벼는 세계 인구의 절반 이상을 위한 주요 열량원으로서, 주 로 아시아 및 아프리카에서 재배된다(Mackill et al., 2012). 따 라서, 급격한 인구증가를 보이는 두 대륙에서 고수량성을 갖는 쌀품종을 개량하는 것은 필수적이다. 한편 아시아 고성장 지역 에서 증가하는 고품질벼에 대한 강한 요구에 따라, 벼육종에 있어서도 다양한 개량 형질에 대해 우선순위에 따른 보다 구 체적인 목표를 설정할 필요가 생겼다(Calingacion et al., 2014).

국제벼연구소(International Rice Reaserch Institute: IRRI)는 주요 저개발국가와 쌀을 기반으로하는 농업국가의 식량자급과 생산성 향상을 위한 품종과 재배기술 개발 및 보급하는데 주 력해 왔다 (http://irri.org/about-us/our-mission). 2012년 11월 29일, 국제벼연구소는 공식적으로 100,000번째 인공교배 조합 을 작성한 것에 대한 축하행사를 벌였다. 이 조합은 고수량이 면서 고품질벼인 IRRI 151과 미량원소가 많은 IR09M105간의 조합으로서, 최근 벼 육종 방향을 보여주는 좋은 예이기도 하 다(http://irri-news.blogspot.kr/2012/12/irri-breeding-marks-100000thcross.html). 국제벼연구소의 벼 품종개량의 효과는, 인도네시 아, 필리핀, 베트남 등 동남아지역에서, 연간 약 15억 달러의 경제적 효과에 기여하고 있는 것으로 추정되었다(Brennan and Malabayabas, 2011; personal communication with B. Collard)

IRRI는 전체 예산의 절반 정도를 품종개량에 투입하고 있는 것으로 보인다(personal communication with B. Collard). 다 양한 품종 개발 전략 중에서도, 전통적으로 IRRI의 가장 중요 한 육종 목표는 수량성 증대이다. 벼에 있어서 국제적 수준의 연구개발 노력으로 얻어진 생산증대 효과는 매년 1% 정도로 추정되었다(Global Rice Science Partnership; IRRI, 2010). 그러나, 2035년쯤 이르러 예상되는 수량 부족분인 연간 1억 1600만톤을 더 생산하기 위해서 세계적으로 매년 1.5% 정도 고수량 관련 기술을 개발을 해야 하는 것으로 추정되었다 (Fig. 1). 쌀 생산성을 높이기 위해서는 벼 생산시스템에 관여 하는 각 분야의 종합적인 노력에 의한 것으로서, 육종가와 농 민 또는 농업경영자 뿐만 아니라, 도정업자, 쌀 판매업자, 또 쌀 소비자의 기호도까지 고려하는 종합적 선호 품종이 선택될 수 밖에 없고, 전세계 최대 생산성은 각 지역별, 수요자별로 다분화되어 선택된 품종들의 수량성 증대 기술이 투입된 재배 를 함으로써 얻어질 수 있다는 것을 의미한다. 이렇게 다핵화 된 품종 기호도를 만족시키고 그것을 조속히 개발하기 위하여, IRRI는 최근 소위, ‘Breeding Factory’라는 개념을 내세운, Bill and Gates Melinda Foundation (BMGF)의 후원으로 Transforming Rice Breeding (TRB)이라는 프로그램을 통해, IRRI의 육종을 고효율화, 시장 중심의 육종으로 전환하여 육종효율화 사업을 시도하고 있다(IRRI, 2014). 이를 위해, (1) 세대 촉진, (2) 시장 요구에 따른 목표 설정, (3) 지역 거 점 연구자원 활용, (4) 성공모델 확립, (5) 비용과 투자에 대 한 재조명, (6) 철저한 가치 평가, 그리고 (7) 각 개발 단계의 서비스화를 추진한다.

벼에 있어서의 품종개발은 다른 작물과 마찬가지로 인공교 배나 돌연변이, 유전공학 등을 이용하여 변이를 창출하고 이 변이를 효율적으로 선발하고 고정시키는 과정으로 요약될 수 있다. IRRI의 품종육성은 대체로 인공교배를 통한 전통육종법 에 의존해 왔는데, 최근 발전된 다양한 분자생물학적 기법을 응용하는 분자육종법을 꾸준히 보완적으로 활용하고 있다 (Brar and Virk, 2010). 과거 중간모본을 육성하는데 걸리던 10 세대의 시간을 4~5 세대로 줄일 수 있다고 보는데, 이것은 분자육종 마커를 활용하는 고효율 분자마커 이용 여교잡육종 법을 기반으로 한다.

분자육종법은 자연에 존재하는 변이를 유전체 표현형과 분 자마커의 연관값과 그 유전력값을 활용하여 선발 개체의 규모 를 정하고 선발하거나, 신규 유전자를 미생물이나 기기적 방 법으로 직간접적인 방법으로 삽입하는 체계를 포함한다. 가장 대표적인 분자육종법으로 연관유전자들의 연관지도 작성, 물 리적 분리(gene mapping and cloning), 기존 유전체 내에 존 재하지 않는 유전자 또는 변이체의 삽입(transformation), 단염 기 수준의 인위적 돌연변이의 창생(genome editing) 등이 대 표적이다.

IRRI의 품종개량 과정에서 분자생물학 또는 분자유전학적 기법은 자주 활용되고 있다. 주요 양적형질유전자좌(QTLs: quantitative trait loci)에 연관된 분자표지를 활용하여 품종을 개발한 경우(Sub1, Pup1 등), 벼에 없는 유전자를 활용하여 광합성 효율이나 기능성 등을 증진하는 경우(C4 시스템을 이 용한 고광합성 효율 연구, 비타민A강화쌀 golden rice, 고철분 쌀, 가뭄저항성벼등; Barclay and Clayton, 2013) 등이 대표적 이다. 요컨대 현대 벼 육종 체계는 중요 형질에 연관된 유전 자나 양적형질유전자좌를 표지정보화하여 육종후대 계통들의 선발에 활용하는 기술을 포함하고 있다.

