식물 육종의 기본: 선택적 육종을 통한 새로운 품종 개발

식물 육종은 원하는 특성을 생산하기 위해 식물의 특성을 바꾸는 기술이자 과학입니다. 수천 년 동안 실천되어 왔으며, 초기 농부들이 다음 세대에 심기 위해 매 수확 시 가장 좋은 종자를 선택하는 것에서 시작되었습니다. 오늘날, 식물 육종은 전통적인 기술과 현대 기술을 결합하여 더 생산적이고, 질병 저항성이 있으며, 다양한 환경 조건에 적응할 수 있는 개선된 품종을 만듭니다. 이 기사에서는 식물 육종에 대한 포괄적인 개요를 제공하며, 가장 오래되고 널리 사용되는 방법 중 하나인 선택적 육종에 중점을 둡니다.

선택적 육종이란 무엇인가?

인공 선택이라고도 하는 선택적 육종은 바람직한 특성을 가진 식물을 선택하고 이를 다음 세대를 생산하는 부모로 사용하는 과정입니다. 이 과정은 여러 세대에 걸쳐 반복되어, 원하는 특성을 점차적으로 개선합니다. 유전자 공학과 달리 선택적 육종은 식물 종 내에 이미 존재하는 자연적인 유전적 변이 내에서 작동합니다. 다른 종의 외래 유전자를 도입하지 않습니다. 그것은 인간에게 이익이 되는 방향으로 진화 과정을 안내하는 방법입니다.

선택적 육종의 원리

선택적 육종은 몇 가지 주요 원리에 의존합니다:

• 변이: 개체군은 관심 있는 특성에서 변이를 나타내야 합니다. 변이가 없으면 선택할 대상이 없습니다. 이 변이는 개체 간의 유전적 차이에서 발생합니다.
• 유전성: 원하는 특성은 유전성이 있어야 합니다. 즉, 부모에서 자손에게 전달될 수 있어야 합니다. 환경의 영향을 많이 받는 특성은 선택적 육종을 통해 개선하기 어려울 수 있습니다.
• 선택: 육종가는 원하는 특성을 가장 잘 발현하는 개체를 식별하고 선택할 수 있어야 합니다. 이를 위해서는 세심한 관찰, 측정 및 평가가 필요합니다.
• 번식: 선택된 개체는 자가 수분, 교차 수분 또는 영양 번식을 통해 번식할 수 있어야 합니다.

선택적 육종의 단계

선택적 육종 과정은 일반적으로 다음과 같은 단계를 포함합니다:

1. 육종 목표 정의

첫 번째 단계는 육종 목표를 명확하게 정의하는 것입니다. 개선하려는 원하는 특성은 무엇입니까? 예시는 다음과 같습니다:

• 수확량 증가 (예: 식물당 더 많은 곡물, 더 큰 과일)
• 질병 저항성 개선 (예: 곰팡이, 박테리아 또는 바이러스성 질병에 대한 저항성)
• 영양 성분 강화 (예: 비타민, 미네랄 또는 단백질 수준 증가)
• 특정 환경에 대한 적응력 향상 (예: 가뭄 내성, 내한성)
• 품질 특성 개선 (예: 더 나은 맛, 질감 또는 외관)

육종 목표는 구체적이고, 측정 가능하며, 달성 가능하고, 관련성이 있으며, 시간 제한적(SMART)이어야 합니다. 예를 들어, 육종 목표는 5년 이내에 가뭄이 발생하기 쉬운 지역에서 20% 더 높은 곡물 수확량을 가진 밀 품종을 개발하는 것일 수 있습니다.

