- Home
- CALS소식
- 주요뉴스
주요뉴스
[연구] 서울대학교 양태진 교수팀, 고려인삼 유전자칩 개발 및 디지털 육종방법 제시
[연구성과/기대효과]
서울대학교 농업생명과학대학 농림생물자원학부 양태진 교수팀(BK21 농림생물자원창의인재양성사업단장, 서울대 그린바이오과학기술원장)은 중국그룹과 함께 인삼 최초의 유전자 지도를 완성하였으며, 이를 바탕으로 고효율 유전자 칩을 개발하고 1,500점 이상의 인삼 자원에 적용하여 인삼의 유전적 다양성을 규명하고 인삼의 디지털 분자 육종 비전을 제시했다. 해당 연구는 2024년 12월, 국제 저명 학술지 Horticulture Research에 조우현, 장우종 공동 제1저자로 게재되었다.
[본문]
□ 고려인삼은 대한민국을 상징하는 주요 약용식물로, 단위 면적당 부가가치가 높은 농산물 중 하나이다. 특히 인삼 종주국으로서 우리나라는 유전체 기반 육종 기술을 확립하고 이를 통해 세계적인 연구 경쟁력을 강화할 필요가 있다. 그러나 인삼은 세대 교체에 약 4년이 소요되는 느린 성장 속도를 가지며 종자 생산량이 적고, 영양 번식이 어려운 식물이라 자원 확보와 유전 연구에 어려움이 따른다. 또한 약 3.5 Gbp에 달하는 대형 유전체와 다수의 반복 서열로 인해 분석이 까다롭다.
□ 유전자 칩은 형광신호를 기반으로 대규모의 유전자형을 동시에 탐지할 수 있는 효율적인 디지털 분자육종 수단이다.
양태진 교수팀은 인삼 게놈을 세계 최초 보고 한 이후 이를 더욱 발전시켜 24개의 염색체를 대표하는 유전자 지도를 세계 최초로 완성하였으며 이를 기반으로 고효율 유전자 칩을 개발하여 인삼의 디지털 분자육종을 위한 기틀을 마련하였다.
□ 본 연구진은 해당 유전자 칩을 인삼 품종, 육성계통, 산양삼 및 산삼을 포함하는 1,500점 이상의 자원에 적용하여 이들의 디지털 정보를 축적하였으며 유전 다양성을 파악하였다. 이는 새로운 유전자원을 발굴하거나 자원 간 유연관계를 파악하는 데 매우 유용하게 활용될 수 있다.
□ 유전자 칩의 육종 활용도를 평가하기 위해 250개 인삼 육성계통에서 각각 두 개체씩 칩에 적용하였고, 각 개체의 유전적 고정도(동형접합도: homozygosity)는 물론 계통 내 개체들간의 유전적 균일성(homogeneity)을 평가하였다. 해당 500개체의 디지털 유전정보를 분석하여 250개 육성 계통 간 유전적 유사도를 파악하고, 각 계통의 유전적 안정화 정도와 품종화 가능성, 타 계통과의 교잡 또는 혼입 여부를 수치화하여 품종 등록 요건 등에 필요한 디지털 육종 정보를 제공하였다.
□ 실증연구로, 농촌진흥청과 경북 및 충남도기술원 산하 육종기관에서 육성 중인 인삼 품종 육성계통들에 대한 유전자칩 분석을 통해 육성계통의 유전적 고정도, 균일성, 종자 순도 검정, 다른 품종과의 차별성 및 보호법을 제시할 수 있었다. 향후 다양한 인삼과 산양삼 품종 개발 및 종자 공급 기관에서 유전자칩이 품종 육성에 매우 유용한 도구로 활용될 것으로 기대된다.
□ 유전자 칩을 적용한 약 1,500점의 인삼 자원에 대한 유전 정보는 데이터베이스로 구축되었으며, 앞으로 분석되는 새로운 인삼 시료는 기존 데이터베이스와의 비교를 통해 유사 그룹을 확인하고 독특한 차이점을 파악할 수 있는 정보를 제공할 것이다. 또한, 해당 데이터베이스는 인삼 연구자들에게 웹 서버를 통해 제공되어 더욱 다양하게 활용될 예정이다.