본 논문에서는 특히 저개발국가를 상대로 하여 다국적 협력 에 의한 벼 품종개발과 보급을 주도하고 있는 IRRI의 분자육 종에 대한 최근 진보를 다루려고 한다. 이것을 참고로 하여, 국제적으로 개방된 농업환경과 기후변화, 고품질, 수출형 벼품 종 개발 등, 다원화된 벼 품종 개발 목표를 추구하기 위한, 분자육종 활용 기술들에 대한 선택적 제안을 해 보고자 한다.

분자육종체계

벼의 분자육종 체계도 다른 식량작물의 경우와 유사해서, 신 규형질을 도입한다고 하여 수량과 품질을 놓치지 않는 품종을 개발하는 것을 기본으로 하고 있다. 따라서, 발굴 형질의 우수 성은 수량성과 품질 우수성을 포함한 여러 평가 단계를 거치 게 되며, 개량된 신품종의 형태로 농민과 소비자는 물론, 가치 사슬에 포함된 쌀산업 종사자 및 유통업자에게도 평가받게 된 다. 형질은 품종 개발 과정 중에 분자육종 체계 상에서 분자 표지의 형태로 표현되고, 그것을 통해 형질의 도입 여부를 판 정하게 되므로, 품종의 추가 개량 및 수량성, 품질 검토를 위 한 준비 계통인 중간모본을 평가하는 육종가나 과학자들에게 는 분자표지 자체가 평가의 대상이 된다.

이 장에서는 새로운 형질을 발굴하고 그것을 검정하여 도입 하는 분자육종체계에 주안점을 두고 소개하려고 한다(Fig. 2).

먼저 우수한 형질을 정의하기 위하여 목표 지역, 기후, 시장 의 특성 등을 잘 이해하는 육종가와 시장전문가, 경제학자를 비롯한 관련 연구자들이 모여 품종개발목표(Variety Development Profile: VDP)를 작성하여, 추가적인 목표 형질의 발굴 여부를 결정한다. VDP는 각 지역별 생태형별로 작성되는데, 가령, 동남아시아 일반벼육종 목표에 대한 VDP를 작성한다면, 품종개발 목표에 따라 (1) 목표 지역과 작부체계, (2) 필수 형 질, 그리고 (3) 선택 형질 또는 부가 형질로 나누어 프로필을 작성한다. 목표지역을 초고수량 벼 생산 지역이라고 하면, 생 산지원 시스템의 성숙도에 따라, 개발지역(필리핀, 인도네시아, 베트남)과 개척지역(미얀마)으로 나누어 품종 개발 수준을 조 절할 수 있다. 필수형질로는 (1) 수량: 현재 시점에서 가장 보 편적이고 우수한 품종 대비로 설명하는데, NSIC Rc 222 (필 리핀), Ciherang (인도네시아), OM4900 (베트남) 대비 5% 이 상의 수량 증대를 목표로 한다. (2) 초장: 95 ~ 130 cm 정도여 야 한다. (3) 생육기간: 100 ~ 120일이나, PSB Rc 10(필리핀) 수준보다 짧은 생육기간을 선호하며, 밀식재배의 경우 90 ~ 100일 정도를 목표로 한다. (3) 내병성목표로 백엽고병(Xa21, xa5, Xa7, Xa4, xa13: 중요도에 따라 정렬), 도열병(Pi2, Pi9), 퉁그로바이러스 (필리핀) 등에 대한 저항성이 중요 목표가 된 다. (4) 미질: 중간정도의 장립형이며, 21 ~ 22% 수준의 아밀 로스함량, 중간 정도의 호화도를 갖는데, IR64를 표준으로 본 다. 선택형질 (부가형질)로는 (1) 비생물스트레스의 경우, 내침 수성, (2) 병충저항성으로는 멸구 저항성(Brown plant hopper, Green leaf hopper)이 중요하다(personal communication with B. Collard). VDP를 작성함으로써 다양한 품종 개발 목표 형 질을 정리할 수 있는데, 이 과정을 통해 설정된 정량적인 목 표는 분자육종을 이용한 품종 개발의 방법과 그 성과를 더 분 명하게 평가하는데 도움을 주어, 수요자 중심의 품종개발 목 표를 단계별로 설정하는데 도움을 줄 것으로 보인다.

충분한 유전력을 가진 목표형질의 경우, 연관 분자마커가 없 는 경우에는 보통 관련 유전자의 개수에 따라 새로운 양적형 질유전자좌 또는 유전자를 탐색하여 분리한다. 우선적으로 목 표형질을 함유하고 있는 공여품종(또는 모본)을 종자은행 또 는 돌연변이 집단 등에서 적절한 표현형 선발 기준에 따라 선 택한다. 형질은 Fig. 2에서 제시된 바와 같이 표현 수준이 분 명하고(effective), 도입후 상가적(additive) 효과가 확인될 수록, 단기간 내 개발이 되어 활용할 수 있는 형질로 이해되므로, 현재의 분자육종 체계에서 그 효과를 비교적 용이하게 확인할 수 있을 것으로 여겨진다. 보통 관심 형질이 분자육종체계에 따라 활용될 수 있는지 여부는 연관지도를 작성함으로써 알 수 있다. 연관지도 작성 후, 교잡 후 2~3세대 후대 분리세대 에서 연관 분자표지를 개발하여, 그 형질을 함유하는 식물체 를 개발하게 된다. 최근에는 저비용으로 전장게놈 수준의 설 명을 위한 분자표지 기술들이 개발되고 있어서, NGS (nextgeneration sequencing) 법으로 생물정보학 분석도구를 활용하 여 유용 변이 연관 SNP (single-nucleotide polymorphism)를 직접 추출하거나, 다양성 품종집단을 활용하여 전장유전체 수준의 SNP를 포함한 분자표지 칩셋(Infinium 6K SNP, Fluidigm 등)을 활용할 수 있다. 유전체 수준의 변이에서 분자표 지를 다량 추출하여 활용하면 QTL을 한 개씩 분리한 계통을 선발하는 것에서 진일보하여, 다수의 QTL을 함께 함유한 계 통들도 보다 저렴하게 신속하게 개발할 수 있게 된다.

