지구의 온난화, 농지의 황폐화, 급속한 산업화 등으로 인해 전세계 농경지 면적이 감소하고 있고, 화학 비료, 화학 농약 등의 사용이 환경 보존의 필요성으로 인하여 제약을 받으면서 식량 생산은 둔화되고 있지만, 전 세계 인구는 이를 상회하여 증가하고 있다.
이러한 시대 현상으로 인류 식량 문제 해결이 여전히 요구되고 있는데, 그 대안으로 인식되고 있는 것이 생명공학 기술의 발달에 힘입어 개발된 유전자 변형 작물(GMO)이다.
유전자 변형 작물이란 유전자 재조합 등의 생명공학 기술을 이용하여 인위적으로 유전자를 변형시켜 인간에게 유용한 특성을 갖게 한 작물로 정의될 수 있다.
1994년 칼젠사의 숙성 지연 토마토가 개발된 이래, 몬산토사의 제초제 저항 성 콩, 노바티스사의 해충 저항성 옥수수 등이 개발되면서 유전자 변형 작물의 상업화가 본격화되기 시작하였고, 해충 저항성 벼(Tu et al., 2000), 비타민 A가 강화된 벼(Ye et al., 2000), 철분 함량이 강화된 벼(Vasconcelos et al., 2003) 등이 상업화 준비 단계에 있다.
최근까지 개발된 유전자 변형 작물은 콩, 옥수수, 밀, 토마토, 감자, 면화, 벼 등을 포함하여 100여 종에 달하며(Mohan Babu et al., 2003), 그 재배 면적도 1996년 170만 ha에서 2003년 6,770만 ha에 달한다는 보고가 있다(James, 2004).
유전자 변형 작물은 제초제 저항성, 병충해 저항성, 품질 향상 등 인간에게 유용성을 줄 목적으로 개발되지만, 변형된 유전자의 이동에 의한 인간 및 환경에 대한 위해성이 항상 논란이 되어 오고 있다.
유전자 변형 작물의 유전자 이동은 유전자 변형 작물 자체 및 그 종자에 의한 유전자 이동과 화분 비산(飛散)에 의한 유전자 이동으로 나눌 수 있다.
현재까지 알려진 대부분의 유전자 이동은 화분 비산에 의한 것으로, 화분 비산에 의한 유전자 이동은 동종 및 근연종의 형질을 변화시켜 환경 생태계를 교란·파괴시킬 위험성을 갖고 있다(Karevar et al., 1994).
제초제 저항성 캐놀라(Brassica napus)의 경우 3km 떨어진 곳에서 화분 비산에 의한 유전자 이동이 관찰되었다는 보고가 있으며(Rieger et al., 2002), 제초제 저항성 벤트그라스(Creeping bantgrass)의 경우는 21km 떨어진 곳에서도 유전자 이동이 관찰되었다는 보고가 있다(Watrud et al., 2004).
본 발명은 유전자 변형 잔디의 화분 비산에 의한 유전자 이동을 방지하고자 하는 차원에서 완성된 것이다.
본 발명의 목적은 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적이나 구체적인 양태 등은 이하에서 제시될 것이다.
본 발명은 유전자 변형 잔디에 있어서 화분 비산에 의한 유전자 이동을 차단할 수 있는 기술을 개시한다.
본 발명자들은 아래의 실시예에서 확인되는 바와 같이, 유전자 변형 잔디로서 바스타 제초제 저항성 들잔디를 사용하고 그 들잔디의 개화 시기에 감마선을 조사한 다음, 종자를 채종하고 그 종자를 발아시켜 성숙한 식물체로 성장시켰을 때, 감마선 처리구에서 4%(223개체 중 9개체)의 비율로 불임성이 유도됨을 확인할 수 있었다.
본 발명은 이러한 실험 결과에 기초하여 제공되는 것이다.
