/10a 540 kg/10a) 농가평균 34% 증수 (351 kg/10a 471 kg/10a) 통일벼의특징 단간수중형, 내비다수성, 생산구조의개선 ( 투광성, 엽신비율이높다 ) 광지역환경적응성 ( 지역간출수일수의변이가적음 ) 재해안정성 ( 병과해충, 도복피해등 ) 녹색혁명의달성 1974 년쌀 30,000 만석생산 (432 만톤, 100%) 1976 년쌀 34,000 만석생산 (490 만톤, 113% 증수 ) 1977 년쌀 40,000 만석생산 (576 만톤, 192% 증수 )
녹색혁명의성과 쌀의자급 농민들에게과학영농기술보급 재배기술의개선 : 비닐보온못자리, 시비량증가, 규산질비료시용등 벼재배시기의이동 : 6월10일 5월20일 국력배양과국위선양 : 옥수수의녹색혁명 ( 수원 19호등개발보급 ) 통일벼와관련된문제점 쌀의 Amylose 함량이많아밥맛저하 적고현상, 백엽고병 ( 흰빛잎마름병 )
녹색혁명이후새로운문제 선호품종의변화 ( 다수성통일형 고품질의기능성품종 ) 투입재 ( 비료, 농약등 ) 의조절필요 저투입친환경 생산비증가와환경문제의증가 생산성증가속도의둔화 도시화에따른경지의감소 농업인구감소와노동력부족
녹색혁명이후세계의문제 녹색혁명은굶주림으로부터세계를구해낸공은인정 ( 녹색혁명은칼로리혁명으로보면달성 ) 북반구기업들의종자와화학농자재의독점화 남반구농업생물다양성 90% 손실 석유기반농업경제로의전지구적전환 수백만농민들의열악한한계지로의이주, 숲의감소, 도시빈민가급증 굶주림으로부터구해낸사람들만큼이나많은수의굶주리는사람들을만들어냈음
녹색혁명의이익불균등 녹색혁명은농자재산업을기반으로한현대화로써자본이없는사람들은더욱굶주리게했음 녹색혁명시기에중국의기아인구는 4억명에서 1억 8000만명으로뚜렷이감소 ( 고성능작물재배의성과가국민에게공평하게분배되었기때문 ) 중국이외의국가에서는녹색혁명으로부터얻은이익이고루분배되지않았음 전세계적으로기아인구는 11% 증가
GMO란? 녹색혁명의다른이름 녹색혁명종자의기업종속화와맥을같이함 세계종자시장의 1위. 몬산토. 유전자조작종자판매 이종자는인공비료와농화학이같이적용되어야수확량증대가능. 밀수확량이 ha당 6배증가 (1톤->6톤)
유전자변형생물체 (Genetically Modified Organism); 특정생물로부터유용한유전자를취해이를기존의생물에도입함으로써그와동일한유전자기능을발휘하도록조작된유전자변형생물을말함 생명공학기술을이용하여내부에새로운유전자를삽입한생명체를총칭함 LMO(Living Modified Organism) 라고도하지만, 대중적으로 GMO라고통용됨 생물학자들은유전자이식생물 (Transgenic Organism) 이라는용어를많이사용
LMO는현대생명공학기술을이용하여얻어진새로운유전물질의조합을포함하고있는동물, 식물, 미생물같은살아있는생명체를일컫는말로, 국제협약인바이오안전성의정서에서사용하는용어임 LMO는생물이어서생식과번식을할수있는살아있는생물체만을일컫는데반해, 이런생식가능한 LMO뿐아니라생식이불가능한것을모두포함한것이 GMO임. 따라서 GMO가 LMO보다좀더넓은범위의용어라고할수있음
GMO 작물의강점? 병충해내성을가지는등외부환경에더용이하게이겨낼수있는농작물을만들어냄으로써농산물의생산증대 식량문제를해결 재조합 DNA의형질을발현시켜발육을증진하는생장호르몬, 당뇨병치료제인인슐린, 간염백신, 항바이러스제인인터페론등의단백질을대량생산하여의약품으로이용 의료비인하
전통적육종과유전자재조합의차이