선발 효율이 좋은 연관 SNP 마커를 다량 발굴하기 위하여, Syngenta 등의 다국적 기업의 경우 IRRI간 협력과제인 SKEP (Scientific Know-How and Exchange Program)을 통해, 품질, 내병성, 수량구성요소에 관련된 다수 유전자에 대한 마커를 발 굴 및 검정하고 있다. 환경스트레스 관련 형질들은 Sub1을 필 두로 하여, 기후변화 대응 및 수량성, 미질 개선에 도움이 되 는 유전자에 연관된 SNP 마커 개발을 서두르고 있다(Personal communication with M. Thomson).

개발된 분자표지는 다양한 재배 환경에 처한 다수의 품종에 도입되었을 때에도 만족할 수준의 연관 정도와 유전력을 보이 는지 검정해 보아야 한다. 육종적으로 의미있는 형질이라면, 우선적으로 농민과 소비자가 선호하는 품종에서 해당 형질이 원하는 수준 이상의 특성(표현형)을 보여야 한다. 그런데, 교 잡에 의해 형질을 도입할 때, 해당 형질을 함유한 중간모본은 우수 품종과 높은 조합능력을 보일수록 유리하다. 우수 품종 이란, 육종 목표에 따라 더욱 다양화될 것이기 때문에, 결국 다양한 배경을 가진 중간모본을 다수 육성하여 평가해야 한다.

단수의 형질을 도입하는 것을 넘어서서, 육종목표의 다양화 를 위하여 다수의 형질을 함께 도입하는 시도들이 늘고 있다. 분자육종법을 통해, 염색체 위치와 기능이 밝혀진 다수의 형 질을 함유한 중간모본을 함께 조합하는 것도 가능하다. 다양 한 형질의 조합을 가진 계통들은 다수의 지역과 시기에 걸쳐 반복 시험을 통해, 여러 유전적/환경적 배경에서 그 개별적 효 과를 보이는지에 대하여 검정받게 된다. 이때 훌륭한 중간모 본은 목표형질의 도입 여부 이외에도 일반형질, 수량, 품질, 기 호도를 바탕으로 한 종합적인 선발을 거치면서도, 해당 형질 의 육종가(breeding value)가 분명히 나타날 것이다. 즉, 기존 품종이 가지고 있는 우수한 수량성, 품질, 기타 우수형질의 효 과를 낮추지 않으면서도, 도입 형질들의 개별적/상보적 효과를 확인할 수 있다면, 비로소 고효율 분자육종 체계를 위한 우수 중간모본으로 활용될 수 있다고 볼 수 있다.

이러한 분자표지 이용을 단계적으로 접근하는 소프트웨어 적 전문가시스템의 사례로, Generation Challenge Program (GCP)은 Breeding Management System (BMS; https://www.integratedbreeding.net/22/breeding-management-system/)을 들 수 있다. BMS의 단계적 구조는 (1) 형질분석 계획, (2) 유전분 석데이터 처리, (3) QTL 분석, (4) 분자육종 선발로 나뉠 수 있으며, 각 단계에 대한 소프트웨어(Molecular Breeding planner, Genetic Data Management System, QTL and statistics software, OptiMas, Molecular Breeding Design Tool)가 프리 웨어로 제공되며 데이터 융합을 꾀하고 있다. 그런데, 한편으 로는 실제 육종 현장에서 이러한 시스템의 활용도를 높이기 위하여, 해당 식물체를 분자표지 정보로 선발하는 연구자와 온 실 및 포장에서 근무하는 기능원과의 정보교환을 보다 용이하 고 신속하게 할 필요가 있으며, 이에 대한 추가적인 지원 소 프트웨어를 개발할 필요가 있다.

IRRI의 벼 분자육종

IRRI는 분자육종법을 활용하여 다수의 우수 계통과 품종들 이 동남아시아 및 남아시아, 아프리카 각지 현장에서 평가한 후, 국가품종목록 등에 출원 및 등재하였다(http://irri.org/ourwork/research/better-rice-varieties). 보다 효율적인 분자육종 품 종 개발 시스템을 구축하는 것이 현재 IRRI의 육종 분야 당 면 과제 중 하나이다(TRB). 이 장에서는 신형질 및 분자마커 개발 및 활용을 기초로 한 IRRI의 최근 분자육종 방법을 단 계별로 설명하였다. Fig. 3

유전자 다양성 연구

신품종 육성을 위한 신소재 또는 형질을 찾기 위한 첫단계 는 유전자의 다양성 연구에 있다. IRRI의 벼 3000품종 시퀀싱 프로젝트(일명 3K rice genome project)는 IRRI (2,466 품종)와 중국(534품종)에서 수집된 품종들과 육성 계통들을 차세대게 놈분석(Next Generation Sequencing) 방법으로 전장유전체 수 준의 변이를 조사하였다(3K Rice Genome Project: 2014; Alexandrov et al., 2015). 3000 품종의 염기서열을 벼의 표준 유 전체인 Nipponbare (일본청)의 유전체와 대응시킨 물리적 지 도상의 품종별 SNP 변이가 온라인에 공개되었다(Alexandrov et al., 2015; http://www.oryzasnp.org/iric-portal/). 다수 품종 간 염기서열의 차이를 분석하면, 관심 형질에 연관된 염색체 부위의 변이를 추출할 수 있게 된다. 변이에 연관된 분자표지 를 설계 및 이용하여 재조합계통을 선발하는데 활용할 수도 있 고, 유전체 선발(Genomic Selection)을 위한 haplotype를 고를 수도 있다. 그런데, 현재 발표된 변이는 유전체 분석 표준 품 종으로 자포니카인 Nipponbare를 기준으로 하였기 때문에, 그 품종에 존재하지 않는 변이에 대한 정보를 직접 활용하기 어 려웠는데, 이에 IRRI의 생물정보팀은 Kasalath, IR64, DJ123 (Sakai et al., 2014; Schatz et al., 2014)등 추가로 발표된 전 장게놈에 대하여 맵핑하여 변이를 추가로 발굴하였다 (personal communication with R. Mauleon). 인디카와 자포니카, aus 등의 품종군의 유전체에 물리적 맵핑이 가능한 Pan-genome이 라고 불리우는 이상적인 벼 품종의 형태로 유전체 분석결과를 결합하려는 노력을 하고 있다 (Schatz et al. 2014). 관심 형 질 연관 염색체 부위가 Nipponbare와 맵핑되지 않는 경우에는 , 부근에 위치한 SNP나 Indel 변이를 비교하여 마커개발에 활 용할 수 있다.