□ 본 연구는 인삼 최초의 유전자 지도를 완성하고, 이를 기반으로 유전자 칩을 개발하여 인삼의 디지털 분자육종 기반을 마련하였으며, 다양한 활용법을 제시하였다는 데 큰 의의를 가진다. 본 연구는 2024년 기준 피인용지수 7.6의 원예분야 2순위(2/38), 식물과학분야 13순위(13/265)에 위치한 상위 저널인 Horticulture Research에 게재되었다. 본 연구는 바이오그린연계농생명혁신기술개발사업(농촌진흥청)의 지원을 받아 수행되었다.
[연구결과]
인삼(Panax ginseng)은 약용식물의 왕으로 불린다. 그러나 인삼은 음지에서 느린 생장을 하며, 씨앗을 생산하는 데 최소 4년이 걸리고 생산량도 매우 제한적이다.
또한, 인삼의 4배체 유전체와 반복서열이 많은 복잡한 구조로 인해, 효율적인 분자 마커 시스템이 부족한 상황이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구진은 Genotyping-by-Sequencing 기법을 사용하여 유전자 지도를 제작하고, 인삼의 유전적 다양성을 조사하였다. F2 교배 집단에서 얻은 1,216개의 고품질 SNP를 바탕으로 인삼 유전체의 24개 염색체에 해당하는 24개의 연관군으로 이루어진 유전 지도를 구축하였다.
또한, 119개의 다양한 인삼 자원에서 431,103개의 SNP를 발굴하였고, 이 중 단일 유전자 영역에 존재하는 192개의 고품질 SNP를 선발하여 SNP 칩을 개발하였다.
개발된 SNP 칩은 인삼 품종, 육성 계통, 산양삼, 그리고 여러 국가 및 지역에서 수집된 산삼을 포함한 총 919개의 인삼 자원에 적용하여 유전자형 분석을 수행하였다.
SNP 칩은 종자 및 제품의 순도 평가, 종 및 품종 판별, 육종 계통의 동형접합도 및 균질성 측정 등 다양한 용도로 활용될 수 있다.
현재 약 1,200개의 인삼 유전자형 정보가 데이터베이스에 저장되어 있으며, 이 SNP 칩은 인삼의 분자육종 기반을 마련하고 육종 과정을 가속화할 것이다.
[용어설명]
1. 유전자 지도 (Genetic map)
○ 유전자 지도는 생물체의 유전자들이 염색체 상에서 위치하는 순서와 거리를 나타낸 지도이다. 이를 통해 특정 유전자가 발현되는 위치를 확인하고, 유전자 간의 연관성을 파악할 수 있다. 유전자 지도는 유전적 변이를 분석하거나 특정 형질과 관련된 유전자를 탐색하는 데 중요한 도구로 활용된다.
2. 유전자 칩 (SNP chip)
○ SNP 칩(Single Nucleotide Polymorphism chip)은 DNA 상의 단일 염기 변이(SNP)를 대량으로 분석하는 유전자 분석 도구이다. 이 칩은 수백에서 수천 개의 SNP를 동시에 탐지할 수 있어, 신속하고 효율적인 유전자형 분석이 가능하기 때문에 유전적 다양성 연구 등에 널리 활용된다.
3. 동형접합도 (homozygosity)
○ 동형접합도는 한 개체의 특정 유전자 위치에서 두 개의 대립 유전자가 동일한 상태를 의미한다. 높은 동형접합도는 부모로부터 동일한 대립 유전자를 물려받았음을 나타내며, 이는 유전적 일관성이 높은 개체임을 뜻한다. 육종에서는 동형접합도가 높은 개체를 선호하는데, 이는 유전적 특성이 고정되어 있어 원하는 형질을 안정적으로 전달할 수 있기 때문이다.
4. 균질성 (homogeneity)
○ 균질성은 한 집단 내 개체들이 유전적으로 일관되고 유사한 상태를 의미한다. 높은 균질성은 집단 내 유전자형이 거의 동일하여 개체 간 차이가 적음을 나타낸다. 육종에서는 균질성이 높은 집단을 선호하는데, 이는 원하는 유전 형질을 집단 전체에 고르게 전달할 수 있기 때문이다.
[그림설명]
본 그림은 연구를 통해 개발된 인삼 유전자 칩의 활용방법을 나타낸 것으로, 인삼 자원의 유전적 다양성을 파악할 수 있으며 (A),
동형접합도 (homozygosity) 및 균질성 (homogeneity) 수치를 계산하여 육성 계통의 유지 현황을 파악할 수 있다 (B).
