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ISSN : 1225-5009(Print)
ISSN : 2287-772X(Online)
Flower Research Journal Vol.27 No.4 pp.254-266
DOI : https://doi.org/10.11623/frj.2019.27.4.03

Recent Progress on Genetic Modification in Floriculture
GM 화훼작물의 최근 연구 동향

Chang Ho Ahn, Pue Hee Park, Pil Man Park, Hye Ryun An, Mummadireddy Ramya, Su Young Lee*
Floriculture Research Division, National Institute of Horticultural and Herbal Science, Rural Development Administration, Wanju-gun 565-852, Korea

안 창호, 박 부희, 박 필만, 안 혜련, 뮤라마디레디 람야, 이 수영*
국립원예특작과학원 화훼과
Corresponding author: Su Young Lee Tel: +82-63-238-6840 E-mail: lsy8542224@korea.kr
24/09/2019 02/12/2019 18/12/2019

Abstract


Plant transformation technology (or genetic modification), along with breeding techniques such as cross-breeding and mutation breeding, has been widely used for breeding new varieties and enhancing the characteristics of floricultural plants. In particular, genetically modified (GM) floriculture has been developed for modified characteristics such as floral color, pigmentation, stress tolerance, disease resistance, and fragrance. In South Korea, studies on GM floriculture have been under progress since the 2000s, and there have been various research projects involving GM floriculture. In the global flower market, a mauve-colored carnation called “MoondustTM” was first developed and commercialized by the Australian biotechnology company Florigene, and a blue rose called “APPLAUSETM” was developed and commercialized by the Japanese company SUNTORY. Furthermore, new varieties of GM floriculture have recently been developed, and international trade in ornamental plant materials has grown. Given the rapid increase of studies on GM floriculture and the growing global market for GM ornamental plants, biotechnology may be used to increase farm household income by developing new ornamental varieties that have superior characteristics and match consumer preferences. In t his review, we summarize t he r esearch on G M ornamental plants during the last four years. This information will help in establishing more successful strategies for developing GM floriculture. Moreover, this report will facilitate the breeding of new and improved varieties with modified growth rates and superior product quality, including changes in flower color, fragrance, and stress tolerance.



genetically modified organism , breeding technique , transgenic floricultural plant

초록

    Rural Development Administration
    PJ01319803

    서론

    지난 20년 동안 유전자정보 기술이 발전함에 따라 보다 빠 르고 정확한 정보를 활용한 유전자 재조합 기술이 시도되고 있으며, 최근에는 전통육종방법과 접목하여 상업적 가치 향상 을 위한 새로운 육종 기술도 개발되고 있다. 특히, 유전자변형 (Genetically modified: GM) 기술은 현재 우리 인류가 안고 있는 세계 인구증가에 따른 식량부족과 기후변화 문제에 부합 할 수 있는 생명공학 기술이라고 할 수 있겠다. GM 식량작물 (벼, 콩, 옥수수 등)은 GM 화훼작물에 비해 위해성평가 및 안 정성평가 등에 대한 소비자 또는 생산자로부터의 인식이 긍정 적이지 않기 때문에(Kim et al. 2015), 유전자변형기술을 이용 한 GM 화훼작물 개발에 대한 연구 및 상업적 활용은 식량작 물에 비해 다양하게 시도되고 있다(Nishihara and Nakatsuka 2011). 하지만, GM 작물의 외래 DNA 잔존 문제는 여전히 논 란이 되고 있으며, 이를 극복하기 위하여 최근에는 유전자가 위 기술을 이용한 화훼작물의 형질 교정을 유도하는 연구도 활발히 진행되고 있다. 유전자가위 기술은 특정 유전자 염기 서열을 정확히 편집하는 유전자 교정 기술로 현재까지 1세대 Zinc Finger Nucleases(ZFNs), 2세대 Transcription Activator-Like Effector Nucleases(TALEN) 그리고 3세대 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat(CRISPR) 기술이 개발 되었다.

    화색변형 형질전환 카네이션 품종 'MoondustTM'는 1997년 호주의 Florigene사에서 개발된 화훼류 중 가장 먼저 상업화 된 GM 품종이며, 그 후로 2009년 일본의 SUNTORY사에서 파 란색 장미 형질전환 품종 'APPLAUSETM'이 상용화되면서 GM 화훼작물의 세계 시장 규모가 커지고 있다(Kim et al. 2015). 또한, 다양한 품종 개발뿐만 아니라 GM 화훼작물을 이용한 가공용 재료를 개발하여 판매함으로써 형질전환 품종의 판로 를 넓혀가고 있는 중이다. 2019년 현재 시장에서 판매되고 있 는 GM 화훼품종은 푸른 카네이션 11품종(스탠다드 카네이션: MoonaquaTM, MoonliteTM, MoonshadeTM, MoonvistaTM, MoonteaTM, MoonburstTM, MoonstrikeTM; 스프레이 카네이션: MoonpearlTM, MoonberryTM, MooniqueTM, MoonvelvetTM)(http://www.florigene. com)과 파란색 장미 ‘APPLAUSE’ 품종이 있다(http://www. suntoryapplause.com). 이처럼 현재까지 화색변이 GM 화훼 품종의 상업화가 이루어지고 있으며 최근에는 기후변화 등의 환경 문제로 환경정화 및 내환경성 GM 화훼작물 개발도 활발 히 이루어지고 있다. 그러나 국내에서는 유전자변형작물에 대 한 부정적 인식이 강하며, 연구가 위축되고 있어 향후 선진국 에 기술 종속이 우려되므로 유전자변형작물에 관하여 정확한 정보를 국민에게 제공하는 것이 필요하겠다. 본 보고에서는 Kim et al.(2015)이 2013년부터 2014년까지 GM 화훼작물 개발 에 관련한 연구들을 정리하여 보고한 이후의 국내외 GM 화훼 작물 연구들을 요약하였고, 연구개발 동향을 알아보고자 한다.