고효율 분자마커 시스템

지속적으로 유전체 시퀀싱 비용은 감소하고 있으나, 단순 형 질을 도입하는 육종 방법의 경우에는 소수의 분자표지를 이용 한 선발이 더욱 효율적이다. 비생물 및 생물 스트레스 저항성 에 대한 유전자 및 QTL에 대한 분자마커들이 활용되고 있는 데, 다양한 품종들에 마커이용여교잡법(Marker-assisted backcrossing: MABC) 또는 마커이용선발법(Marker-assisted selection: MAS)으로 다양한 품종에 도입되어 계통육성에 활용되고 있다. Table 1은 IRRI 프로그램에서 대표적으로 품종개발에 활용되어 온 비생물/생물 스트레스 저항성 QTL 및 유전자와 그 효과를 정리한 표이다. 한편, 품질과 수량 관련 형질들은 단일 유전자의 효과에 의존하기보다 다수 유전자의 집적에 의 한 상호작용 효과에 따라 결정되기 때문에, 다수의 유전자에 대한 유전자특이적 마커를 개발하여, 마커이용순환선발법 (Marker-assisted recurrent selection: MARS)에 의한 계통육성 법을 꾀하고 있다(Ye et al. 2013). 또, 내염성 등 뚜렷한 주 요 인자에 대한 정보가 부족한 경우, 다수의 저항성 품종 모 본을 교배하는 교잡 분리 집단에서 연관 QTL 지역 이외의 부위는 분자마커로 유전분석을 수행하고, 동시에 표현형으로 선발하는 분자마커이용 표현형선발법(Marker-assisted background selection with phenotypic screening)도 시도되고 있다 (personal communication with R. Islam).

고효율 분자육종법은 고효율 분자마커시스템을 필수적으로 활용하게 된다. IRRI에서도 단인자염기변이(single nucleotide polymorphism: SNP)를 집적한 마커 칩셋을 활용하고 있다. IRRI에서는 Genotyping Service Lab (GSL)에서 실비로 유전 분석비용을 받고 분석을 하는데, 유전분석을 하고자 하는 샘 플과 마커의 크기에 따라 분석 방법이 달라지게 된다(Thomson, 2014). IRRI-GSL에 설치되어 있는 유전분석 도구로는 2015년 현재, Fluidigm 사의 EP1 시스템(24 samples × 192 markers, 96 × 96), Illumina 사의 Infinium 6K SNP (실제로는 샘플당 변이수준에 따라 4~5천개 정도의 유전분석 데이터를 얻게 됨, 384 샘플)을 활용하게 된다. Infinium chip은 유전자다양성 연 구, GWAS (Genome-wide Association Study), 육성 계통의 프로파일링, 유전체선발 등에 활용될 수 있으며, Fluidigm은 QTL mapping, MABC, MAS 등에 주로 활용된다. Infinium 은 마커가 칩셋에 고정되어 모든 마커를 한꺼번에 분석해야 하는 반면, Fluidigm은 마커의 종류와 개수를 분석 전에 사용 자가 변경할 수 있다는 장점이 있다.

고효율 분자마커 시스템의 비용적 측면을 고려할 때 함꼐 생각해야 할 부분으로서, (1) 샘플당 가격(Fluidigm은 10달러 내외, Infinium은 48달러 내외), (2) 식물체 샘플링(PlanTrak 시스템) 및 농도 균일화(Kingfisher 시스템)를 위한 비용, (3) 분자육종을 위한 칩셋 구성 및 데이터분석을 위한 생물정보학 적 도구를 활용하는 비용을 들 수 있다 (http://gsl.irri.org).

요컨대, 분자육종 시스템에서 SNP 시스템은 각 개발 단계 (또는 세대)에서 분석 시료와 분자표지의 구성에 따라 최적화 된 방법에 따라 설계되어야 한다. 더욱이 기성품으로 제작된 칩셋은 Nipponbare 유전체 정보를 바탕으로 제작되었기 때문 에, 형질 발굴 당시에 활용된 PCR 및 젤 이용 전기영동 시스 템을 활용할 수 밖에 없을 수도 있다. 이 경우, 새로운 고효 율 시스템에 맞도록 추가적인 분자표지를 재설계하고 검토해 야 한다. 한편, 젤 이용 전기영동을 광학적인 방법으로 치환한 Fragment Analyzer는 SNP로 재설계가 어려운 유전자 또는 QTL-특이적인 마커에 대하여 보완적으로 활용되고 있다 (Fig. 4). 한편, 정확한 염색체 삽입 부위를 분석하기 위하여 재조합 부위 특이적 마커(recombinant marker)를 설계해야 하 는데, 이때 정확한 재조합 부위를 여러 세대에 걸쳐 저가로 활용하려면, 교배 조합에 사용되는 모본의 전장유전체 수준의 다형성을 분석하여 칩셋을 조기에 개발하면 된다.