2. 모본 식물 선택

육종 목표가 정의되면 다음 단계는 원하는 특성을 가진 모본 식물을 선택하는 것입니다. 여기에는 많은 수의 식물을 평가하고 육종 목표를 가장 잘 충족하는 개체를 선택하는 작업이 포함됩니다. 육종가는 종종 여러 특성을 동시에 고려하며, 한 특성을 개선하면 다른 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 모본 식물의 출처는 다음과 같습니다:

• 토착 품종: 수 세대에 걸쳐 농부에 의해 개발된 지역 적응 품종. 토착 품종은 종종 광범위한 유전적 다양성을 가지고 있으며 질병 저항성, 스트레스 내성 및 독특한 품질 특성을 위한 유전자의 귀중한 원천이 될 수 있습니다.
• 가보 품종: 여러 해 동안 가족이나 지역 사회를 통해 전해져 내려온 개방 수분 품종. 토착 품종과 마찬가지로 가보 품종은 고유한 특성과 유전적 다양성의 원천이 될 수 있습니다.
• 육종 계통: 육종 프로그램을 통해 이전에 선택되고 개선된 식물. 육종 계통은 종종 바람직한 특성의 조합을 가지며 더 나은 품종을 만드는 데 부모로 사용될 수 있습니다.
• 야생 친척: 재배 작물과 밀접하게 관련된 야생종. 야생 친척은 질병 저항성, 스트레스 내성 및 재배 품종에 없을 수 있는 기타 특성에 대한 유전자의 귀중한 원천이 될 수 있습니다. 그러나 재배 작물과 야생 친척을 교배하는 것은 어려울 수 있으며 특수 기술이 필요할 수 있습니다.
• 유전자 은행: 보존 및 육종 목적으로 유지되는 종자 또는 기타 식물 재료의 컬렉션. 유전자 은행은 육종가가 광범위한 유전적 다양성에 접근하려는 경우 중요한 자원입니다. 예로는 노르웨이에 있는 스발바르 글로벌 종자 금고와 전 세계의 국립 유전자 은행이 있습니다.

선택 과정은 시각적 관찰, 특성 측정 (예: 식물 높이, 과일 크기, 수확량) 또는 실험실 분석 (예: 질병 저항성 또는 영양 성분 검사)을 기반으로 할 수 있습니다. 어떤 경우에는 육종가가 표지 기반 선택 (MAS)을 사용하는데, 이는 DNA 표지를 사용하여 원하는 특성에 대한 특정 유전자를 가진 식물을 식별하는 기술입니다. MAS는 육종 과정을 가속화하고 더 효율적으로 만들 수 있습니다.

3. 교배

모본 식물을 선택한 후 다음 단계는 모본 식물 간의 교배를 만드는 것입니다. 여기에는 수컷 모본에서 암컷 모본으로 꽃가루를 옮기는 작업이 포함됩니다. 교배에 사용되는 특정 방법은 식물 종과 그 생식 생물학에 따라 다릅니다. 일부 식물은 자가 수분하며, 즉 스스로 수정할 수 있습니다. 다른 식물은 교차 수분하며, 즉 수정하려면 다른 식물의 꽃가루가 필요합니다.

교차 수분 식물에서 육종가는 종종 인공 수분을 사용하여 교배를 제어하고 원하는 모본이 사용되도록 합니다. 여기에는 자가 수분을 방지하기 위해 암컷 모본에서 수술 (꽃가루 생성 기관)을 조심스럽게 제거한 다음 수컷 모본에서 암술머리 (암컷 꽃의 수용 표면)로 꽃가루를 옮기는 작업이 포함됩니다. 그런 다음 꽃을 덮어 다른 식물이나 곤충에 의한 원치 않는 수분을 방지합니다.

교배로 생성된 종자를 F1 (첫 번째 자손 세대)이라고 합니다. F1 식물은 잡종이며, 즉 두 부모의 유전자 조합을 가지고 있습니다. F1 세대는 종종 균일하며 잡종 강세 (heterosis)를 나타낼 수 있으며, 이는 두 부모보다 더 활기차고 생산적임을 의미합니다.

4. 자손 평가 및 선택

다음 단계는 F1 식물을 재배하고 그 성능을 평가하는 것입니다. 여기에는 밭이나 온실에 종자를 심고 그 성장, 발달 및 수확량을 관찰하는 작업이 포함됩니다. 육종가는 식물 높이, 개화 시기, 질병 저항성 및 수확량과 같은 관심 특성에 대한 데이터를 조심스럽게 측정하고 기록합니다. 어떤 경우에는 작물의 영양 성분이나 품질을 평가하기 위해 실험실 검사를 수행할 수도 있습니다.