    국내 연구개발 동향

    국내 유전자변형 화훼류 연구는 2000년대부터 주로 거베라, 국화, 나리, 난, 장미, 카네이션, 페튜니아 등을 대상으로 진행 되고 있다. 특히, 국화, 장미, 잔디는 차세대바이오그린21사업 GM개발사업단에서 실용화 목표 하에 중점적으로 개발하고자 하는 화훼작물이다. 또한, 농촌진흥청에서는 2014년부터 다부 처 유전체 사업의 일환으로 국화 등의 화훼작물 대상으로 유 전자 기능 분석에 기초가 되는 연구도 진행 중이다. 2019년 8 월까지 보고된 화훼작물 형질전환체 개발 연구현황은 Table 1 과 같다.

    최근 환경오염의 피해가 증가함에 따라 대기환경오염 저항 성 및 실내공기 오염원 제거능력 증진 식물 개발에 관한 연구 가 활발히 진행되고 있다. Lee et al.(2015)은 애기장대 유래 포름알데히드 제거능력 증진 유전자를 페튜니아(Petunia hybrida)에 도입하였고, 형질전환체는 비형질전환체와 비교하 여 포름알데히드 제거능력이 증진되었다고 보고하였다. 또한, Lee et al.(2016)은 대장균 유래의 superoxide dismutase 유전 자 SOD2와 애기장대 유래의 nucleoside-diphosphate kinases 유전자 NDPK2를 각각 도입한 페튜니아를 교잡에 의해 두 유 전자가 집적되도록 하여 아황산가스 저항성이 증진된 페튜니 아를 개발하였다고 보고하였다. 그 밖에 화훼작물을 이용하여 다양한 유전자변형 연구가 보고되었는데 Naing et al.(2017)은 안토시아닌 생합성 유전자를 조절하는 것으로 알려진 v-myb avian myeloblastosis vira 1 oncogene homolog(MYB) 전사인 자를 무로부터 분리 동정한 RsMYB1 유전자를 국화에 도입하였 고, 재분화 식물체 획득을 위한 선발배지 내 첨가 항생제로서 clavamox의 활용 가능성에 대한 연구를 보고하였다. Junping et al.(2018)은 RsMYB1 및 R2R3-MYB(mPAP1)+ bHLH(B-peru)를 도입한 토레니아(Torenia hybrida) 형질전환체에서 anthocyanidin synthase 유전자 ANS 및 dihydroflavonol-4-reductase 유전자 DFR의 발현이 증가되었음을 보고하였다. 그리고 Lee et al. (2018)은 페튜니아에 RsMYB1을 도입한 형질전환체가 비형질 전환체에 비해 안토시아닌 함량 및 잎과 신초의 수는 증가하 였지만 잎의 크기는 작아졌다고 보고하였다. 한편, Ai et al. (2018)은 페튜니아에 RsMYB1을 과발현시킨 형질전환체가 비형 질전환체에 비해 안토시아닌 함량이 증가하였으며 중금속 스 트레스 저항성이 증진되었다고 보고하였다. Kang et al.(2017) 은 항균효과로 알려진 잔디(Zoysia japonica Steud.) 유래 a class II chitinase 유전자 Zjchi2를 잔디에 과별현시켜 획득한 형질전환체에서 잎집무늬마름병(Rhizoctonia solani AG2-2 IV) 저항성이 증진되었다고 보고하였고, Lee et al.(2017)은 식물의 성장 및 발달에 관여하는 애기장대 유래 small ubiquitinrelated modifier E3 ligase 유전자 AtHPY2를 도입한 페튜니아 형질전환체가 세포주기 조절에 의해 생육이 증진되었다고 보 고하였다.