형질 집적과 중간모본 작성

IRRI는 우수 형질을 우수 품종에 도입하여 그 효과를 극대 화하기 위해 MABC법을 적극 활용하고 있다. 기존의 MABC 법은 주요 양적형질유전자좌 또는 유전자를 단순히 1 ~ 2개의 특이적마커를 활용하여 도입 계통을 선발하였으나, 최근에는 다양한 형질을 집적하여 복합형질을 집적하는 데 초점을 맞추 고 있다(Takeda and Matsuoka, 2008).

다수의 복합형질을 집적한 중간모본을 개발하여 이용할 경 우, 형질 도입을 위한 교배 회수를 줄일 수 있고, 후속 세대 에서 다양한 형질이 조합된 자매 계통들을 동시에 선발할 수 있기 때문에, 중간모본 및 품종을 개발하는 데 걸리는 기간을 획기적으로 줄일 수 있다. 그런데, 다수의 형질이 집적되기 위 하여, (1) 목표 형질간 길항적 상호작용 효과가 최소화되어야 하고, (2) 수량과 품질의 저하를 가져오는 유전적 견인 (genetic drag)의 효과가 적거나 없어야 하며, (3) 복수 분자마 커를 용이하게 활용할 수 있으면 바람직하다.

그런데, 다수 형질의 도입에 의한 상호작용에 대한 데이터 를 축적하는 것은 비용이 많이 들고 조사 방법을 설계하는 것 이 비교적 어렵고, 기존 우수 보급 품종 및 계통들은 이미 다 수의 우수 형질을 확보하고 있을 것이기 때문에, 개발하고자 하는 품종을 각 형질의 유무에 관하여 유전분석 방법으로 프 로파일한 후, 추가로 필요한 형질만 도입하는 것이 더욱 효율 적이다. 침수저항성 (Sub1)의 예를 들면, Sub1 특이적인 sc3 마커를 활용한 유전분석의 결과, IR64-DTY_2.2+4.1은 Sub1를 함 유하고 있지 않고, IR64-HTSF_4.1은 Sub1을 함유한 것으로 분 석되는데, 모두 중 정도 수준의 침수 스트레스에 저항성을 보 였다. 따라서, 이 두 IR64 계통은 굳이 Sub1 도입을 해서 침 수저항성을 향상시킬 필요가 없다(Fig. 5).

한편, 목표 형질이 기존 우수 품종에 존재하지 않을 경우에, 도입 효과는 더욱 클 수 있다. 가령, Pup1의 경우, Dodokan 이라는 인도네시아 밭벼 품종은 이미 Pup1의 중요 유전자인 OsPupK46-2와 OsPupK29-2, OsPupK20-2를 모두 함유하고 있어서, 관련 유전자를 함유하지 않은 Situ Bagendit의 경우보 다 Pup1의 도입 이후 효과가 작았다(Chin et al., 2011).

형질연구의 초기에 활용된 품종을 육종 프로그램의 모본 재 료로 활용하여 개발을 시작하면 많은 어려움이 생길 수 있다. 기보고된 다수의 스트레스 관련 형질들은 Sub1, Pup1, AG1, Snorkel 등의 사례에서 보듯이, 재래종에서 유래하는 경우가 많다(Bailey-Serres et al., 2010; Gamuyao et al., 2012; Hattori et al., 2009; Krtezschmar et al., 2015). 재래종을 직접 다수 성 고품질 우수 품종과 교잡할 경우에, 목적형질과 불량형질 과 강하게 연관되어 유전적 견인에 의하여 불량형질이 함께 도입되기 때문에 성공적인 품종이 되는데 매우 많은 노력이 필요하다. 실례로, 1950년대에 침수저항성 재래종들을 발견한 후, 1970년대에 체계적인 표현형 스크리닝 기법을 활용하여 선발된 FR13A은 광민감성, 낮은 품질과 잠재수량성, 기타 불 량형질들 때문에 전통적인 교배육종만으로 우수한 품종을 개 발하는데 어려움을 주었다. 그러나, 분자표지의 도움으로 Sub1 외 염색체 부위의 도입이 최소화되어 우수한 침수저항성 품종 을 다수 개발할 수 있었다(Bailey-Serres et al., 2010). 즉, IR64에 Sub1을 수차례 여교배를 통해 연관 염색체 단편의 크기 가 최소화된 NILs (near-isogenic lines)를 활용함으로써 다수의 후속 품종을 신속하게 개발하게 되었다. Ye and Smith (2010) 는 각 형질별 NIL을 여교배법으로 작성한 후, 순차적으로 교잡 함으로써 형질 조합의 효과를 극대화할 수 있을 것으로 제안하 였다. 다수의 형질이 조합되는 과정에서 유래되는 불량형질의 유전적 견인이 누적되는 효과를 최소화하기 위해서이다.

그러나, 품질과 수량에 관계된 형질의 경우에는 관련 유전 자를 개별적으로 도입하는 것은 거의 불가능한 것으로 보인다. 종자형에 대한 부분만 보더라도 천립중은 거의 160개, 종자길 이는 거의 100개에 이르는 QTL이 발표된 것으로 생각되며, 이들은 거의 모든 염색체에 분포하고 있는 것으로 보고되었다 (Huang et al., 2013). 또, 벼 심백에 관계된 QTL만 하더라도 140개의 QTL이 보고되었다 (Wan et al., 2005). 결국, 다수의 유전자가 관여하는 형질에 대해서는 기존 우수 품종이 기보고 된 수량과 품질에 대한 우수 유전자를 어떻게 함유하고 있는 지 조사한 후, 교배 등을 통한 집적 후에 유전체 수준에서 유 전자 집적 정도를 판별하여 선발하는 방법을 우선적으로 고려 할 수 있다. 품질의 경우, 우수 유전자가 다수 집적되었다 하 여 꼭 우수 표현형을 보이는 것도 보장되지 않기 때문에, 대 체로 강한 유전력을 가진 표현형의 유전자를 우선적으로 집적 한 후, 각 분자마커의 값에 대한 가중치를 부여하여 선발지표 로 활용하고자 한 연구가 있다(Lestari et al., 2009, 2015). 한편 IRRI에서는, 기발표된 주요 수량관련 형질을 MAS로 집 적하여 수량구성요소간 상호작용을 분석하고 있다(personal communication with KK Jena). 또, 보통 스트레스를 받은 식 물체는 품질이 저하되는 경우가 있으므로, 저항성 육종과 함 께 품질의 보존을 꾀해야 하는데, 고열장해 하에서, MAS 육 종과 생화학적 분석의 조합을 통해, 심백을 제거하는 연구도 진행되었다(Sreenivasulu et al., 2015).