수집된 데이터를 바탕으로 육종가는 다음 세대의 부모로 사용할 성능이 가장 좋은 식물을 선택합니다. 이 과정은 여러 세대에 걸쳐 반복되어 원하는 특성을 점차적으로 개선합니다. 각 세대에서 육종가는 육종 목표를 가장 잘 충족하는 식물을 선택하고 나머지는 폐기합니다.

F1 세대가 다양한 특성에 대해 분리되기 때문에 선택 과정은 어려울 수 있습니다. 즉, F1 식물의 자손은 광범위한 변이를 나타내므로 가장 좋은 개체를 식별하기가 어렵습니다. 육종가는 원하는 특성의 조합을 찾을 가능성을 높이기 위해 많은 수의 식물을 재배하는 경우가 많습니다.

5. 품종 안정화

여러 세대의 선택 후에 결과 식물은 원하는 특성에 대해 더 균일하고 안정화될 것입니다. 즉, 자손은 부모와 더 가까워질 것입니다. 품종을 안정화하기 위해 육종가는 종종 근친 교배를 사용하는데, 이는 식물을 스스로 또는 밀접하게 관련된 개체와 교배하는 것을 포함합니다. 근친 교배는 식물의 동형 접합성을 증가시켜 각 유전자의 동일한 복사본을 더 많이 갖게 됩니다. 이것은 개체군의 유전적 변이를 줄이고 품종을 더 예측 가능하게 만듭니다.

근친 교배는 활력과 생식 능력 감소와 같은 부정적인 영향을 미칠 수도 있습니다. 이것은 근친 교배 우울증으로 알려져 있습니다. 근친 교배 우울증을 피하기 위해 육종가는 종종 단일 종자 강하 (SSD)와 같은 다른 기술을 사용하는데, 이는 각 세대에서 각 식물에서 하나의 종자를 선택하는 것을 포함합니다. SSD를 사용하면 육종가는 원하는 특성을 점차적으로 개선하면서 많은 양의 유전적 다양성을 유지할 수 있습니다.

6. 시험 및 출시

품종이 안정화되면 다양한 환경과 다양한 관리 관행에서 잘 작동하는지 확인하기 위해 테스트해야 합니다. 여기에는 여러 위치에서 현장 시험을 수행하고 새로운 품종의 성능을 기존 품종과 비교하는 작업이 포함됩니다. 이 시험은 새로운 품종의 수확량, 질병 저항성, 품질 및 적응성을 평가하도록 설계되었습니다.

새로운 품종이 시험에서 좋은 성과를 거두면 농부에게 출시될 수 있습니다. 출시 과정에는 일반적으로 정부 기관으로부터 공식적인 등록 또는 인증을 받는 것이 포함됩니다. 이를 통해 품종이 품질 및 성능에 대한 특정 표준을 충족하는지 확인합니다. 육종가는 또한 농부가 새로운 품종에 접근할 수 있도록 종자 생산 및 유통을 위한 전략을 개발해야 합니다.

선택적 육종 성공 사례의 예

선택적 육종은 전 세계적으로 작물과 가축을 개선하는 데 중요한 역할을 했습니다. 몇 가지 예시는 다음과 같습니다:

