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옥수수는 벼와 밀과 함께 세계 3대작물로 알려져 있다. 우리나라에서 옥수수는 대부분 사료작물로 이용되나, 식용옥 수수로서 찰옥수수는 여름철 대표적 간식으로 이용되어지고 있다. 그러나 우리나라 기후는 대표적인 아시아 몬순 지역에 속하여 늦봄부터 초여름까지 불규칙한 집중 강우가 발생하 며, 늦여름에 많은 태풍 등 국지성 호우에 의하여 토양에 과 습(flooding) 상태가 발생한다. 최근에는 지구온난화 등에 따 른 이상기상 빈도 증가에 따라 여름 밭작물 재배시기에 집 중호우가 발생되어 옥수수 재배시 밭상태 뿐만 아니라 논에 서 재배하는 답리작에서 토양 과습 상태가 발생하여 식물체 내 수분과 양분흡수감소와 식물성 물질대사 이상현상 등을 야기한다고 하였다(Dat et al., 2004).

최근 쌀생산량 증가와 함께 쌀 소비 감소로 논 대체 작물에 대한 관심이 집중되고 있다. 그러나 밭작물은 논토양 특성에 의해 재배시기에 습해 발생시 적응력이 약하여 생육이 부진해 진다. 특히 이러한 시기에 생육이 왕성한 옥수수는 습해에 약 한 작물로 알려져 있다. 따라서 밭작물 품종에 대한 과습 저항 성 연구가 필수적으로 요구되는데 보리(Takeda and Fukuyama 1987; Takeda 1989; Yordanova et al., 2004), 밀(Ueno and Takahashi, 1997; Kong et al., 2010), 콩(Hou and Thseng, 1991; Komatsu et al., 2013) 등의 연구가 진행되어왔고. 옥수 수에 대한 과습 연구는 주로 생리적 반응 연구(Fausey et al., 1985; Martin et al., 1988; Lemke-Keyes and Sachs, 1989; Sachs et al., 1996; Mano et al., 2002Tang et al., 2010)에 집중되어 있으며, 내습성을 가지는 옥수수 개발에 대한 연구는 미진한 실정이다.

Harlan(1976)은 식물 야생종은 생물학적, 비생물학적 스트레 스 저항성을 가지는 유전자를 가지고 있으며, 이러한 유전자원 이용 가능성을 보고하였다. Mano & Omori(2007)는 논토양에 서 옥수수 재배시 가지고 있어야 할 특성으로 토양 표면에 부 정근 생성 능력, 뿌리의 aerenchyma 형성 능력, 환원된 토양 조건에서 Fe^2＋와 H₂S 등의 독성에 대한 내성 능력 등이 커야 한다고 하였다

최근 옥수수에서 내습성 관련한 인자도입을 위하여 옥수수 야생종인 테오신트(teosinte) 이용에 대한 연구가 진행되고 있 다. 옥수수의 야생종으로 알려져있는 테오신트는 멕시코, 과테 말라, 온두라스, 니카라과 등의 지역에서 주로 분포한다(Table 1). 테오신트가 주로 분포하고 있는 이 지역은 일년에 우기기 간이 5~6개월 정도 지속되며 중미지역의 북서부 해안 평지로 서, 이러한 과습한 토양에서 자라고 있는 몇몇 테오신트 유전 자원은 습해 저항성을 가지고 있어서 습해저항성 옥수수 품종 개발에 테오신트의 이용가능성을 보고하였다(Bird, 2000; Iltis and Benz, 2000). 특히 지금까지 알려진 테오신트 중에서 Zea diploperennis와 Zea nicaraguensis에서 습해에 저항성이 있는 것으로 보고하였다(Ray et al., 1999; Mano et al., 2006c). 따라서 본 논문에서는 옥수수 야생종인 테오신트의 유용유전 자를 현재 재배되는 옥수수로 도입을 가능성을 타진하고, 옥수 수 육종 현장에서 활용가능성에 관해 기술하고자 한다.