세계 GMO 현황 유전자변형식품 (GMO food) 은 1990년대초반시장에처음나왔음 2002년말 16개국에서유채, 옥수수, 감자등 15작물 68품종이재배되고있음 처음에는미국, 캐나다등의선진국에서개발, 재배되었으나지금은아르헨티나, 브라질등의나라에서도유전자변형작물을키우고있음 2007년이전 10년간세계재배면적은 50배이상증가, 경작면적증가율도해마다 10% 이상증가 2004년도 GMO작물재배면적은 8,100만ha로 2003년에비해 15% 증가, 1996년에비하면약 47배정도증가
2007년, 23개의국가에서 GMO를재배하고있는것으로알려졌으며이중 12개국이개발도상국임 총 GMO 재배면적은 1억1430만 ha로전세계경작지 15억헥타르의 8% 를차지하고있음 GMO의수입역시 2008년의수요에비해충족되지못한공급에의한곡물가급등으로인해수입을금기시하던국가및기업들도수입을시작하였음 하지만 2008년에프랑스에서는 GMO를제한하는법안이의회를통과함으로써안전성의불씨여전함
전형적인유전자변형식품에는콩, 곡식, 캐놀라그리고면실유가있음 연구가들은또한식물인을더효과적으로흡수할수있는유전적으로변형된돼지종을개발해왔다. 그리고그결과로서그들의거름의인내용물이 60 퍼센트까지감소되었음 2015년에는미국식품의약국 (FDA) 가유전자변형연어에대해식용을승인했음. 대서양연어에태평양치누크연어의유전자를주입함으로써성체가되기까지 16~18개월밖에소요되지않도록변형되었음
미국의회사아쿠아바운티가개발한빨리자라는 GM연어 ( 뒤 ) 와일반연어 ( 앞 ). 연어의평균성장기간을 3년에서 16 18개월로앞당겼다. GM연어는 GM동물로는최초로미국과캐나다정부의판매승인을얻었다. 아쿠아바운티제공
GMO 논란 인체안전성문제 : 내성유전자 ( 유전자변형이제대로되었는지를알아보기위해사용함 ) 문제 환경문제 생태계파괴 : Bt옥수수는꽃가루나나비유충을죽임, 슈퍼잡초발생 유전적다양성훼손 : 일반작물보다생존확률이높아환경에잘적응하게되면결국 GMO만살아남게될가능성 GMO가견디지못하는환경이닥쳐오거나외부요소에의해공격을받게된다면획일화된종은멸종될가능성이높음 유전자특허문제 : 종자의기업종속
환경문제 ( 생태계파괴 ) Bt(Bacillus thuringiensis) 옥수수는꽃가루나나비유충을죽임 바실러스투링기엔시스는그람양성박테리아이자살충효과를가진토양미생물로상업적으로널리쓰이는성공적인미생물살충제중하나임 글리포세이트제초제내성을가진슈퍼잡초발생
환경문제 ( 생물다양성감소 ) GMO( 유전자조작 ) 작물은대부분대량재배로이루어지며이는농업생태계의생물다양성을훼손시킴 GMO 작물의단작과함께사용되어지는제초제는농업생태계를파괴하므로생물다양성을훼손시키는데일조하고있음
한국내 GMO 현황 대한민국은농업생명공학에관한 3대기본목표를설정하고이를추진했는데그중하나가 2010년까지농업생명공학기술에의한벼신품종개발기술수준세계 1위로자리매김하는것 이러한정책목표아래연구와개발단계에있는품목은많으나상품화된품목은없음 수입에있어 2001년 7월이후부터 2007년상반기까지만 600만t이넘는 GMO 콩을수입하였지만, 최종제품에서 GMO성분미검출로식용유, 간장, 액상과당등의제품에표시되지않은것이현실
2011년 ~2014년 GMO농산물의수입은 39% 증가 2011년 ~2014년총 3539만톤, 13조3000억원어치수입. 한해평균 885만톤, 3조3000억원치수입 2014년에는 1082만톤, 3조6500억원어치로역대최대치를기록했음 GMO와관련식용에대한안전성문제가아직은해결되지않았고많은시간이필요할것으로판단되 GMO의급속한수입증가는우리나라농산물의수급문제에도직간접적으로영향을줄것