본 발명의 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디의 제조 방법은 (a) 유전자 변형 잔디의 꽃에 물리적 돌연변이원을 처리하는 단계, (b) 물리적 돌연변이원이 처리된 유전자 변형 잔디를 재배하여 그 종자를 채종하는 단계, 및 (c) 그 종자를 재 배하여 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디를 선별하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 명세서에서, 상기 "잔디"는 한국형 잔디(zoysia grass) 즉 조이시아속 잔디(Zoysia spp.)를 의미하며, 들잔디(Zoysia japonica), 금잔디(Zoysia matella), 비단잔디(Zoysia tenuifolia), 왕잔디(Zoysia macrotachya) 및 갯잔디(Zoysia sinica)를 포함하는 의미이다.
또한 본 명세서에서, 상기 "유전자 변형 잔디"는 유전자 재조합, 화학적·물리적 돌연변이원의 처리 등의 유전자 조작 기술을 사용하여 인위적으로 의도한 특성이 유도된 잔디를 의미한다. 여기서 인위적으로 의도한 특성으로는 제초제 저항성, 왜성(矮性), 병충해 저항성 등이 예시될 수 있으며, 현재 개발된 유전자 변형 잔디로서는 바스타 제초제 저항성 들잔디(대한민국 특허 제458138호; Toyama K, Bae CH, Kang JG, Lim YP, Adachi T, Riu KZ, Song PS, Lee HY (2003) Production of herbicide-tolerant zoysiagrass by Agrobacterium-mediated transformation Mol Cells. 16: 19-27), 왜성 들잔디(대한민국 특허 제0490281 호; 미합중국 특허 제7045680 호), 대한민국 특허 제0458138호가 개시하는 방법에 의해 얻어지는 유전자 변형 잔디가 있다. 바람직하게는 상기 바스타 제초제 저항성 들잔디(Zoysia japonica Steud)를 의미한다.
또 본 명세서에서, 상기 "잔디의 꽃"이란 꽃의 각 기관인 암술, 수술, 꽃잎과 꽃받침이 분화된 상태에 있는 것을 의미한다. 일반적으로 개화는 꽃눈이 형성된 후에 꽃대가 형성되고 이로부터 꽃의 각 기관인 암술, 수술, 꽃잎과 꽃받침이 분화하고 그 분화한 꽃의 각 기관이 성숙하는 과정을 거치면서 이루어진다. 따라서 "잔 디의 꽃"이란 꽃눈이 형성된 후 꽃의 각 기관이 분화된 시점부터 폐화되기까지의 상태에 있는 꽃을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명자들이 잔디의 꽃에 돌연변이원을 처리하였던 이유는, 개화 시기는 수분·수정이 이루어지는 시기여서 이 시기에 돌연변이원을 처리할 경우 돌연변이 효율이 높을 수 있다는 점에 착안한 것이다. 참고로 본 발명자들이 잔디의 종자에 돌연변이원을 처리하였을 때, 특히 화학적 돌연변이원(EMS, EES(ethyl ethane sulfonate), EO(Ethylene oxide), NMC 등)을 처리하였을 때는 불임성이 유도되지 않았음을 밝힌다.
또 본 명세서에서, 상기 "불임성"이란 유성생식이 불가능한 형질을 의미하며, 추대(bolting)되지 않거나(즉 꽃눈·꽃대가 형성되지 않거나), 추대되지 않음으로써 종자가 생성되지 않는 형질의 의미로서도 이해할 수 있다.
또 본 명세서에서, 상기 "불임성이 유도된"의 의미는 그 돌연변이된 형질 즉 불임성이 다음 세대에서도 발현될 수 있도록 유전적 변이가 일어난 경우를 의미한다. 조이시아속 잔디를 포함하여 잔디류는 지하경과 지상포복경을 통한 영양번식 능력을 가지고 있다. 따라서 상기 '불임성이 다음 세대에서도 발현된다'는 것의 의미는 지하경과 지상포복경을 통하여 영양번식한 경우에도 그 영양번식한 개체에서 불임성의 형질이 나타난다는 것의 의미로 이해할 수 있다.
본 발명에 있어서, 물리적 돌연변이원으로서는 당업계에서 사용되는 X선, γ선(60Co), β선(32P, 35S 등), 중성자 빔(Hasegawa et al. 1995; Ling et al. 1991; Wang et al. 1988; Honda et al. 2006; Naito et al. 2005) 등이 모두 사용될 수 있으며, 특히 바람직하게는 60Co를 사용하는 경우이다.