    세계적으로 수요가 큰 제초제저항성 형질전환체가 개발되 고 있으며, 잔디의 경우 제주대학교에서 제초제저항성 및 내 음성, 불임성, 왜화성 형질전환체의 환경위해성평가 연구가 진행 중이다. 국화의 경우 국립농업과학원과 국립원예특작과학 원과 상명대가 공동으로 고온에서도 퇴색 없이 안정적으로 화 색이 발현되는 형질전환체 개발 연구가 진행되고 있다. 또한, 자생 실내식물로 이용되는 산호수의 경우 국립원예특작과학 원에서 톨루엔 정화능력이 증진된 형질전환체를 개발 중이고, 일본에서 이미 판매되고 있는 화색변경 형질전환체 ‘APPLAUSE’ 장미의 경우 국립원예특작과학원에서 ‘APPLAUSE’보다 더 선 명한 푸른색 형질전환체를 개발 중이다.

    국외 연구개발 동향

    화색 및 잎색 변경

    화훼류에서 화색변경은 Meyer et al.(1987)에 의해 최초로 보고되었고, 페튜니아에 옥수수의 DFR 유전자를 도입하여 형 질전환체를 획득하였다. 호주의 Florigene사와 일본의 SUNTORY 사에서 형질전환 화색변형 카네이션과 장미를 각각 개발하여 상업화에 성공하였다. 형질전환 화색변형 화훼작물은 식품과 는 다르게 상업화에 걸리는 시간을 최소화시킬 수 있으며, 고 부가 창출 효과가 매우 커서 형질전환기술에 의해 화색을 변 형시킨 식물체를 개발하고자 하는 연구가 최근까지도 활발히 진행되고 있다(Lee et al. 2017).

    식물의 화색을 결정하는 요소는 다양하지만, 일반적으로 플 라보노이드, 카로티노이드, 베타라인 등의 색소에 의해 결정 된다. 수용성물질로 플라보노이드 색소의 한 종류인 안토시아 닌은 안토시아니딘으로부터 생성되며, 자연계에 광범위하게 존재하고 있어 화색 발현에 중요한 역할을 하는 색소로 알려 져 있다(Forkmann 1991). 안토시아니딘에는 주황색 또는 적 색으로 발현되는 펠라고니딘, 주황색 또는 적색으로 발현되는 시아니딘, 그리고 푸른색 또는 자주색으로 발현되는 델피니딘 으로 분류되며, 여러 효소들에 의해 가수화, 환원, 산화반응을 거치면서 다양한 화색으로 발현된다(Tanaka et al. 2009). 지 용성 물질인 카로티노이드는 색소체에 위치하며 꽃에서는 주 로 노란색 발현에 관여한다. 하지만, 안토시아닌 색소와 함께 국화(청동색 또는 갈색)와 장미(적색 또는 주황색)에서 각각 다른 화색으로 발현되며, 베타라인은 노란색, 보라색, 상아색, 적색, 주황색으로 발현되는 색소이다(Lim et al. 2011). 이 중 플라보노이드는 가장 많이 연구된 물질로서 생합성 경로와 관 련 유전자들의 연구는 모델 작물인 애기장대뿐만 아니라 다양 한 화훼작물을 대상으로 화색변형 연구가 시도되고 있다. Nakamura et al.(2015)은 담자색의 안토시아닌 색소를 축적시 키는 것으로 알려진 토레니아 꽃잎으로부터 안토시아닌의 메 틸화를 촉진시키는 anthocyanin 3´,5´-O-methyltransferase 유 전자 A3´5´OMT를 분리 동정한 후 장미에 도입하여 획득한 형 질전환체의 화색이 자홍색에서 진핑크로 변형되었다고 보고 하였다. Fu et al.(2018)은 보라유채(Orychophragmus violaceus) 유래 production of anthocyanin pigment 유전자 OvPAP2를 유채(Brassica napus L.)에 도입하여 꽃색이 노란색에서 붉은색 으로 변형되어 관상가치가 증대되었다고 보고하였다. Kanemaki et al.(2018)은 뻐꾹나리(Tricyrtis sp.)로부터 플라보노이드 생 합성경로 활성화 기능을 하는 것으로 알려진 R2R3-MYB 전사 인자 유전자 TrMYB1을 제라늄(Pelargonium crispum)에 도입 하여 획득된 형질전환체의 잎 색이 연녹색에서 진한 적자색으 로 바뀌었다고 보고하였다. Aida et al.(2018)은 국화 ‘Taihei’ 유래의 자주색 형질전환 계통 1434-18과 파란색 형질전환 계 통 1575-14를 비형질전환체 및 야생종과 교잡한 결과, 형질전 환 계통의 모본에 도입된 유전자가 후대로 전이된 바, 푸른색 국화 형질전환체의 상업화를 위해서는 형질전환체의 비의도 적 환경적 영향에 대한 가능성을 배제하기 위한 기술 개발이 필요함을 언급하였다. 2017년 형질전환 품종으로 신고되지 않 은 오렌지색 페튜니아 품종이 안토시아닌 및 프로안토시아니 딘 생합성에 관여하는 DFR 유전자가 검출되어 문제가 발생하 였을 때, Haselmair-Gosch et al.(2018)은 문제가 된 페튜니아 형질전환체 3품종을 분석한 결과, DFR 유전자가 페튜니아 내 재 DFR 유전자 보다 낮게 발현함을 보고하였다.