테오신트의 식물학적 분류

최근까지 연구된 결과로 테오신트(teosinte)는 현재 재배되고 있는 옥수수의 기원으로 알려져 있다(Table 1). 테오신트는 아 속(subspecies)에 따라 Zea mays ssp. mexicana, Zea mays ssp. parviglumis, Zea mays ssp. huehuetenangensis, Zea diploperennis, Zea perennis, Zea mays ssp luxurians, Zea nicaraguensis로 분류된다(Doebley and Iltis, 1980; Iltis and Doebley, 1980; Iltis and Benz, 2000). 테오신트 염색체수는 Zea perennis(2n=40)을 제외하고 모든 Zea mays ssp을 포함 한 대부분의 테오시트는 이배체의 2n=20으로 구성된다. 옥수 수 생활환(Life cycle)에 따른 분류에서 Zea diploperennis와 Zea perennis은 다년생 특성을 나타내며 그 외의 테오신트는 일년생 특성을 나타낸다(Hufford et al., 2012). SNPs(single nucleotide polymorphisms)분석을 통한 테오신트 분류에서 Zea mays ssp. parviglumis와 Zea mays ssp. mexicana가 현 재 재배되고 있는 옥수수와 가장 높은 유전적 연관성을 가지 고 있다(Fig. 1 and Fig. 2). 이러한 다양한 유전적 배경을 가지고 있는 테오신트는 주로 수집되는 지역이 빈번한 강우 지역인 멕시코, 과테말라 등의 지역에 분포하여 옥수수 육종 에 있어서 내습성 관련 유전자원으로 활용 가능할 것으로 생 각되어진다.

테오신트의 습해 저항성 메카니즘

과습 상태의 저항성을 가지기 위한 가장 중요한 요소는 토 양내의 산소결핍에 대한 적응성과 관련된다. 과습상태 토양 조 건은 대기상태의 산소 확산속도 보다 10,000배 정도 느리기 때문에 식물체는 식물 뿌리내부의 빠른 산소 소비와 과습 토 양에서 산소의 느린 확산 속도의 불균형으로 산소의 공급이 적어진다(Armstrong, 1979; Erdmann et al., 1986). 이러한 결과를 바탕으로 최근까지의 연구 결과는 과습조건에서 저항 성을 가지는 몇 가지 식물체에서 저항성 메카니즘이 연구되어 왔으며, 과습에 저항성을 가지는 요소로 수용성 당의 이용성 증대, aerenchyma 형성, 해당과정(glycolytic pathway)의 활성 증대, 알콜발효 효소 작용, 산화스트레스에 대한 항산화 활 성, 에틸렌 생성 등으로 알려지고 있다(Alamgir and Uddin, 2011). 특히 옥수수의 야생종인 테오신트는 현재 재배되고 있 는 옥수수와 다르게 과습상태에서 부정근 형성 능력, aerenchym의 발달, 환원물질에 대한 저항성 등 과습에 내성을 가지는 메카니즘을 가지고 있는 것으로 알려져 있어 이것에 대하여 살펴보고자 한다.

습해에 따른 테오신트 부정근 형성 능력

옥수수의 습해 저항성과 관련한 중요한 조건 중의 하나가 토양의 과습상태 발생에 따른 토양 표면에서 부정근 (adventitous root) 형성이다. 과습상태의 토양에서 식물체의 뿌 리는 저산소(hypoxia) 또는 산소 겹필(anoxia) 현상이 나타내 며, 식물체내에서는 산소공급의 부족으로 식물체 내에 에틸렌 (ethylene) 생산이 급격하게 일어난다. 식물체 내의 에틴렌 축 적은 아포플라스트(apoplast)의 pH 조절 또는 expansion gene 의 과발현으로 세포벽 이완을 촉진 한다. 세포벽 이완은 식물 체 줄기조직의 기계적 저항성을 낮추며 새로운 뿌리인 부정근 발달을 가능하게 한다(Bailey-Serres and Voesenek, 2008; Steffens and Sauter, 2009; Zhaohui et al., 2009). 부정근의 발달은 과습상태에서 손상을 입은 뿌리를 대체하며 토양 표면 에 주로 분포하여 대기로부터 확산에 의한 산소 공급이 원활 하게 하는 역할을 하는 것으로 연구되고 있다(Jackson, 1985).

야생옥수수를 이용한 실험에서 Mano & Omori(2005a,b; 2007)는 과습 조건에서 부정근 형성은 대기중에서 직접적으로 옥수수 식물체 뿌리로 산소 공급의 역할을 한다고 하였다. 특 히 몇몇 옥수수에서 과습 상태에서 토양 표면에 부정근을 형 성하며 적응하는 것으로 보고하였다. 실제로 Zea mays ssp luxurians와 Z. mays ssp. huehuetenangensis와 비교하였을 때 에 2종의 테오신트에서 부정근 형성이 뛰어나다고 하였다. Mano et al.(2005b)는 B64 × Z. mays ssp. huehuetenangensis 교배 후 F₂ 개체를 과습 상태에서 재배한 후 부정근 형성에 대한 양적형질유전자좌(QTLs)을 분석을 하였고 chromosome 4, 5, 8에서 부정근 형성과 관련한 QTL이 있으며, 특히 chromosome 8번에서 가장 큰 영향을 주는 것으로 보고하였다. 또한 Zea nicaraguesis을 일반 옥수수에 교배 후 QTLs 검정 을 하는 등 다양한 테오신트 아종을 이용하여 과습관련 유전 적 연구를 진행하고 있다(Mano and Omori, 2009). 따라서 테오신트가 가지고 있는 부정근의 형성 능력은 과습상태에서 뿌리로의 산소공급의 중요한 역할을 한다. 이러한 테오신트의 부정근 형성 능력은 과습상태에서 옥수수 재배시 매우 유리한 특성을 나타내므로 이러한 유전적 인자를 현재 재배종으로 도 입하는 연구가 절실히 필요하다.

