세포질 웅성불임

세포질 인자(주로 미토콘드리아)에 의하여 꽃가루의 불완전한 발육으로 나타나는 전체 혹은 부분적인 불임을 말한다. 세포질 웅성불임은 150종 이상의 식물에서 확인되었다. 식물의 불임은 대부분 웅성불임의 형태로 나타나는데, 이것은 배낭이나 알세포보다 소포자나 정세포가 환경에 노출이 심하기 때문이라고 여겨진다. 또한 암꽃 불임 식물은 종자를 만들 수 없기 때문에 번식이 불가능하지만, 세포질 웅성불임 식물은 종자를 맺고 번식이 가능하다. 이러한 세포질 웅성불임은 미토콘드리아나 엽록체의 유전체에 이상에 의하기 때문에 모계유전된다. 세포질 웅성불임계는 어느 가임계와 교배를 하더라도 100% 불임주가 나오기 때문에 웅성불임계의 유지가 매우 쉬우며, 잎, 줄기 등을 이용하는 작물에는 이용하기 매우 편리하다. 그러나 종자나 과실을 이용할 목적에는 사용할 수가 없다. 종자를 얻기 위해서는 유지계와의 교배가 필요하다.¹⁾

목차

식물의 세포질 웅성불임 유전자의 발견과 이에 따른 불임을 다시 회복시켜 줄 수 있는 웅성불임 회복 유전자(restorer-of-fertility; Rf)가 발견됐다. 이러한 발견은 후대 종자를 생산할 수 없는 세포질 웅성불임계의 후대 종자를 생산할 수 있게 했다. 이전까지는 1대잡종을 만들어 유용한 품종을 만들기 위해서는 모본이 되는 식물의 수술을 일일이 제거하여 만들어야 했기 때문에, 그 생산성이 매우 낮아 상업적인 사용이 매우 제한되었다. 세포질 웅성불임의 경우는 식물의 교잡을 통해 새로운 품종을 만들기 위해 필수적인 인공수정 과정에서 꽃의 수술을 제거해 주지 않아도 웅성불임계 모본과 교배친 부본을 같이 키워 일반적인 수정(바람 혹은 곤충에 의한 수정)이 되는 것 만으로도 쉽게 교잡이 가능하게 했다. 이는 대부분의 잡종강세를 보이는 1대잡종의 상품화에 큰 기여를 했다. 현재 시판되고 있는 옥수수나 채소 작물의 육성종은 대부분 1대잡종이다. 하지만 세포질 웅성불임으로 이용할 수 있는 식물 종과 그 유전자가 매우 제한되어 있으므로 그 적용의 범위도 제한되어 있다.

벼, 밀, 옥수수, 유채, 해바라기, 콩, 목화, 수수, 조, 강낭콩 등에서 세포질 웅성불임계통을 이용한 1대잡종을 육성하여 상업적으로 사용하고 있다.

세포질 웅성불임을 유도하는 미토콘드리아 유전자로는 NADH 디하이드로지네이스(NADH dehydrogenase), 시토크롬산화효소(cytochrome oxidase), F₀F₁-에이티피아제(F₀F₁-ATPase) 등이 알려져 있다. 이들은 모두 미토콘드리아의 전자전달사슬의 구성 단백질로서 ATP 생성에 중요하다. 이 유전자들의 이상이 꽃가루의 수정에만 영향을 미치고, 식물의 전체 생장에는 영향을 미치 않는 이유는 확실하지 않다.  

현재까지 알려진 대부분의 웅성불임 회복 유전자는 pentatricopeptide repeat (PPR) 단백질로 알려져 있다. 모델 식물인 애기장대에는 450개, 벼에는 477개의 PPR 유전자가 존재하여 매우 큰 유전자군을 가지고 있다. PPR은 RNA 결합 단백질로 알려져 있고 세포내 소기관 혹은 핵에서의 RNA 발현을 조절하는 유전자로 알려져 있다. 옥수수 T-CMS의 경우 미토콘드리아에 키메릭 유전자인 T-urf13 단백질이 발현하기 때문에 발생하는 것으로 알려져 있다. 이 경우 Rf2 유전자인 알데히드탈수소효소(aldehyde dehydrogenase)를 이용하여 임성을 회복시킬 수 있다.

세포질 웅성불임계의 계통은 세포질 웅성불임계 모본과 정상 임성을 가진 유지계 부본과의 교배를 통해서 유지가 가능하다. 웅성불임계는 모본은 회복계 유전자 동형접합자를 가진 회복계 부본과 교배를 통해서 정상 임성을 가진 1대잡종을 얻을 수 있다(그림 1).

그림 1. 세포질 웅성불임을 이용하여 1대잡종을 육성하는 방법(출처: KSPB)

.

1. Bohra A, Jha UC, Adhimoolam P 등 (2016) Cytoplasmic male sterility (CMS) in hybrid breeding in field crops. Plant Cell Rep 35: 967–993