제 5장 - 작물의 품종 개량

27 Mar 2023 in Notes / Liberalarts / Manandfood

4/3 ~

• 작물의 육종 목적
• 작물 육종에 기본 원리
  • 작물육종 목표
  • 육종 방법
  • 1: 자식성 작물의 육종
  • 2:타식성 작물의 육종
  • 3: 영양번식 작물의 육종
  • 4: 1대 잡종 육종
  • 5: 배수성 육종
  • 6: 돌연변이 육종
  • 7: 생명공학적 육종
• 유전자원과 작물 육종
  • 1. 유전적 다양성의 감소
  • 2. 유전적 취약성
  • 3. 인간 간섭의 의존 증가
  • 4. 다른 유전자원의 유실

• 작물의 생산량 3요소
  1. 유전성
  2. 환경조건
  3. 재배기술
• 생산량 증대를 위해
  1. 작물육종
  2. 생산환경
  3. 생산기술

작물의 육종 목적

1. 광합성 효율 증진
   • 광수용 (light interception 수광체계)
   • 적정수준 도달까지 신속히 늘어나야 한다 (surface area 최대한 넓게)
   • 동화물질 충분히 공급 - 엽방향 (leaf orientation), 엽각 (leaf angle)
   • 화곡류에서는 직립형이 유리 (모든 잎이 균일하게 빛을 흡수 할 수 있도록)
2. 광 둔감성 (photoinsenstivity) 육종
   • 장(长)일, 단(段)일, 꽃 피우는데 절대적
   • 날씨에 직접 (본인이) 맞추는 작물
3. 유한신육형 (determinate stem habit) 육종: 꽃이나 열매를 피워내면 성장 멈춤
   • 도복이 적음 \(\rightarrow\) 건조한 환경에서도 비교적 잘 자람
   • 생육기간 짧음
   • 기계화 유리
   • 증수를 위해 재식 밀도 높임
4. 단간성 (dwarf stature) 육종
   • 도복에 강함
5. 조숙성 (early maturity) 육종
   • 이모작 (한번에 심기가능) 에 유리 (맥류 + 벼 || 맥류 + 콩)
6. 수확지수 개량 육종
   • \(HI\) = \(\frac{경제적 수량}{생물학적 수량} * 100\)
7. 수량 안정성 (yield stability) 육종
   • 불필요한 유전자 최소화 \(\Rightarrow\) better product

8. 수량 (yield) 육종

9. 품질 (quality) 개량 육종
   • 밀: 단백질인 글루텐의 양과 질 (신장성, 점탄성)
   • 옥수수: high lysine corn (원래 옥수수는 주식으로 삼기에 아미노산이 너무 적음)
10. 내병성 (disease resistance) 육종
    • 병 저항성, 주기적으로 함
    • 질적 유전 (qualitative inheritance)
11. 내충성 (insect resistance)
    • 해충에 대해 기계적, 물리적 저항성 (진딫불이 바이러스 퍼뜨리고 다니는 그런 경우 방지)
    • 해충에 새로운 물질 생산작물
    • ex) wax 표면 \(\Rightarrow\) 해충 못 뚫음
    • ex2) 맛없는 거 생산 \(\Rightarrow\) 해충에 먹고 뱉어냄
    • ex3) fortification으로 다음 경우 방지: 벌레가 알 낳으면 그 알들이 식물세포를 터뜨려 영향분 흡수 $$\rightarrow$$ 몸집 커지고 식물 죽음

12. 내도복성 (lodging resistance)

13. 내탈립성 (shattering resistance)
    • 잎이 떨어지지 않게 육종
    • 깨 종류에서 중요하며, 우리나라는 특별히 더 신경써야 한다

14. 내한발성 (drought resistance), 내건성 : 건조에 저항성

15. 내한성 (cold tolerance)

16. 내동성 (freezing tolerance)

작물 육종에 기본 원리

• 길고 뻗으면 좋음! 우수사례: 고대 이집트 그림 보면 굉장히 뻗어있음

• 인간이 개종한 작물은 자연에서 유독 약함 \(\rightarrow\) 제초제 등이 필요함

작물육종 목표

1. 제초제 저항성 (Resistance to herbicides)
2. 환경 재해 저항성 (protection against abiotic stress : salinity, drought, frost)
3. Functional Food (cancer protecting tomato 같은) 기능성 물질 함유 품종
4. 높은 수량 (high yield)
5. 병해충 저항성 (resistnace to diseases and pthogenes)

• 작물 육종의 기초: 교배, 선발육종
• 육종이란: 적절한 유전자의 조합
• 인간 DNA는 지구 \(\longrightarrow\) 해의 거리를 편도 100번 거리

육종 방법

1: 자식성 작물의 육종

동일한 개체에서 만들어진 암/수배우자 사이에서 수정

• aka =자가수정, self fertilization

• 자식성 식물: 밀, 보리, 귀리, 벼, 콩, 완두, 땅콩
• Dr. Norman Borlague (육종학자): 1970 노벨 평화상 (수량 높은 밀 개발해 세계 기아 해결에 크게 기여)
• 대립유전자의 분리