테오신트의 뿌리 통기조직 발달

산소가 부족한 상태에서 줄기부터 뿌리까지 산소공급을 위 한 조직으로 산소의 공급을 위하여 식물체 내부의 가스 확산 의 저항성을 낮추거나 연속적으로 가스가 채워진 통로로 이루 어진 연질조직을 aerenchyma이라 한다(Armstrong and Webb, 1985). Aerenchyma 조직의 형성은 lysigeny와 schizogeny로 구분된다. Lysigeny aerenchyma는 세포 용해(cell lysis)나 사 멸(death)시에 형성되며, 반면에 schizogeny aerenchyma는 세 포분열이나 세포성장시에 형성된다(Evans, 2003; Visser and Voesenek, 2004; Haque et al., 2010; Jackson and Armstrong, 1999; Colmer et al., 2004). 과습 토양에서 옥수수 뿌리의 aerenchyma 생성은 에틸렌으로부터 유발된 자극으로 뿌리 끝 부분 밑의 cortex 중앙의 세포사멸에 의하여 발생되며, 이에 따라 lysigeny aerenchyma는 방사형으로 그리고 종 방향으로 형성되어 식물 중심주와 표피를 연결하는 살아있는 세포의 방 사형 교량으로 분리 된 가스 공간을 형성한다(Gunawardena et al., 2001; Bouranis et al., 2003).

일반적으로 작물 중에서 통기조직이 가장 잘 발달된 대표적 인 것은 벼로 알려져 있다. 담수 중에서도 생육이 왕성한 벼는 뿌리의 통기조직인 aerenchyma의 발달로 산소공급이 수면 아래 조직에도 원활하게 공급하는 것으로 알려져 왔다. 그러나 옥수 수를 포함하는 밭작물에서는 이러한 통기조직이 발달이 거의 이루어지지 않아 내습성이 약하다. 그러나 과습 조건하의 테오 신트 연구에서 Zea nicaraguensis와 Zea luxurians의 일부 종에 서 통기조직인 aerenchyma가 매우 잘 발달되어 내습성을 가지 는 것으로 조사되었다(Mano et al., 2006; Ray et al., 1999). 관련 QTLs 분석에서도 chromosomes 1, 5, 8에서 통기조직인 aerenchyma의 발달과 관련되어 있을 것을 추정되고 있다.

논토양에 밭작물 재배시 논토양의 특성에 의해 식물 지하부 의 산소 공급 능력 부족으로 옥수수 생육 감소 주요인으로 작 용될 수 있다. 따라서 테오신트 식물체가 가지고 있는 통기조 직과 관련된 연구가 더욱 진행되어야 하며, 이러한 특성을 이 용할 수 있는 방안이 강구되어야 할 것이다.

과습상태 환원토양에서 테오신트 저항성

토양의 과습상태에서 식물에 특이한 생리적 반응에 대한 연구가 많이 진행되어 왔지만, 아직까지도 과습 저항성과 관 련한 생리적 메카니즘에 대한 연구 이해도가 부족하다(Samad et al., 2001; Setter and Waters, 2003). 일반적으로 토양 과 습상태가 발생하면 토양내 산소 포화도가 낮아지면서 식물체 뿌리가 이용할 산소가 고갈되며, 이에 따라 토양은 환원상태 가 나타난다. 이에 따라 Mn, Fe, S 등의 환원상태로 전환되 어 식물에 뿌리썩음 등의 독성작용을 발생시키는 것으로 알려 져 왔다(Wagatsuma et al., 1990).

