1. 서론
2. 식물 유전체 편집기술
2.1. 식물 유전체 편집을 위한 일반적인 과정
2.2. 유전체 편집에 의한 식물 유전자 조작
3. 차세대 식물 육종 기술
3.1. 직접 돌연변이와 정밀 육종
3.2. 다중 유전자 편집과 형질 스태킹
3.3. QTL의 편집
3.4. 새로운 순화
3.5. 반수체 유도와 인공 무배우 생식
3.6. 형질 발견을 위한 대규모 스크리닝
4. 도전과 미래 전망
4.1. 정확한 유전체 편집 효율
4.2. 유전체 편집의 특이성 향상
4.3. 식물 세포 전달과 재생산 시스템의 최적화
4.4. 식물 합성 생물학
4.5. 식물 마이크로바이옴 공학
4.6. 유전체 편집 작물을 위한 과학적인 규제방식으로의 기여
5. 결론


1. 서론

세계 인구는 2050년에 약 100억 명에 이를 것이다(FAO, 2017). 현재 가장 주요한 과제는 이처럼 증가하는 인구를 어떻게 성공적으로 먹일 것이냐 하는 것이다. 지금까지는 녹색 혁명(Green revolution)과 작물 육종 기술의 발전 덕분에 전 세계 인구를 먹이기에 충분한 양의 식량이 생산되었지만, 향후 기후 변화와 경작 가능한 토지의 한계로 식량 생산이 감소할 가능성도 대두되고 있다. 또한, 미래에 인구가 실제로 100억이 된다면, 작물 생산량은 지금보다 60% 정도 증가해야 한다는 예측도 있다(Springmann et al., 2018). 그러므로, 농작물의 생산량을 꾸준히 늘리는 것은 전 세계적으로 필수적인 과업이며, 이를 위한 과학적이고 기술적인 혁신이 매우 시급한 상황이다.

유전적 변이는 농작물 개량의 기초이다. 식물 육종의 목적은 유전적 변이를 만들어내고 그것들을 이용하는 것에 있다. 식물 육종의 긴 역사를 통해 보면, 육종 기술은 크게 교배육종(cross-breeding), 돌연변이 육종(mutation breeding), 형질전환 육종(transgenic breeding), 유전체 편집에 의한 육종(breeding by genome editing) 4가지로 나눌 수 있다(Chen et al., 2019). 전통적인 육종 방식인 교배육종에서는 유성 재조합(sexual recombination)을 통해 얻고자 하는 성질을 가진 작물을 개발하였다. 대표적인 예로 1950년대 말에 시작된 1차 녹색 혁명에서 밀(Triticum aestivum), 쌀(Oriza sativa) 등의 주요 작물에서 고수율을 목적으로 개량된 줄기가 짧은 품종을 들 수 있다(Khush, 2001). 그러나, 교배육종 방식의 단점은 부모의 유전체 안에 이미 존재하는 성질만 얻을 수 있어 유전자형이 다양하지 않다는 것이다. 돌연변이 육종은 화학물질 또는 방사선에 의해 유발되는 돌연변이를 사용하는 것으로, 무작위로 돌연변이를 일으킨다(Holme et al., 2019). 그러나 많은 돌연변이 작물들 중에서 특정 성질을 가진 개체를 골라내는 것은 매우 어렵고, 시간도 오래 걸린다는 단점이 있다. 이후 작물 육종에서 큰 돌파구를 마련하게 된 계기는 형질전환 방식의 개발이었다. 이는 이종의 개체로부터 필요한 유전형질을 이식하여 수율은 높이고 농약 사용은 줄이며, 보다 많은 영양소를 함유한 작물을 생산할 수 있게 되었다. 하지만, 이 기술은 대상 작물의 유전체에 외부 DNA가 무작위로 결합하기 때문에 제어가 쉽지 않아 현재까지 단 몇 종의 작물들 외에는 활용되지 않고 있으며(Raman, 2017), 이러한 유전자변형생물체(GMOs)는 정부의 엄격한 규제를 받고 있다 (그림 1). 게다가, 안전과 관련된 부정적인 여론 또한 이들 제품의 활용을 막는 데 일조하고 있다.