    형태변형

    분화는 화분과 식물의 형태적 모습이 조화를 이룰 때 관상 의 가치가 높아진다. 화훼작물 중 허브식물과 같이 관상의 대 상이 꽃이 아닌 종류의 경우 잎의 길이나 수 또는 가지 수 증 가 등으로 모양이 변형되는 것은 부가가치 창출에 있어서 중 요하다. 따라서, 분화류의 크기 또는 길이를 조절하는 것은 상 업적으로 중요하다고 할 수 있다. 식물생장억제제는 식물의 생장을 억제시키기 위해 많이 사용되고 있지만 일부 식물생장 억제제는 인간에게 매우 위험하며 유럽연합에서는 이미 금지 또는 제한되어 있다(Andersen et al. 2002;Bhattacharya et al. 2010). 이에, 분자생물학적 방법을 이용하여 왜화성 및 콤 팩트성 분화류 개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 지 베렐린(GA)은 줄기 신장, 발아, 휴면, 잎의 전개, 꽃의 개화 등 식물 생장을 조절하는 중요한 식물호르몬 중 하나이다(Little and MacDonald 2003;Hedden and Phillips 2000). Inthima et al.(2017)은 토레니아 유래 GA 20-oxidase(GA20ox) 유전자 TfGA20ox2를 개똥쑥(Artemisia annua L.)에 도입하였을 때 비형질전환체에 비해 측지 수가 52.4% 증가하였고, 측지 길이 가 60-203% 증가하였다고 보고하였다. 반면, 형질전환체의 잎 크기는 비형질전환체와 비교하여 77.6% 작아졌고, 잎 표면 glandular trichome의 수와 크기가 각각 30%와 35% 증가하였 다고 보고하였다. Gargul et al.(2017)은 담배 유래 GA2ox 유 전자를 칼랑코에(Kalanchoe blossfeldiana)와 페튜니아에 도입 하였을 때, 칼랑코에는 마디수의 감소 없이 줄기 길이가 2배 줄어들었고 잎 크기와 엽병길이가 감소하였으며, 페튜니아는 줄기 길이가 3배 감소하였다고 보고하였다. 또한, Xie et al.(2015)은 국화유래 유전자 DmCPD와 DmGA20ox를 동시에 억제시켜 획득된 형질전환 국화가 일반 비형질전환체보다 초 장이 30% 짧았다고 보고하였다. C-repeat binding factor(CBF) 전사인자는 세포 주기를 조절함으로써 식물 성장과 발달에 중 요한 역할을 한다(Morran et al. 2011). Gao et al.(2018)은 산 국(Chrysanthemum lavandulifolium) 유래 유전자 ClCBF1를 분리하여 국화(C. morifolium)에 도입하였고, ClCBF1 유전자 가 도입된 형질전환체가 비형질전환체와 비교하여 초장, 잎길 이, 잎폭, 화경 등이 길어지거나 커졌고, 소화수도 많아졌다고 보고하였다.

    Wang et al.(2017a)은 덴드로비움(Dendrobium Chao Praya Smile) 유래 FLOWERING LOCUS T 및 FT-INTERACTING PROTEIN 유전자 DOFT와 DOFTIP1를 아그로박테리움과 유전자총을 이 용하여 덴드로비움에 도입하여 형질전환체를 획득하였고, 그 결과 DOFT와 DOFTIP1 유전자가 도입된 형질전환체가 위구 경 형성과 개화에 영향을 준다고 보고하였다. Glycine-rich proteins은 식물의 약기관 발달에 중요한 역할을 한다고 알려 져 있다(Shi et al. 2015). Yue et al.(2017)은 페튜니아로부터 PhGRP 유전자를 분리하였고, 유전자 PhGRP를 과발현시킨 페 튜니아 형질전환체가 비형질전환체에 비하여 약기관의 크기가 작고 길이가 짧아졌으며 웅성기관의 임성도 저하되었다고 보고 하였다. Kuluev et al.(2017)은 애기장대 유래 auxin-regulated gene involved in organ size-like 유전자 ARL를 아마란스 (Amaranthus retroflexus)에 도입하여 획득한 형질전환체가 비 형질전환체에 비해 줄기 길이가 21%, 잎 길이가 79%, 생체중 이 190% 증가하였다고 보고하였다.

    Gargul et al.(2015)은 식물의 방어 반응의 중요한 역할을 한다고 알려진 유사분열물질 단백질 인산화효소 유전자군 중 의 하나인 MAP kinase 4 nuclear substrate 유전자 MKS1을 칼랑코에와 페튜니아에 도입한 후 획득한 형질전환체들이 비 형질전환체에 비하여 초장이 칼랑코에는 6-13cm 작았고, 페튜 니아는 4-14cm 짧았다고 보고하였다.