• 밀: 선택적 육종은 지난 세기 동안 밀 수확량을 극적으로 증가시켰습니다. 현대 밀 품종은 이전 품종보다 더 생산적이고, 질병 저항성이 있으며, 더 넓은 범위의 환경에 적응합니다. 노먼 볼로그가 이끈 녹색 혁명은 개발 도상국의 기아와 싸우기 위해 고수확량 밀 품종의 선택적 육종에 크게 의존했습니다.
• 쌀: 밀과 마찬가지로 선택적 육종은 특히 아시아에서 쌀 수확량을 크게 증가시켰습니다. IR8과 같은 반 왜성 쌀 품종의 개발은 식량 불안정에 대한 주요 돌파구였습니다.
• 옥수수 (옥수수): 선택적 육종은 상대적으로 비생산적인 작물을 세계에서 가장 중요한 작물 중 하나로 바꾸었습니다. 현대 옥수수 품종은 조상보다 훨씬 더 생산적이고, 질병 저항성이 있으며, 스트레스 내성이 있습니다. 서로 다른 두 개의 근교 계통을 교배하여 생산되는 잡종 옥수수는 높은 수준의 잡종 강세를 나타냅니다.
• 토마토: 선택적 육종은 다양한 모양, 크기, 색상 및 맛을 가진 다양한 토마토 품종을 생산했습니다. 육종가는 또한 흔한 질병과 해충에 저항하는 토마토 품종을 개발했습니다.
• 가축: 선택적 육종은 수 세기 동안 가축의 생산성과 품질을 개선하는 데 사용되었습니다. 예를 들어, 육종가는 더 많은 우유를 생산하는 소, 더 많은 알을 낳는 닭, 더 빨리 그리고 더 마른 돼지를 선택했습니다.

이것들은 선택적 육종의 많은 성공 사례 중 몇 가지 예일 뿐입니다. 선택적 육종은 전 세계적으로 식량 안보, 영양 및 생계를 개선하는 데 중요한 역할을 해왔습니다.

선택적 육종의 장단점

선택적 육종은 몇 가지 장점을 제공합니다:

• 상대적으로 간단하고 저렴함: 선택적 육종은 제한된 자원을 가진 육종가가 사용할 수 있는 비교적 간단하고 저렴한 기술입니다.
• 자연적 변이 내에서 작동: 선택적 육종은 종 내에 이미 존재하는 자연적인 유전적 변이 내에서 작동합니다. 이것은 다른 종의 외래 유전자를 도입할 필요를 피합니다.
• 여러 특성을 동시에 개선할 수 있음: 선택적 육종은 여러 특성을 동시에 개선하는 데 사용할 수 있습니다.
• 안정적인 품종을 생산: 선택적 육종은 여러 세대에 걸쳐 원하는 특성을 유지하는 안정적인 품종 개발로 이어질 수 있습니다.

그러나 선택적 육종에는 몇 가지 단점도 있습니다:

• 느린 과정: 선택적 육종은 상당한 개선을 달성하는 데 여러 세대가 필요한 느린 과정일 수 있습니다.
• 사용 가능한 변이로 제한됨: 선택적 육종은 종 내에서 사용 가능한 유전적 변이의 양으로 제한됩니다. 원하는 특성이 개체군에 존재하지 않으면 선택적 육종만으로는 도입할 수 없습니다.
• 근친 교배 우울증을 유발할 수 있음: 품종을 안정화하기 위해 종종 사용되는 근친 교배는 활력과 생식 능력을 감소시킬 수 있는 근친 교배 우울증을 유발할 수 있습니다.
• 원치 않는 특성을 의도하지 않게 선택할 수 있음: 선택적 육종은 원하는 특성과 관련된 원치 않는 특성을 의도하지 않게 선택할 수 있습니다.

선택적 육종을 보완하는 현대 기술

전통적인 선택적 육종이 여전히 기본이지만, 현대 기술은 효율성과 정밀도를 향상시킵니다:

표지 기반 선택 (MAS)

MAS는 원하는 유전자에 연결된 DNA 표지를 사용하여 개발 초기에 해당 유전자를 가진 식물을 식별합니다. 이것은 특히 직접 측정하기 어렵거나 비용이 많이 드는 특성 (예: 질병 저항성)에 대한 선택 과정을 가속화합니다.

유전체학 및 생물 정보학

유전체학의 발전으로 육종가는 식물의 전체 유전체를 분석하여 중요한 특성을 제어하는 유전자를 식별할 수 있습니다. 생물 정보학 도구는 유전체학 연구에서 생성된 방대한 양의 데이터를 관리하고 분석하는 데 사용됩니다.

고처리량 표현형 분석

고처리량 표현형 분석은 자동화된 시스템과 센서를 사용하여 대규모로 식물 특성을 빠르게 측정합니다. 이를 통해 육종가는 더 많은 식물을 더 정확하게 평가하여 선택 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

배가 반수체

배가 반수체 기술은 한 세대 만에 완전히 동형 접합 식물을 생성하여 육종 과정을 가속화합니다. 이렇게 하면 안정성을 달성하기 위해 여러 세대의 자가 수분이 필요하지 않습니다.