한편, 품질과 수량성 유전자를 다수 집적하기 위해, MARS (Marker-Assisted Recurrent Selection)이나 MAGIC (Multiparent Advanced Generation Inter-Cross populations, Bandillo et al., 2013) 등의 집단육성법을 이용한 방법도 활용되고 있다. 그런데, 우수 개체 선발 여부는 초기 집단 작성 계획 당시에 어느 품종을 조합하느냐에 따라, 우수 형질이 함유된 조합 계 통의 선발 가능성이 높아지므로, 시작 품종은 육종가/유전학자 심지어 재배, 환경, 토양, 병리학자를 아울러 심도있는 토론에 의해 결정되었다. 다시말해, 근미래 시장에서 어느 형질이 가 장 우선적으로 개량되어야 하는지에 대한 목표를 전공간 토론 (inter-disciplinary discussion)에 통해 설정했다는 점이 중요하 다. IRRI는 일반적인 고수량-고품질 MAGIC 집단을 발표한 데 뒤이어, 고열장해 관련 Heat-MAGIC, 비생물스트레스 관련 MAGIC 등을 순차적으로 개발하고 있다. 그런데, MARS와 MAGIC 등 집단육성법에서 간과하지 말아야 할 것은 품종간 의 조합능력으로, 시작 품종간에 발생할 수 있는 잡종장벽에 대한 이해를 놓치지 말아야 한다. 실제로 indica-japonica 교 잡을 포함한 MAGIC-global의 경우, 잡종화 초기에 많은 수의 불임계통 및 불량계통을 제거해야 함으로써, 후대에 indicaindica간 조합인 MAGIC-indica에 비해, 임의적으로 제거된 계 통이 더 많았던 것으로 보였다(personal commination with G. Gregorio and H. Leung).

최근에는 유전체정보를 이용하여 선발하는 유전체선발 (Genomic Selection: GS)이 관심을 받고 있다. 벼의 경우, 363개 품종의 수량, 출수기, 초장에 대한 3년간 데이터를 이용 하여 Training population (TP)의 데이터를 통해 GEBV (genomic-estimated breeding value)를 추측하고 그것을 차년의 데이터에서 검정한 연구가 있다(Spindel et al., 2015). 추측된 GEBV는 재배 실측데이터와의 상관값을 통해 검정되었는데, 수량과 출수기의 경우 각각 31%, 63% 정도로 보였다고 한다. 이것은 계통선발법에만 의존하여 선발한 경우보다 훨씬 높은 값이라고 하는데, 실제 육종에서는 F₃과 F₈ 정도에서 두 번 GEBV를 추측하여, 수량 관련 염색체 단편을 갖는 haplotype 을 갖는 계통을 선발하고, MET (multiple-environment testing) 단계에서 GEBV를 바탕으로 선발된 계통 약 300개를 모집단 으로 하여, 재차 순환선발법을 적용하는 방식을 제안하였다. GS는 굳이 각 품종이나 계통의 형질에 연관된 유전인자를 구 명하여 선발에 활용하지 않고, 오로지 염기서열과 표현형의 변 이간 상관만을 근거로 한다는 점에서 다수 유전자 관련 형질 을 함유한 계통을 선발하는 데 탁월한 방법이라고 볼 수 있다. 더 효과적인 선발을 위해서는 충분한 재조합체를 만들 수 있 는 크기의 집단을 작성하고, 무작위적인 교배가 가능하도록 하 는 고효율 교배 시스템을 유지하는 것이 중요하다. 또, 생물정 보학과 통계게놈학 연구자들과 협력하여 방대한 양의 데이터 처리를 위한 기술과 개체선발을 돕는 소프트웨어적 기술의 도 움을 받는 것이 필수적이다.

IRRI에서 가장 역점을 두고 있는 비생물스트레스인 한발, 침 수, 염해 및 불량토양에 대한 MAS 및 MABC 분자육종에 대해서는 이미 여러 문헌을 통해 요약 보고된 바 있다(Collard et al., 2013; Gregorio et al., 2013; Islam and Gregorio. 2013; Kumar et al., 2014). 또, BMGF의 지원을 받은 STRASA (Stress Tolerant Rice for Africa and South Asia) 프로그램도 이 세 가지 스트레스에 더하여 도열병, 백엽고병, Rice Yellow Mottle Virus 등을 도입하는데 MAS법을 활용하고 있으며, 개발 품종 목록은 홈페이지에서 확인할 수 있다(http://strasa.irri.org). 특히, 품종이 보급될 지역을 남아시아와 동아프리카의 몇 나라에 제 한하고, 그 지역에 알맞는 육종 프로필(Variety Development Profile: VDP)에 따라 결정된 우선 형질을 도입하는 것을 목 표로 하고 있다. 품종 육성을 소비자가 선호하는 형질에 우선 하는 육종을 COB (Customer-oriented breeding)라고 하는데, Sub1의 경우, 분자육종의 경우에도 지역 농민, 현지육종가, 소 비자들과 함께 우수 계통을 선발하는 참여육종 (participatory breeding)이 적극 활용되고 있음을 구체적인 사례를 통해 보여 주고 있다(Singh et al., 2013). 분자육종의 성과를 잘 알리기 위해서는, 실제 농업 생산성을 증대시키고 농민, 생산자, 소비 자가 그 효과를 체험하도록 하여, 공공부문과 민간부문의 지 속적인 관심을 이끌어내는 선순환적 구조를 만드는 것이 중요 함을 보여주는 좋은 사례로 볼 수 있다.