상기 물리적 돌연변이원을 어느 정도의 시간 동안 조사하느냐는 사용하고자하는 돌연변이원의 종류에 따라서 당업자의 통상의 능력 범위 내에서 결정될 수 있다. 일반적으로 어떠한 물리적 돌연변이원의 강도가 높으면 상대적으로 강도가 낮은 다른 물리적 돌연변이원에 비해 조사량을 짧게 하더라도 목적하는 돌연변이를 유발할 수 있을 것이다.
그러므로 잔디의 꽃에 물리적 돌연변이원을 처리하여 불임성이 유도된 잔디를 얻을 수 있는 한, 그 물리적 돌연변이원의 종류, 그 물리적 돌연변이원의 처리 시간 등이 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
다만, 하기 실시예를 참조할 때 물리적 돌연변이원의 경우 그 돌연변이원의 종류를 불문하고 선량이 10(Gy) 내지 100(Gy) 범위 내에서 처리되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 선량이 10(Gy) 내지 50(Gy) 범위 내에서 처리되는 경우이다. 특히 물리적 돌연변이원으로서는 60Co을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디의 선별은 하기 실시예에서처럼 꽃눈·꽃대의 형성 여부로 판단할 수 있으며, 추가적으로 엽절위 수를 비교하여 판단할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디 지하경의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디 지하경의 제조 방법은 (a) 유전자 변형 잔디의 꽃에 물리적 돌연변이원을 처리하는 단계, (b) 돌연변이원이 처리된 유전자 변형 잔디를 재배하여 그 종자를 채종하는 단계, (c) 그 종자를 재배하여 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디를 선별하는 단계, 및 (d) 그 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디로부터 지하경을 채취하는 단계를 포함하여 구성된다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디의 지상포복경의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디 지상포복경의 제조 방법은 (a) 유전자 변형 잔디의 꽃에 물리적 돌연변이원을 처리하는 단계, (b) 돌연변이원이 처리된 유전자 변형 잔디를 재배하여 그 종자를 채종하는 단계, (c) 그 종자를 재배하여 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디를 선별하는 단계, 및 (d) 그 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디로부터 지상포복경을 채취하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 방법들에 의하여 얻어진 지하경이나 지상포복경은 불임성을 갖는 유전자 변형 잔디를 증식시킬 수 있는 재료로서 유용하다.
상기의 지하경 또는 지상포복경의 제조 방법에 있어서, "잔디", "유전자 변형 잔디", "불임성" 등의 의미와 관련하여서는 전술한 바가 그대로 유효하다.
또 다른 측면에 있어서, 상기 방법들에 의하여 얻어진 지하경 또는 지상포복경을 토양에 이식하는 단계 및 이를 번식시키는 단계를 포함하는 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디의 증식 방법에 관한 것이다.
상기에서 지하경이나 지상포복경을 토양에 이식할 때 그 토양은 노지의 토양 이거나 화분의 토양일 수 있다.
또 상기에서 번식 단계에는 일광 조건, 온도 조건 등 통상적인 잔디의 재배 조건을 적용할 수 있으며, 번식 효율을 높이기 위하여 일광 조건, 온도 조건 등을 변화시켜 적용하여도 무방하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디의 제조 방법을 제공할 수 있다. 이러한 방법에 따라 얻어지는 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디는 생태계를 교란·파과의 원인이 되는 화분 비산에 의한 유전자 이동이 원천적으로 차단된 유전자 변형 잔디이다.