유전자 편집

CRISPR-Cas9와 같은 기술을 통해 육종가는 식물의 유전자를 정확하게 편집하여 원하는 특성을 도입하거나 원치 않는 특성을 제거할 수 있습니다. 선택적 육종 자체는 아니지만 유전자 편집은 새로운 변이를 생성하거나 결함을 수정하여 선택적 육종을 보완할 수 있습니다.

식물 육종의 미래

식물 육종은 21세기에 다음과 같은 수많은 과제에 직면하고 있습니다:

• 기후 변화: 증가하는 가뭄, 열 및 홍수를 포함하여 변화하는 기후에 적응하는 품종을 개발합니다.
• 새로운 질병 및 해충: 새로운 및 진화하는 질병 및 해충에 저항하는 품종을 개발합니다.
• 식량 수요 증가: 증가하는 세계 인구의 식량 수요를 충족하기 위해 작물 수확량을 늘립니다.
• 지속 가능한 농업: 물, 비료 및 살충제를 덜 필요로 하는 더 지속 가능한 품종을 개발합니다.
• 영양 안전: 영양실조 및 미량 영양소 결핍을 해결하기 위해 작물의 영양 성분을 개선합니다. 바이오 강화는 육종 또는 유전자 공학을 통해 작물의 영양 성분을 증가시키는 과정으로, 영양 안전을 개선하는 중요한 전략입니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 식물 육종은 지속적으로 혁신하고 새로운 기술을 채택해야 합니다. 여기에는 유전체학, 유전자 편집 및 고처리량 표현형 분석과 같은 고급 기술을 사용하는 것이 포함됩니다. 또한 새로운 품종이 지역 조건에 잘 적응하고 농부의 요구를 충족할 수 있도록 육종가, 연구원 및 농부 간의 협력을 촉진해야 합니다.

윤리적 고려 사항

식물 육종은 또한 다음과 같은 몇 가지 윤리적 고려 사항을 제기합니다:

• 종자 접근성: 농부가 저렴하고 고품질의 종자에 접근할 수 있도록 보장합니다. 종자 회사는 종종 새로운 품종의 특허를 내어 접근을 제한하고 종자 비용을 증가시킬 수 있습니다.
• 유전적 다양성: 작물의 유전적 다양성을 보존합니다. 몇 가지 고수확량 품종의 광범위한 채택은 유전적 다양성의 손실로 이어져 작물이 질병과 해충에 더 취약해질 수 있습니다.
• 소규모 농가의 영향: 새로운 품종이 개발 도상국의 소규모 농가에 도움이 되도록 보장합니다. 일부 새로운 품종은 소규모 농가가 접근할 수 없는 고가의 투입물이나 관리 관행을 필요로 할 수 있습니다.
• 투명성 및 대중 참여: 식물 육종에 대한 토론에 대중을 참여시키고 프로세스가 투명하고 책임성 있게 진행되도록 보장합니다.

이러한 윤리적 고려 사항을 해결하는 것은 식물 육종이 더 지속 가능하고 공정한 식량 시스템에 기여하는 것을 보장하는 데 필수적입니다.

결론

선택적 육종은 식물을 개선하는 강력한 도구이며 식량 생산을 늘리고 인간의 복지를 개선하는 데 중요한 역할을 했습니다. 선택적 육종의 원리와 기술을 이해함으로써 육종가는 더 생산적이고, 질병 저항성이 있으며, 변화하는 환경에 적응할 수 있는 개선된 품종을 개발할 수 있습니다. 기후 변화 및 증가하는 세계 인구와 같은 새로운 과제에 직면하면서 식물 육종은 식량 안보와 지속 가능한 미래를 보장하는 데 계속 필수적일 것입니다. 윤리적이고 지속 가능한 관행에 대한 헌신과 결합된 현대 기술의 통합은 모든 사람을 위한 식물 육종의 이점을 극대화하는 데 중요할 것입니다.