고효율 표현형 분석 시스템

유전체 시퀀싱은 2015년 6월 현재, Mb당 0.05 USD에 가 능하다(Wetterstrand, 2015). 이에 따라, DNA마커를 이용한 분석법이나 유전체선발 등의 방법은 더욱 저렴한 가격에 가능 해질 것이다. 그런데, 세밀한 염색체 단편을 충분히 표지할 수 있는 분자표지 시스템을 활용할 수 있다고 하더라도, 유전자 기능에 연관된 SNP를 정확히 표지하는 고효율 분자표지 시스 템의 활용이 아직 미진할 뿐만 아니라, 유전자 상호작용에 대 한 이해가 아직 부족하기 때문에, 정교한 표현형 측정 방법이 동시에 개발 적용되어야 한다. 이 시스템은 통계적으로 유의 성을 보여줄 만큼 충분한 식물체 샘플을 동시적으로 조사할 수 있어야 하고, 경제적이며, 반복적이고 재현성이 좋아야 한 다. 또, 해당 형질의 표현형과 분자마커에 의한 결과가 강한 상관관계를 보여야 한다. 따라서, 표현형 조사 기법은 관련 형 질을 어느 수준으로 세밀하게 정의하느냐에 따라 다양한 방법 으로 표준화 될 수 있다. IRRI는 최근 앞서 소개된 TRB 프 로그램의 일환으로, 중앙화된 스크리닝 시스템을 개발하였다. 이에 따라, 침수, 염해, 한발에 대한 대량 스크리닝이 포장 및 시설에서 가능하며, 병충해에 대한 스크리닝 시스템도 서비스 화되어 제공될 예정이다(personal communication with G. Gregorio). 예를 들어, 뿌리 특성이 강조되는 비생물학적 스트레스 (한발 또는 불량토양 등)의 저항성 등을 연구할 경우에는 연구 자가 실험 포장에 들어가지 않는 것이 좋다. 이 경우에 포장 용 스캐너를 이용하는 시스템이 성공적으로 표준화되어 MAGIC이나 RIL 등의 표현형 조사에 이미 사용되고 있다 (personal communication with H. Leung and M. Dingkun). 또, 기상 및 토양 조건, 재배 식생 조건 등에 대한 더욱 정확한 데이 터를 수집하기 위하여 인공위성 이미지를 활용한 원격 자료수집 (remote sensing) 기술도 활용되고 있다(RIICE; www.riice.org).

일대잡종벼 개발을 위한 분자육종

IRRI에는 일대잡종벼와 관련하여 Hybrid Rice Development Consortium (HRDC: http://hrdc.irri.org/)이 있다. 이 컨소시움 은 매년 IRRI에서 일대잡종벼 관련 연구자, 생산자, 기업 등 이 참여하여, 일대잡종벼에 관련된 웅성불임 계통, 유지친과 회복친을 공동으로 개발하고, 관련 연구자료를 나누는 것을 목 적으로 하고 있다. 최근에는 특히 일대잡종벼의 회복친 관련 유전자다양성 연구, 일대잡종벼 검정교배 작업 중의 잡종강세 율을 높이는 목적의 자방친의 주두가 노출되는 등의 영화 구 조 개선 연구(Marathi et al., 2015), 우성형질의 생물 및 비생 물스트레스 저항성 (도열병, 백엽고병, 멸구, 침수저항성 등) 도입, 심백 (chalkiness), 아밀로스 함량의 균일도 등의 품질 관련 개선, 그리고 아종내 및 아종간 잡종강세 현상을 극대화 하기 위한 잡종장벽에 대한 연구 등에 중점을 두고 있다 (personal communication with F. Xie).

분자육종서비스

IRRI의 유전육종과는 2015년에 이르러, 기존의 전통적인 품 종개량 연구와 병리 연구 분야에 더하여, 과거 유전자원분석 실(Genotyping Service Lab), 유전자원과(T.T. Chang Genetic Resource Center), 생화학분석 및 품질 연구실(Grain Quality and Nutrition Center + Analytical Service Lab), 중앙화된 스 크리닝 및 종자관리(CCRD: Cross Cutting for Research and Development)를 품종개량을 위한 서비스 구조의 형태로 재조 정하고 있다. 또, 사회과학과(Social Science Division)의 시장 조사팀(Market Research Team), 지리정보팀(GIS: Geographic Information System), 효과분석팀(Impact Assessment)과의 긴 밀한 협력으로, 시장중심의 육종, 산물중심의 품종개발을 목적 으로 하는 시스템으로 변모하고 있다. 이것은 유용가능한 정 보와 인적 자원을 최대한 효율화시키는데 목적을 둔 것이다.

이러한 체계 변화의 일환으로 분자육종 부분도 고효율 중간 모본 계통육성 시스템을 개발하고 있는데, 시장조사팀과 육종 가들간의 종합적인 토론으로 마련된 품종개발프로필(VDP)에 따라, 실제 비용에 따른 서비스 형태(FCR: Full Cost Recovery) 의 분자마커이용육종서비스(가칭 MABS: Marker-assisted Breeding Service)를 개발하고 있다(Fig. 6). MABS는 벼 육 종에 관련된 중요형질을 함유한 중간모본을 이용하여, 고효율 유전분석 시스템에 적합한 분자표지를 활용하여, 목표 염색체 단편을 신속하고 분명하게 목표 품종에 도입하여, 육종가의 시 험 포장에서의 선발 효율을 높이는 데 도움을 주기 위한 시스 템이다. 따라서, MABS는 세대촉진시스템, 고효율 교배시스템, 샘플추적시스템 등을 우선 개발하고 있으며, 유전분석팀과 우 수 마커 및 시퀀싱 데이터를 이용한 유전분석 및 생물정보화 를 추구하고 있다. MABS는 IRRI내의 품종육성가 이외에도 저개발국가의 품종개발자, 대학, 중소 종자업체 등을 위한 외 부 서비스도 기획하고 있다. 현재 IRRI는 매년 약 100개의 프로그램 (1개의 프로그램은 1개의 QTL을 동일한 크기로 1개 의 품종에 도입하는 것을 의미함)을 수행할 수 있는 수준의 시스템을 개발하는 것을 단기간 목표로 하고 있다.

