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형질전환육종 #

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Biology

형질전환육종 #

형질전환육종이란? #

형질전환육종은 교배(cross)와 같은 생식 과정을 거치지 않고 외래 유용 유전자를 식물체로 이전하여 새로운 작물을 개량하는 기술로, 이를 통해 개체의 특성을 변화시킨 작물을 흔히 GMO(Genetically modified organism)라고 한다. 형질전환육종은 크게 유전자 총(Gene-gun)과 아그로박테리움(Agrobacterium tumefaciens)의 식물 감염 방식을 이용한 형질전환으로 나뉜다.

Agrobacterium을 이용한 형질전환 원리 #

Agrobacterium tumefaciens는 종양을 유도하는 plasmid (Ti plasmid)를 보유하고 있으며 수많은 속씨 식물 종과 일부 겉씨 식물의 뿌리에 근두암종병(crown gall disease)을 유발하는 토양세균이다. 이 세균의 T-DNA가 식물 핵으로 운반되어 식물 genome에 전달되면서 종양유전자가 발현된다.

Agrobacterium를 매개로 한 식물의 형질전환 과정은 bacterial Ti plamid에 위치한 2가지 region의 존재를 필요로 한다. 첫 번째 필수 구성 요소는 border sequence 라고 불리는 T-region 끝 부분에 보존된 25개 염기쌍의 불완전 반복이 존재하는 T-DNA이다. 두 번째는 virulence region(vir)으로, T-DNA 처리 및 전달을 매개하는 세균 단백질 기작의 구성 요소를 암호화하는 최소 7개의 주요 loci( virA, virB, virC, virD, virE, virF 및 virG )로 구성된다.

Vir gene 역할
VirA, VirG 다른 vir gene의 발현을 활성화
VirB, VirC, VirD, VirE, VirF A. tumefacienc의 T-DNA를 식물 세포로 전달 및 연결

Figure 1은 Agrobacterium 매개 식물 형질전환 과정 의 주요 단계를 보여준다.

(1) Plant cell에 A. tumefaciens의 부착

(2) A. tumefaciens에 의한 식물 신호 감지 및 전달 후 virulence gene의 조절

(3) T-DNA와 virulence protein의 생성 및 bacterial cell로부터 plant cell로의 이동

(4) plant cell에 T-DNA와 effector protein의 핵 도입

(5) plant genome에서의 T-DNA 통합 및 발현

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Figure 1. Major steps of the Agrobacterium tumefaciens-mediated plant transfomration process.

위 원리를 이용하여 Agrobacterium을 매개로 한 형질전환 방식이 개발되었다.

식물 형질전환 #

Figure 2는 Agrobacterium의 Ti plasmid를 나타낸다.

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Figure 2. Features of Ti plasmid

Ti plasmid의 Virulence region이 T-DNA region 양 끝에 있는 Left Border(LB), Right Border(RB)를 인식하여 식물의 genome에 도입하게 되는데, 이 LB, RB를 제외한 T-DNA region을 제거한 후, 그 부분에 목적으로 하는 유용 유전자를 삽입시킨다.

이 삽입을 위해 연구자들은 Binary Vector system을 개발하였다.

Figure 3은 Binary Vector의 모식도를 나타낸다.

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Figure 3. Binary vector system for plant transformation

T-DNA 부분이 제거된 Ti plasmid와 LB, RB 사이에 promoter, 원하는 유전자, selection marker 등이 도입된 Cloning vector로 2가지 vector를 이용한다.

(1) 유용 유전자를 도입한 Binary vector를 가지고 있는 Agrobacterium을 준비한다.

(2) 상처를 낸 식물의 잎이나 뿌리 조직에 Agrobacterium을 함께 배양하여 감염시킨다.

(2) 감염시킨 잎 조직을 변형된 세포의 증식을 촉진하는 특정 배지에서 배양하여 식물체로 재분화 시킨다.

위 과정들을 Figure 4에서 나타냈다.

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Figure 4. The process of plant transformation mediated by Agrobacterium tumefaciens

Agrobacterium을 이용한 형질전환의 특징 #

Agrobacterium 매개 유전자 형질전환 덕분에 더욱 정확하고 효율적으로 작물에 새로운 특징을 도입할 수 있는 능력으로 농업에 혁명을 일으켰다. 또한 Gene gun이나 electroporation 등의 다른 형질전환 방식에 비해 여러 면에서 우수하다는 장점이 있다. 이 방법은 유전자가 식물의 genome에 꾸준히 융합되게 하여 다음 세대에 전달될 수 있다. 형질전환을 이용하여 연구자들은 곤충에 저항성이 있는 작물이나 제초제 내성 작물 등을 육종해낼 수 있었다.

이 형질전환의 대표적 예시로 GMO의 탄생이 있는데, 기아를 방지하기 위한 비타민 A의 전구체인 β-carotene을 생성에 영향을 주는 유전자를 쌀에 도입했다. 이처럼 작물의 품질과 생산성이 향상되었으며, 이를 통해 광합성 효율을 높이거나 가뭄 저항성을 높이는 등의 효과를 얻어낼 수 있다.

하지만 GMO가 예전만큼 많이 쓰이진 않는데, 같은 목표를 가진 전통육종의 한 종류인 여교배(Back-crossing)를 통해 개량한 작물의 특성 검정이나 생산력 검정 등의 과정들에 걸리는 시간보다, GMO의 검정 시간이 훨씬 오래 걸린다는 점 등이 존재하기 때문이다.

Reference #

0.0.1_20240214_1_v81