이하 본 발명을 실시예를 참조하여 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
불임성이 유도된 유전자 변형 들잔디의 제조
<실시예 1> 감마선( 60 Co) 조사를 위한 예비 실험
<실시예 1-1> 감마선( 60 Co) 조사 및 종자(M 1 )의 채종
본 실험에 사용된 유전자 변형 들잔디는 바스타 제초제 저항성 bar 유전자가 도입된 유전자 변형 들잔디(Zoysia japonica Steud.)(Toyama K, Bae CH, Kang JG, Lim YP, Adachi T, Riu KZ, Song PS, Lee HY (2003) Production of herbicide-tolerant zoysiagrass by Agrobacterium-mediated transformation Mol Cells. 16: 19-27) 중 도입 유전자의 유전적 안정성이 검증된 T6세대 식물체(Bae TW, Vanjildorj E, Song SY, Nishiguchi S, Yang SS, Song IJ, Chandrasekhar T, Kang TW, Kim JI, Koh YJ, Park SY, Lee J, Lee YE, Ryu KH, Riu KZ, Song PS, Lee HY (2008) Environmental risk assessment of genetically engineered herbicide-tolerant Zoysia japonica. J. Environ. Qual. 37: 207-218)로서, 직경 25cm의 화분에 이식하여 자연광 조건으로 GMO 격리온실에서 재배한 것이다.
적정 감마선 조사 선량을 정하기 위하여 개화 상태의 유전자 변형 들잔디(수분·수정 시기의 들잔디로서, 이삭 내에 약(Anther)이 2/3 이상 신장한 들잔디임)에 감마선(60Co)을 처리하였다.
감마선(60Co)의 처리는 0(무처리구), 10(Gy), 20(Gy), 30(Gy), 40(Gy), 50(Gy), 75(Gy) 및 100(Gy) 선량으로 제주대학교(대한민국 제주도 소재) 방사선 연구소의 조사 시설을 이용하여 이루어졌다.
감마선이 처리된 각 식물체를 제주대학교 온실 내 32℃ㅁ7의 자연광 조건에서 재배하여 3개월 후에 각 처리구로부터 종자(M1)를 채종하였다.
채종된 종자는 자연광 조건에서 3일간 건조시킨 후 -15℃에서 보관하였다가 종자 발아 실험에 사용하였다.
<실시예 1-2> 종자(M 1 )의 발아율 조사
먼저 발아율을 높이기 위하여, 감마선 조사 후 얻어진 M1 들잔디 종자를, 5M 수산화칼륨(potassium hydroxide)(Junsei, Japan)에 30분간 침적한 후 1M 아세트산(acetic acid)(Junsei, Japan)으로 5분 동안 중화시켜 종피를 연화시켰다.
다음 종자를 2% 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite)(Daejung, Korea)에서 15 분간 침적한 다음 멸균수로 5회 세척하고, 그 세척된 종자를 흡습된 여과지 위에 파종하였다. 파종 후 암 조건에서 2일간 수분을 흡수시킨 후 3일 동안 32℃ㅁ2의 연속광(4000 lux) 조건에서 재배하여 발아를 유도하였다.
각 처리구에 따른 종자의 고사율(발아되지 아니한 종자의 비율)을 <도 1>에 나타내었다. <도 1>를 참조하여 보면, 10 내지 25(Gy) 처리구에서는 평균 32%의 고사율을 나타내었고, 50 내지 75(Gy) 처리구에서는 59.5%의 고사율을 나타내었으며, 100(Gy) 처리구에서는 75%의 고사율을 나타내었음을 알 수 있다.
이러한 결과를 고려하여, 감마선 조사 선량을 반수치사량(LD50)을 포함하는 50(Gy) 선량 이하인 0(무처리구), 10, 20, 30, 40, 및 50(Gy)로 결정하였다.
<실시예 2> 불임성이 유도된 유전자 변형 잔디를 얻기 위한 감마선( 60 Co)의 조사, 종자의 채종 및 발아
상기 <실시예 1>과 동일한 방식으로, 감마선(60Co)을 0, 10, 20, 30, 40, 및 50(Gy)의 선량으로 조사하고 M1 종자를 채종·발아시켰다.
발아율 및 생존율을 아래의 <표 1>에 나타내었다. 여기서 발아율은 최초 발아된 식물체로부터 5주까지 발아된 식물체의 총 개수를 조사하여 계산하였고 생존율은 종자로부터 발아된 유식물체를 화분에 옮겨 심고, 8개월간 생육시켜 생존한 식물체의 총 개수를 조사하여 계산하였다.