• \(\rightarrow\) 동형 접합체 (AA, aa)의 비율증가
• \(\Rightarrow\) 우량 유전자형 선발하는데 이로움

1. 순계선발 (breeding by separation)
   • 재래종 집단에서 우량한 유전자형을 분리 \(\rightarrow\) 신품종 육성
2. 교배육종 (cross breeding)
   • 인공교배로 새로운 유전변이 \(\rightarrow\) 신품종 육성
3. 여교배 육종 (backcross breeding)
   • 부모와 재교배 \(\Rightarrow\) 육종이 효과 확실, 재현성 높음

2:타식성 작물의 육종

서로 다른 개체에서 만들어진 암/수배우자 사이 수정

• aka 타가수정, cross-fertilization

• 타식성 식물: 옥수수, 호밀, 알팔파, 무, 배추

• 자식약세 (inbreeding depression) X
• 잡종강세 (hybrid vigor)을 유지

1. 집단선발 (mass selection) 순계선발 X

2. 순환선발 (recurrent selection)
   • 우량개체 선발 및 그들간의 상호교배 \(\rightarrow\) 우량 유전자 빈도 높여감
3. 합성품종 (synthetic variety)
   • 여러개의 우량계통을 자연수분 또는 인공수분으로 다계교배 (polycross) 시켜 육성한 품종

• 자가수정 vs 타가수정

  자가수정	타가수정
  폐화수정 (화기 열리지 않고 수정)	배우자의 공간적 거리
  자웅 배우자의 성숙기간 같음	다름
  	자가불화합성, 웅성불임성

• 종자갱신 과정

  • 기본식물포 → 기본식물
  • 원원종포 → 원원종
  • 원종포 → 원종

  • 채종포 → 보급종

  • 4년 1회 갱신: 자식성 작물 ( 벼, 콩, 보리…)
  • 1년 1회 갱신: 1대잡종 품종 (옥수수, 배추, 수박, 오이 …)

3: 영양번식 작물의 육종

• 종자번식이 어려운 작물에 이용
• 영양번식작물 (고구마, 감자, 바나나…)는 영양계 선발 (clone selection) \(\rightarrow\) 신품종 육성
• 선발된 영양계: 삽목, 접목, 조직배양으로 증식 \(\rightarrow\) 신품종 육성

4: 1대 잡종 육종

• 타식성 잘물에 적용
• 잡종강세가 큰 교배조합의 1대 잡종을 품종으로 육성
  1. 품종간 교배
  2. 자식계통 간 교배
  3. 조합능력: 1대잡종이 잡종강세를 나타내는 교배친의 상대적능력
  4. 1대 잡종종자 (hybrid seed)의 채종 : 인공교배, 웅성불임, 자가불화합성을 이용함

5: 배수성 육종

• 콜히친(colchicine)을 이용하여 염색체를 \(\rightarrow\) 염색체 늘리기

6: 돌연변이 육종

• 인위적으로 돌연변이 유발원 처리 \(\rightarrow\) 유용한 변이체 육성

7: 생명공학적 육종

• 식물생명 공학: 식량 수량 증대에 기여
• 조직배양: 식물의 조직으로부터 완전한 식물체 재분화
• 세포융합
• 유전자 전환: 4대 GMO (생명공학작물) [ 콩, 옥수수, 목화, 유채 ]

유전자원과 작물 육종

1. 유전적 다양성의 감소

• loss of genetic diversity

• 유전적 침식 (genetic erosion): 적은 수의 곡류 = 식량의 대부분
  • 식량/사료의 \(60%\) = 곡류
  • 곡류의 \(50%\) 이상 = 밀, 벼, 옥수수, 보리 (\(\Rightarrow\) 식량의 \(30%\) 이상)
  • 장점: 선택과 집중, 단점: lacks variety
• 유전적 다양성의 중요성: 여러 환경변이 (해충 등등)에 적응한 품종개발 가능
• 유전자원 보존방법:
  1. 현지보존 (환경 재현불가능 시)
  2. 수집보존
     • 나고야 의정서: 유전자원 제공자와 이용자 간에 상호합의조건 체결 필요 (현지인들의 활용법 등 관련 전통지식 포함)
     • Norman Ernest Bourlaug가 개종한 밀 (기아문제 대폭 해결)
       • 앉은뱅이밀(韩) \(\overrightarrow{일제}\) Norin10 (日) \(\overrightarrow{WWII}\) Sonora64 (美)

2. 유전적 취약성

• genetic vulnerability
• 다양성 감소 \(\rightarrow\) 취약성 유발 (유전적 획일화)\(\rightarrow\) 병에 취약 (ex: 감자역병)

3. 인간 간섭의 의존 증가

• 필요! 작물육종은 농업산업과 중욯게 연결되어 있음
• 간섭 없이 도태/잃게 되는 작물들이 많다

4. 다른 유전자원의 유실

• 다른 생물과의 관계 잃음, 소수의 경제적 중요작물에만 의존
• 타감작용 (allelopathy) 생물의 소실
  • 식물 중 독립적으로 자라지 않고 주변 식물과 고유의 물질을 교환해서 교감 (타감작용) 하며 자라는 식물들도 존재