    개화시기

    화훼를 포함한 작물의 개화시기는 광 또는 온도 등의 영향 을 받아 달라지며, 수확량 및 품질에 영향을 주므로 개화시기 의 조절은 재포기간의 단축에 의한 경영비 절감을 통한 소득 을 증대시킬 수 있다. 이에, 분화류 재배농가에서는 생장조절 제를 이용하여 개화시기를 조절하고, 국화 절화재배 농가에서 는 일장조절에 의하여 개화시기를 조절한다. 하지만, 인위적 인 개화시기의 조절이 쉽지 않아 유전자변형 기술을 이용하여 개화시기를 조절하는 시도가 계속되고 있다(Kim et al. 2015).

    광주기에 의한 식물의 개화에 관한 연구는 1852년 영국의 식물학자 Arthur Henfrey에 의해 처음으로 시도되었다(Kobayashi and Weigel 2007). 그 후로 개화시기 조절에 관한 연구는 주 로 애기장대를 이용하여 진행되어 개화기 조절 관련 다양한 유전자들이 보고되었고, 화훼류 개화기 조절 유전자변형 연구 또한 활발히 진행되고 있다. Xie et al.(2015)은 국화로부터 유 래한 왜화성 관련 유전자 DmCPD와 DmGA20ox를 동시에 억 제시킨 국화 형질전환체가 비형질전환체보다 화아가 12일 늦 게 형성되었다고 보고하였다. 또한, Gargul et al.(2015)은 MKS1 유전자가 도입된 칼랑코에와 페튜니아 형질전환체들이 비형질전환체에 비교하여 첫 번째 꽃이 칼랑코에는 15-20일, 페튜니아는 6-11일 늦게 피었다고 보고하였다. 다양한 색을 지니고 있는 글록시니아(Sinningia speciosa)는 개화시기가 길 어 분재화분으로써 가치가 높다. Li et al.(2019)은 애기장대 개화조절 유전자 miR172를 글록시니아에 과발현시킨 형질전 환체가 비형질전환체에 비해 50일 빨리 개화한 반면, 유전자 를 억제시킨 형질전환체는 비형질전환체와 비교하여 단일조 건에서 6일 늦게 개화하였다고 보고하였다.

    꽃 수명연장

    꽃의 수명은 상품성으로 직결될 수 있는 중요한 요인으로 국제연합(United Nations; UN)에 따르면 절화수명 연장에 대 한 상업적 가치는 전 세계적으로 약 40억 달러에 이른다고 한 다(Hoppen et al. 2019). 에틸렌은 식물의 노화촉진 등에 관 여하는 식물호르몬 중 하나로 유전자변형 기술을 이용하여 에 틸렌 생합성을 억제시킴으로써 꽃 수명을 연장시키려는 연 구가 활발히 진행되고 있다. Gehl et al.(2018)은 ETHYLENE RESPONSE 유전자 etr1-1을 도입한 제라늄(Pelargonium zonale) 형질전환체가 잎과 꽃의 수명이 연장되었다고 보고하였다. 또 한, Gehl et al.(2019)은 etr1-1을 도입한 칼랑코에 형질전환체 가 수명연장제(1-MCP; HarvistaTM)를 살포한 비형질전환체 보 다 오래 분화수명을 유지하였다고 보고하였다.

    내환경성

    지구온난화에 따른 기후변화에 대처하기 위하여 환경 스트 레스 극복을 위한 내환경성(내건성, 내염성, 내한성 등) GM 화훼작물 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. Zhao et al.(2019) 은 1년생 식물에서 생육 및 다양한 스트레스 반응에 관여하 는 벼 유래 microRNA393 유전자 Osa-miR393a를 creeping bentgrass(Agrostis stolonifera L.)에 도입한 형질전환체가 비 형질전환체에 비해 분얼지의 개수는 적었지만 길이가 길었으 며, 기공 밀도가 높고 큐티클 층이 더 밀집한 특성을 보였고 내건성이 증진되었다고 보고하였다. 또한, 형질전환체가 칼륨 을 더 많이 흡수하여 내염성이 개선되었으며, 열충격단백질의 낮은 발현을 통해 내서성도 증진되었다고 유추하였다. 비생물 학적 스트레스 저항성 관련 유전자에 대한 연구는 Qi et al. (2018)이 수수로부터 Sloan-Kettering retrovirus interacting protein 유전자 SbSKIP를 분리하여 페튜니아에 도입한 결과, 생장이 촉진되고 내건성이 증진되었다고 보고하였고, Zhao et al.(2018)은 내건성 증진에 관련한 DgNAC1 유전자를 과발현 시킨 국화 형질전환체에서 내건성이 증진되었다고 보고하였 다. Li et al.(2015a)은 생물적 또는 비생물적 스트레스에 대한 다양한 기능을 한다고 알려진 WRKY 단백질 유전자를 국화 ‘Zhongshanzigui’ 품종으로부터 분리하여 ‘Jinba’ 품종에 도입 한 형질전환체가 내염성이 저하되었다고 보고하였다. 또한, Gao et al.(2018)은 ClCBF1 유전자를 과발현시켜 내건성과 내 염성이 증진된 ‘White Snow’ 품종 유래의 국화 형질전환체를 획득하였다고 보고하였다. 그 밖에 내염성이 증진된 국화 형 질전환체가 다양하게 개발되었다(He et al. 2018;Liang et al. 2017;Li et al. 2018;Wang et al. 2017c;Wang et al. 2017d).