결론: 고효율 분자육종시스템의 조건

자연변이를 이용하는 분자육종은 원 유전자원에 함유된 형 질에 연관된 분자표지를 효율적으로 이용하여, 우수 품종에 목 표 형질을 경제적으로 도입할 수 있는지에 그 성공 여부가 달 려있다고 볼 수 있다. 육종가를 비롯한 품종개발에 관계된 다 양한 전문가들의 공동의 노력으로 개발된 중간 모본 또는 계 통이 같은 형질이 도입된 중간모본 간의 인공교잡에 의해 다 양한 소비자의 요구에 맞게 선발되고 육성된 품종이 시장에서 어떤 과정을 거쳐 전달되고 효과적으로 활용되는지의 여부가 결국 품종개발의 성패를 좌우한다면, 분자육종 기술을 이용한 품종개발 과정도 시장 또는 소비자가 요구하는 품종이 갖추어 야 할 형질, 그리고 각 형질에 요구되는 정량적 요구도에 각 별한 관심을 두어야 한다. 각 형질에 대한 정량적 요구가 신 품종개발에 대한 목록(VDP)으로 작성되어 각 개발목표에 대 한 세부적인 개발과정을 수립하는 것이 중요하다. 또한, 생산 자뿐만 아니라 궁극적으로 일반 소비자와 쌀을 재배하고 가공, 유통하는 각 단계에서 요구하는 목표를 형질화하고 그것을 정 량화하는 노력도 필요하다.

이렇게 정량화된 목표에 대하여, 현재 및 근미래 접근가능 한 분자생물학적 기술력에 맞추어, 실천 가능한 수준의 육종 가(breeding value)에 따른 투자 대 성과를 추정하고, 이에 따라 형질별로 예상 개발비용을 산출하는 노력도 의미있다고 볼 수 있다(Demont and Ndour, 2015; personal communication with M. Demont). 따라서, Sub1의 사례에서 볼 수 있듯 이, 분자육종이 품종개발 각 단계에서 경제적/사회문화적으로 어느 정도의 가치를 올려줄 수 있는지에 대해, 우리나라 환경 과 품종에 대해서도 적용해 보는 것도 의미가 있을 것이다 (Mackill et al., 2012; Ismail et al., 2013).

기술적인 측면에서, 자연변이를 이용하는 분자육종에 있어, 중점적으로 연구개발해야 하는 부분을 요약하여 제안해 보면 다음과 같다.

요컨대, 특정 형질에 대한 유전자를 대량으로 추출하고 이 에 대한 기능을 밝히는 연구가 분자육종의 주류였으나, 그 토 대 위에 실제 일반 소비자와 생산자인 농민에게 얼마나 실익 을 줄 수 있는지에 대하여, 기술적 평가 이외에도 경제사회적 인 평가를 바탕으로 한 분자육종 방법론을 구체화하여야 하며, 이를 현실화하기 위해서 중장기적인 학계-연구-산업계의 공동 의 노력이 발전되어야 한다.

적 요

본 논문은 국제벼연구소(International Rice Research Institute: IRRI)의 분자육종체계의 현황을 살펴보고, 국제적으로 시장중 심의 육종체계로 변화함에 따라, 새로운 분자마커 이용 육종 법이 갖추어야 할 조건에 대해 논하였다.

벼에 있어서 신품종 개량을 위한 분자생물학의 도움을 받는 분자육종법은 재해 및 병충해 저항성과 수량 및 품질 제고에 전반적으로 활용되고 있으며, 관련 계통 및 품종이 속속 개발 되고 있다. 국제벼연구소는 기후변화 및 자원부족에 대응하면 서도 수량과 품질의 저하가 없는 쌀 품종을 개발하기 위해, 분자육종법을 적극 활용하고 있다.

지역적으로 시장구조별로 특화시킨 품종개발프로필(VDP)을 개발하고, 그에 맞는 형질을 발굴하여, 빠르게 우수형질에 도 입하기 위해서 분자표지를 이용한 육종이 활용될 수 있다.

각 형질은 유전적으로 우수하고 분명한 효과를 보이는 것으 로서, 분자마커는 해당 형질에 강하게 연관되어야 유용하다. 성공적인 분자표지육종법을 위해서, 고효율 유전분석법, 생장 촉진 및 세대촉진법, 연관마커 신속 설계 및 분석, 중간계통의 효율적인 표현형 검정법 개발이 필수적이다.

최근에는 차세대유전체분석법 (NGS)의 발달로 저렴하게 계 통의 유전체 분석이 용이해졌고, 이를 위해서 생물정보학과 유 전체학의 도움을 받는 유전체선발법이 개발되었다.

향후 성공적인 대량 신속 계통육성을 위한 분자육종법의 도 입을 위해 필요한 기술과 연구 제목을 제안하면, (1) 경제적 가치평가 기술과 합리적 효과 판정의 적용 (2) 체계적인 기본 식물 관리, (3) 온실 및 농장 전산화, (4) 계통육성시스템과 유전분석시스템의 일체화, (5) 유전분석 비용의 경제화, (6) 대 량 형질 및 유전자 추출 연구, (7) 다형질간 상호작용 연구, (8) 세대촉진법, (9) 육종가를 위한 결정지원소프트웨어 개발, (10) 집단개량 및 집단선발법의 체계화, 그리고 (11) 인위적 변 이 기술과의 접목 등이다.

분자육종법을 이용한 품종개량의 개발이익은 경제사회적으 로 그 효과가 적절히 평가될 때만이 궁극적으로 소비자와 농 민에게 이익을 제공하는 의미를 갖게 될 것이다.