유전체 편집기술은 원하는 특징을 가진 작물을 얻기 위해 정확하고 예측 가능한 유전체의 수정을 목적으로 개발 중인 차세대 식물 육종 기술이다(Chen et al., 2019). 그중 크리스퍼-카스[CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)-Cas(CRISPR associated)]는 대상 작물의 유전체를 연구하고 활용하는 가장 발전된 시스템으로 떠오르고 있다(Shan et al., 2013a). 이 기술은 쌀, 밀, 옥수수(Zea mays)와 같은 주요 곡물들은 물론 식량으로써 중요한 작물인 감자(Solanum tuberosum), 카사바(Manihot esculenta) 등에도 빠르게 적용되고 있다(Chen et al., 2019; Zhu et al., 2020). 최근 개발된 염기편집기(base editors)와 프라임 편집기(prime editor) 같은 크리스퍼 관련 도구(CRISPR-associated tools)들은 뉴클레오티드의 치환, 타겟 DNA의 절삭 및 삽입을 정교하게 해낼 수 있어 유전체 편집기술의 범위를 크게 확장하였다(Anzalone et al., 2020). 크리스퍼-카스 기술은 현대 육종 방법들을 활용한 작물 개량 프로그램에서 매우 중요한 역할을 하게 될 것으로 보인다. 이 논문에서는, 이러한 기술들을 이용한 유전자 조작 기술을 중심으로 식물 유전체 편집기술의 현황과 차세대 식물 육종 기술에 대해 살펴볼 것이다.

2. 식물 유전체 편집기술

식물 유전체 편집은 프로그램이 가능한 염기서열 특이적 뉴클레아제(SSNs: sequence-specific nucleases)를 사용하여 수행되었다. 이 효소는 인공 호밍 엔도뉴클레아제(engineered homing endo-nuclease) 또는 메가뉴클레아제(meganuclease), 징크핑거뉴클레아제(ZFNs: zinc-finger nucleases), 탈렌(TALENs: transcription activator-like effector nucleases- 전사 활성화인자 유사 조절인자 뉴클레아제) 그리고 크리스퍼-카스 시스템으로 분류할 수 있다. 이런 효소들은 DNA의 타겟 위치에 이중 가닥 절단 부위(DSBs: double-strand breaks)를 만든 후, DNA 복구 경로를 통해 정교한 유전자 조작이 이루어지도록 한다(Voytas and Gao, 2014). 메가뉴클레아제, ZFNs, 탈렌은 단백질-DNA 상호작용을 통해 타겟 염기서열을 인식하는 반면, 크리스퍼-카스 시스템은 왓슨-크릭 염기쌍을 통해 DNA 염기서열을 특정하는데, 이는 타겟 DNA와 프로그램이 가능한 ‘가이드’ RNA(programmable guide RNA) 사이의 동종성을 기반으로 이루어진다. 크리스퍼-카스 시스템은 낮은 비용, 간편함, 높은 효율 덕분에 가장 널리 활용되는 식물 유전체 편집 시스템이 되었다(Yin et al., 2017). 여기서는, 일반적인 식물 유전체 편집 과정을 소개하고, 유전체 편집기술을 통해 생산될 수 있는 다양한 유전자 조작 기술에 대해 설명할 것이다.

2.1. 식물 유전체 편집을 위한 일반적인 과정

일반적인 식물 유전체 편집과정은 다음의 6단계로 나눌 수 있다: (1) 타겟 염기서열을 기반으로 한 적절한 뉴클레아제의 선택 단계; (2) 유전체 편집 벡터의 구성 단계; (3) 원형질체(효소로 소화된 식물 조직에서 배출된 세포벽이 없는 식물세포)를 사용하여 이들 벡터의 활성을 검증하는 단계; (4) 식물세포 안으로 유전체 편집 시약을 전달하는 단계; (5) 조직 배양을 통해 유전체 편집 세포 식물체로 재생성시키는 단계; (6) 생성된 유전체 편집 작물을 선별하고 유전자형을 지정하는 단계 (그림 2A).

모든 유기체에 동일한 편집 도구가 사용되지만 전달 및 재생의 일부 양상은 식물에 특화되어 있다. 유전체 편집 시약은 때로는 원형질체로 직접 변형될 수 있지만, 대부분의 경우 유전자 총(gene gun)을 사용한 입자 사출법(particle bombardment)이나 아그로박테리움(Agrobacterium)을 통해 캘러스, 배아(embryo) 또는 잎 외식편(leaf explant) (그림 2B 및 2C)의 형태로 식물 세포에 전달된다. 이러한 변형 및 재생산 과정은 각 식물 종과 품종에 따라 최적화 과정이 필요하므로, 대부분의 엘리트 품종 및 야생종에 대해서는 적용이 힘들다(Altpeter et al., 2016).



그림 2. 식물 유전체 편집을 위한 일반적인 과정

(A)식물 유전체 편집과정에서의 주요 여섯 단계
(B)크리스퍼 DNA의 아그로박테리움 연관 전달에 의해 생산된 유전체 편집 식물
(C)크리스퍼 DNA, RNA, RNP의 전달에 의한 입자 사출법 연관 유전체 편집을 위한 기존 발현방법과 일시 발현방법
(D)전환유전자가 없는 돌연변이체를 얻기 위한 두 전략

출처: [BRIC View, 작물 개선과 미래 농업을 위한 유전체 공학기술, 서규원], https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3971

 

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