    Luo et al.(2017)은 bermudagrass 유래 S-adenosylmethione decarboxylase 유전자 CdSAMDC1을 centipedegrass(Eremochloa ophiuroides [Munro] Hack.)에 과발현시킨 형질전환체가 내한 성이 증진되었음을 보고하였고, Yu et al.(2018)은 화분관과 아 그로박테리움을 이용하여 토양박테리아 유래 choline oxidase 유전자 CodA를 수련에 도입하여 내한성이 증진된 형질전환체 를 개발하였다고 보고하였다. Zhang et al.(2018)은 creeping bentgrass의 녹숙기를 연장하기 위하여 Picea wilsonii로부터 분리한 dehydrin 유전자 PicW를 ‘Penn A-4’ 품종에 도입하여 내동성이 증진된 형질전환체를 획득하였다고 보고하였다. Li et al.(2017)은 광합성미생물 대사체 전자전달 플라빈 단백질 인 Fld 유전자를 시아노박테리아로부터 분리하였고, creeping bentgrass에 Fld를 도입하여 획득한 형질전환체가 산화적, 가 뭄, 열 및 질소부족 스트레스에 대해 저항성을 보였다고 보고 하였다. 또한, Wu et al.(2018)은 포유동물 유래 cytochrome P450 유전자 CYP2E1를 도입한 페튜니아 형질전환체가 체내 K+, H+, Ca2+ 등의 이온 유속의 변화와 칼슘결합단백질 (calmodulin) 함량 증가에 의해 포름알데히드에 대한 저항성 이 증진되었다고 보고하였다.

    내병성 및 내충성

    이상기후에 의한 작물의 재해는 세계적으로 증가하는 추세 이다. 병이나 해충과 같은 생물적 스트레스는 가뭄이나 염 등 의 비생물적 스트레스와 동시에 받는 경우가 흔하다. 병해충 에 대한 저항성 증진은 작물의 종류에 관계없이 중요한 육종 목표이나 교잡육종 기술에 의해서 저항성 식물체 개발이 쉽지 않아 유전자변형 기술을 이용하여 저항성 품종을 개발하려는 시도가 끊임없이 계속되고 있다.

    Kamo et al.(2015)은 박테리아 저항성 효과로 알려진 항미 생물 합성 펩타이드 유전자 D4E1을 도입한 글라디올러스 (Gladiolus) ‘Peter Pears’ 품종 유래 형질전환체가 마른썩음병 (Fusarium oxysporum f. sp. gladioli) 저항성이 증진되었다고 보고하였다. 또한, Kamo et al.(2016)은 항곰팡이 유전자 chloroperoxidase 유전자와 exochitinase 또는 endochitinase 유전자를 도입한 글라디올러스 ‘Peter Pears’ 품종 유래 형질전 환체와 비형질전환체를 비교하였을 때, 형질전환체의 뿌리에 서 병원균 발병이 줄었다고 보고하였다. Núñez de Cáceres et al.(2015)은 벼 유래 chitinase 유전자 RCH10을 나리 ‘Star Gazer’ 품종의 저반부에 도입 후 획득한 형질전환체가 Botrytis cinerea 에 저항성을 나타내었다고 보고하였다. Vieira et al.(2015)은 유전자총을 이용하여 선충의 소화단백질 분해효소의 억제기 능을 가지는 것으로 알려진 벼 유래 crystatin 유전자 OsIΔD86 를 나팔나리(Lilium longiflorum) ‘Nellie White’ 품종의 캘러스 에 도입한 후 획득한 형질전환체가 뿌리썩이선충에 대한 저항 성이 증진되었다고 보고하였고, Gargul et al.(2015)은 MKS1 유전자가 도입된 페튜니아 형질전환체가 비형질전환체에 비 교하여 박테리아 침입에 대한 내성이 증진되었다고 보고하였 다. Lipsky et al.(2016)은 무름병의 감수성을 감소시키는 기능을 가진다고 알려진 항미생물 펩타이드 tachyplesin 유전자 tpn1을 오니소갈룸 2 품종(Orinithogalrum dubium과 O. thyrsoides) 에 도입한 형질전환체와 비형질전환체의 잎에 인위적으로 무 름병세균(Pectobacterium carotovorum subsp. brasiliense)을 접종하였을 때 형질전환체에서 무름병세균이 덜 자라고 있음 을 확인하였다고 보고하였다. Wang et al.(2017b)은 국화 유 래 유전자 CmMYB19를 과발현으로 국화에 도입한 형질전환 체가 리그닌합성 증진을 통하여 진딧물에 대한 내성이 증진되 었다고 보고하였으며, Mitiouchkina et al.(2018)은 국화 유래 chrysanthemum virus B 피복단백질 유전자를 2개 겹쳐 정방 향으로 도입하거나 hairpin 구조로 도입하여 획득한 국화 형질 전환체가 비형질전환체에 비해 바이러스 저항성이 각각 16.7% 와 12.5% 증진되었다고 보고하였다.