감마선 처리된 유전자 변형 들잔디(M1)의 발아율 및 생존율
선량(Gy) |
종자의 수 |
발아한 종자 수(발아율(%)) |
생존 개체수(생존율(%)) |
무처리구 |
100 |
74(74) |
70(94) |
10 |
150 |
84(56) |
42(50) |
20 |
150 |
61(41) |
42(68) |
30 |
200 |
94(47) |
56(59) |
40 |
300 |
93(31) |
64(68) |
50 |
300 |
66(22) |
19(28) |
상기 생존한 M1 식물체(무처리구 70개체 및 처리구 223개체)를 직경 10cm의 화분에서 25℃ㅁ7의 자연광 조건으로 3개월 간 순화시킨 후, 직경 15cm 화분에 이식하고, 2년간 25℃ㅁ7의 자연광 조건에서 재배한 후 1차로 불임성 여부를 조사하고, 다시 직경 25cm 화분에 옮겨 심어 25℃ㅁ7의 자연광 조건으로 GMO 격리 온실에서 2년간 재배하여 2차로 불임성 여부를 조사하였다. 불임성 여부의 조사는 들잔디의 추대성(bolting) 또는 비추대성(unbolting) 여부로 1차 선발한 후 그 선발된 각 개체의 엽절위(leaf-node stage) 수를 비교하여 2차 선발하였다.
하기 <표 2>에 각 처리구에 따른 비추대·추대된 개체수를 나타내었다.
비추대·추대된 개체수와 백분율
선량(Gy) |
생존 개체수 |
2년차 비추대된 식물체의 수 |
4년차 비추대된 식물체의 수 |
무처리구 |
70 |
4 |
0 |
10 |
42 |
15 |
1 |
20 |
42 |
20 |
1 |
30 |
56 |
34 |
2 |
40 |
64 |
38 |
3 |
50 |
19 |
9 |
2 |
|
|
|
|
상기 <표 2>에서 보여지듯이, 2년차에서 무처리구의 경우는 5.7%(4/70)가 추대되지 않았고, 처리구의 경우는 52%((15+20+34+38+9)/(42+42+56+64+19))가 추대되지 않았다. 4년차에서는 무처리구의 경우는 모든 식물체가 추대되었고, 처리구의 경우는 4%((1+1+2+3+2)/(42+42+56+64+19))가 추대되지 않았다.
조이시아속 잔디(Zoysia spp.)는 겨울철 휴면기에 잎이 고사되었다가, 계절이 바뀌어 잔디의 생육기에 접어들면 기존 직립경의 엽절위 다음에 새로운 잎이 발생하면서 성장해 가는데, 엽절위 수가 통상 12개 정도에 이르면 추대되면서 개화하게 된다(Yeam DY, Murray JJ, Portz HL, Joo YK (1985) Optimum seed coat scarification and light treatment for the germination of Zoysiagrass (Zoysia japonica Steud) seed. J. Kor. Soc. Hort. Sci. 26: 179-185). 따라서 조이시아속 잔디(Zoysia spp.)의 엽절위 수는 개화 여부에 대한 지표가 될 수 있다.
이러한 이유에서 엽절위 수를 관찰하였는데, 2년차의 경우 비추대 식물체에서는 엽접위 수가 평균 11.4개가 관찰되었고, 추대된 식물체에서는 평균 13.6개가 관찰되었다. 따라서 2년차 비추대 식물체는 엽절위 수로 볼 때 추후 추대될 가능성이 있다.
따라서 4년차에서 다시 엽절위 수를 관찰하였는데, 4년차의 경우 추대된 식물체의 엽절위 수는 무처리구에서 평균 14.8개가 관찰되었고, 처리구에서는 평균 15.7개가 관찰된 반면, 비추대된 처리구에서는 평균 15.4개가 관찰되었다.
<도 2>에 무처리구의 추대된 식물체 중 하나(A)와 처리구의 비추대된 식물체 중 하나(B)의 엽절위 수를 비교할 수 있는 사진을 예시하였다. <도 2>에서 바(bar)의 1cm이다.
비추대된 처리구에서 엽절위 수가 평균 15.4개임에도 추대되지 않았다는 것은 앞서 인용한 논문의 내용, 그리고 상기의 결과들을 종합할 때, 불임성이 유도되었음을 보여준다고 할 수 있다.