    형질전환 기술

    형질전환 기술을 이용하여 식물의 특정한 형질을 변형시키 고자 할 때 형질전환 기술 확립 연구가 선행되어야 한다. 형 질전환 기술 중 CRISPR는 종래에 사용되던 제한효소나 다른 유전자가위와는 달리 특정염기서열을 인식하여 정교한 유전 체 편집이 가능하다. 더욱이, CRISPR는 단백질-DNA 결합이 아닌 RNA-DNA 결합을 사용하므로 외래 DNA가 도입되지 않 아 논란이 적으며, 외래 DNA-free 작물의 개발이 보다 용이하 다는 장점이 있다(Lee 2018). 하지만, 염기서열 정보가 밝혀지 지 않은 작물에서 CRISPR 기술을 활용하는 것이 쉽지 않아 현 재까지 화훼작물을 이용한 CRISPR 연구보고가 많지 않다. Watanabe et al.(2017a, 2018)은 CRISPR/Cas9을 이용하여 안 토시아닌 생합성관련 dihydroflavonol-4-reductase-B 유전자 DFR-B와 carotenoid cleavage dioxygenase 유전자 CCD4를 나팔꽃에 도입한 각각 형질전환체의 화색과 꽃잎색이 각각 보 라색에서 흰색 그리고 흰색에서 옅은 노랑색으로 바뀌었다고 보고하였다. Nishihara et al.(2018)은 CRISPR/Cas9을 이용한 flavone 3-hydrolase 유전자 F3H의 변이에 의해 토레니아의 화색이 자주색에서 담청색으로 바뀌었다고 보고하였다. 또한, 국화는 Kishi-Kaboshi et al.(2017)에 의해서, 페튜니아는 Zhang et al.(2016)과 Subburaj et al.(2016)에 의해서, 그리고 덴드로 비움은 Kui et al.(2017)에 의해서 CRISPR/Cas9 형질전환 기 술이 개발되었다. 그 밖에 형질전환 기술 확립에 관한 연구보 고는 Table 2에 정리하였다.

    기타

    향기 및 기능성 물질을 증가시킨 화훼류 형질전환체 개발 연구도 이루어지고 있다. Inthima et al.(2017)은 토레니아 유 래의 GA 20-oxidase 유전자 TfGA20ox2를 개똥쑥에 도입하여 항말라리아 화합물인 artemisin 함량이 2배까지 증가하였고, diterpenes 1.5배, sesquiterpenes 1.6배, monoterpenes은 소 량 증가되었다고 보고하였다. 또한, 2종류의 monoterpenes (eucalyptol, borneol), 4종류의 sesquiterpenes(α-caryophyllene, β-guaiene, β-cubebene, δ-cadinene), 1종류의 triterpenes (isomultiflorenone)은 형질전환체에서만 검출된 반면, diterpenes 종류인 D-α-tocopherol은 비형질전환체에서만 검출되었다고 보고하였다. Watanabe et al.(2017b)은 노란색 나팔꽃을 개발하 고자 미생물 유래 5종류의 카로티노이드 합성 유전자를 화색 이 흰색인 나팔꽃에 도입한 결과 비형질전환체에 비해 화색은 변화되지 않고 카로티노이드의 함량이 10-1,000배 까지 증가 하였다고 보고하였다. Oda-Yamamizo et al.(2017)은 애기장 대 chimeric repressor 유전자 ANAC046가 도입된 페튜니아 형 질전환체의 꽃에서 엽록소 파괴가 지연되었다고 보고하였고, Sun et al.(2017)은 프리지아 플라보노이드 3-O-glycosyltransferase 유전자 Fh3GT1을 과발현시킨 페튜니아가 안토시아닌 및 플 라보놀 함량이 증진되었다고 보고하였다.

    최근에는 식물을 이용한 바이러스나 세균성 병원균 항생제 대체 재조합단백질 생산 연구도 진행되고 있다. Lebedeva et al.(2017)은 돼지의 장에서 발견되는 항생제 대체재인 Cecropin P1을 식물로부터 생산을 시도하였다. Antimicrobial peptide 유전자 CecP1을 합성한 후 칼랑코에에 도입하여 형질전환체 를 획득한 결과, 형질전환체의 추출물이 기존 항생제를 대체 할 수 있는 효과를 보였다고 보고하였다.

    향후전망

    농촌진흥청에서는 2013년부터 2022년까지 ‘농업생명공학 중장기 기본계획’을 수립하여 이상기후 대응 및 환경재해, 내 병성, 내충성 작물 개발에 역점을 두고 연구가 진행되고 있다. 또한, 화훼작물의 새로운 품종개발 및 생산성 증대를 위한 다 양하고 새로운 육종기술 개발에 박차를 가하고 있다. 차세대 염기서열(Next generation sequencing: NGS) 분석 기술이 발 달하면서 유전자 정보를 분석하는데 비용과 시간이 획기적으 로 줄어들고 있어 유전자 정보를 활용하여 보다 다양한 화훼 품종 개발과 GM 화훼작물 연구개발의 기반을 구축하고 있다. 국립농업생명공학정보센터(NABIC)에 따르면 최근 농촌진흥 청에서 초고성능컴퓨터를 활용하여 벼 3,000 계통 엽록체 유 전체를 분석하였고, 2,746개의 엽록체 유전체 정보를 완전 해 독하였다고 보고하였다(http://nabic.rda.go.kr). 이러한 성과 는 벼뿐만 아니라 화훼작물에도 적용해 새로운 육종 기술을 개발하는 연구에 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 LMO(Living modified organism) 또는 GMO(Genetically modified organism)에 대한 부정적 인식으로 국내외적으로 GM 작물 연구개발 및 상업화 여건은 녹록치 않은 상황이다. 이에, 화훼작물에서도 유전자가위 기술을 활용하는 연구가 시 도되고 있으며, 최근에는 재조합단백질 생산 연구도 시도되고 있다. 새로운 육종방법으로 각광받고 있는 CRISPR/Cas9 기술 은 원하는 특정 유전자 염기서열을 정확하게 편집할 수 있는 장점이 있다. 앞서 언급하였듯이 CRISPR/Cas9 기술을 이용한 화훼작물 개발 연구가 몇몇 보고되고 있으며 현재에도 연구개 발이 지속되고 있다. 2016년 4월 미국에서 양송이버섯을 재료 로 CRISPR/Cas9 기술을 이용하여 유전자를 편집하는데 성공 하였고, 미국 농무성(USDA)은 GMO 규제를 하지 않기로 결정 한바 있다(Waltz et al. 2018). 이것은 미국 정부로부터 허가 받은 최초의 유전자편집 식품이며, 이후 30여종 이상의 작물 들이 GMO 규제 대상에서 제외되었다. 하지만, 여전히 윤리성 및 안전성 논란이 불가피한 실정이다. 특히, 안전성평가 실험 은 평가대상 작물의 종류를 기반으로 이루어지기 때문에, 많 은 수의 다양한 식물종류가 포함되어 있는 화훼작물의 경우에 는 각 작물에 대한 개별적인 평가 기반이 갖추어져 있어야 하 는 어려움이 있다. 이러한 문제점과 갈등을 극복하기 위해서 는 대중들에게 GMO에 대한 정확한 정보를 홍보할 필요가 있 다. GM 화훼작물 개발은 관상용 외에도 화장품 등의 원료로 사용할 수 있어 고부가 창출을 기대할 수 있다. 따라서, GM 화훼작물의 원료로써 활용성을 증대시키기 위한 효율적인 증 식 기술 개발 및 추출 방법 등 다양한 측면에서 연구가 체계 적으로 이루어져야 하며, 안정성 및 환경위해성 교육 및 평가 또한 체계적으로 이루어져야만 하겠다.

    초 록

    화훼작물의 새로운 품종 개발과 특성을 개선하기 위해 교잡 및 돌연변이 육종과 같은 기존 기술에서 유전자변형기술에 이 르기까지 다양한 육종 기술이 사용되고 있으며, 특히 화훼류 의 유전자변형기술은 화색변형, 화형 및 형태변형, 개화시기 조절, 꽃 수명연장, 내환경성, 내병성, 내충성 등의 목적으로 이루어지고 있다. 국내에서의 GM 화훼류 연구는 2000년대부 터 진행되었고, 현재는 장미, 국화, 카네이션, 페튜니아 등을 대상으로 형질전환체를 개발하고 있다. 호주의 Florigene사에 서 개발한 푸른 카네이션이 상업화되면서 일본 SUNTORY사 의 파란색 장미 그리고 호주 Florigene사의 시들지 않는 카네 이션이 개발되어 상용화되고 있으며, 더 많은 품종 개발과 판 매 시장이 증가하고 있는 추세이다. 이처럼 GM 화훼작물에 대한 연구성과는 급속도로 발전하고 있으며, 국내에서도 생명 공학 기술을 기반으로 형질이 우수하고 소비자의 선호도가 높 은 새로운 화훼 신품종 개발로 수출확대를 도모함으로써 농가 소득 향상을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 본 보고에서는 국내외에 최근 보고된 GM 화훼작물의 형질전환체 연구개발 성공 사례들을 소개하고, 그 요인 분석을 통해 향후 더 성공적 인 GM 화훼작물 개발 전략을 수립하는데 도움이 되고자 한다.

    추가 주요어: 유전자 변형 생물체, 육종기술, 형질전환 화훼식물

    사 사

    본 논문은 농촌진흥청 차세대 바이오그린21사업(과제번호: PJ01319803)의 지원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

    Table

    Recent domestic research report on genetically modified floricultural plants.

    Summary of recent research on genetically modified floricultural plants.

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