논 상태에서 옥수수 등 밭작물 재배시에 논토양 특성에 의 하여 물빠짐이 좋지 않고 특히 관개 및 강우 시에 환원성 토 양에서 발생하는 Fe²⁺, H₂S 등의 독성물질이 발생이 증가되며, 토양내 과습에 의한 산소공급의 저하가 일어나게 된다 (Yamasaki, 1952). 최근 몇몇 연구에서 QTL 분석 결과 옥수 수 chromosome 1번에서 토양 환원 상태에서 과습 저항성 유 전자 진이 있는 것으로 추정되어지고 있다(Mano et al., 2006). 이러한 결과는 옥수수 품종 간 수분 스트레스에 대한 차별적인 반응을 통하여 과습상태에서 옥수수의 유전적 기초 장보를 밝히는 데 도움이 될 것이며, 또한 선발 마커을 이용 하여 옥수수 계통의 습해 내성의 개선을 위한 새로운 유전정 보를 제공 할 것으로 예상된다.

내습성 자원으로 테오신트 이용

옥수수는 세계적으로 매우 중요한 작물이며, 식용, 사료용 그리고 공업용 원료 등 이용되는 분야가 매우 많다. 이처럼 세계적으로 매우 중요한 작물이지만 옥수수의 생산량은 생물 학적(biotic), 비생물학적(abiotic) 스트레스에 의하여 많은 제한 을 받고 있으며, 특히 한국, 일본, 중국 등 동아시아지역에서 집중강우에 따른 비생물학적 피해가 매우 크게 나타난다(Zaidi et al., 2009).

일반적으로 식물의 야생종은 생물학적, 비생물학적 스트레 스 저항성 육종 소재로 이용되며, 재배종 식물과 비교할 때 매우 뛰어나 스트레스 저항성 연구재료로서 야생 유전자원을 이용하는 방법이 연구되어왔다(Harlan, 1976; Zaidi et al., 2004). 옥수수의 야생종인 테오신트는 강우가 집중되는 지역 인 멕시코, 과테말라, 온드라스, 니카라구스 등에서 수집되며 과습 저항성을 가진 유전자원으로 추정되고 있다. 이것은 앞 에서 언급된 것처럼 테오신트는 부정근의 발생, 통기 조직의 발달, 환원토양에서 발생되는 환원물질에 대한 저항성 등과 습해 저항성과 관련된 특징을 나타내고 있다. Mano (2005a)등의 연구에 의하면 Zea luxurians와 Zea mays ssp. huehuetenangensis는 다른 옥수수 자식계통보다 부정근 발달이 매우 뛰어난 것으로 보고하여 저항성 재료로 이용 가 능성이 있음을 시사하였다.

습해 저항성 품종 개발은 전통적 교배를 통한 방법이 가장 먼저 이루어져 왔다. 전통적 교배를 통한 선발을 위해서는 가 장 먼저 습해에 대한 옥수수의 저항성 정도를 파악하기 위한 객관적인 평가방법이 이루어져야 한다. Zaidi(2004)등은 옥수 수 생육 단계에 따라 습해 반응 정도를 실험 한 결과 초기 유묘기에서 가장 높은 습해 감수성을 나타낸다고 하였다. 또 한 효율적 선발을 위하여 많은 수의 식물체 처리가 필요하며, 이에 따라서 초기 유묘기에서 선발시 공간 및 처리에 대한 효 율성이 높았다고 하였다. Liu(2010)등은 옥수수 생장단계에서 2엽기에 6일간 처리시 가장 민감하게 반응한다고 하였다. 습 해처리에 대한 생리적 반응에 측정방법은 옥수수 생장 초기에 NAD⁺-alcohol dehydrogenase(ADH) 활성, peroxidase(POD) 활 성, malondialdehyde(MDA) 활성 등의 방법으로 측정하며, 생 식생장기에는 Anthesis Silking Interval(ASI)을 이용하여 측정 한다. 이러한 다양한 조건과 방법을 통하여 옥수수 유전자원 으로부터 과습 저항성과 동시에 높은 수량성을 가진 옥수수 계통을 만들고 이것을 이용한 교잡에 의하여 과습 저항성 품 종을 개발해왔다.

최근에는 식물체의 분자적 접근을 통해 genome 특성을 파 악하여 옥수수 육종에 직접 이용하게 되었다. DNA fingerprinting은 DNA 마커를 이용하여 대규모 선발시 매우 효율적이며, 이것을 응용하여 전통적인 육종방법에 적용을 통 해 저항성 품종 개발에 많은 기여을 하고 있다. 특히 옥수수 에서 과습 저항성 관련 많은 주동 유전자를 동정, 이용, 변경 시켜서 새로운 품종 개발에 이용된다(Lone et al., 2016). 이 러한 예로 maize B64 × Zea mays ssp. huehuetenangensis 을 교배하고 QTLs을 통해 과습관련 대립유전자가 염색체 4, 8번과 관련되어 있다고 보고하였다(Mano et al., 2005a). 또한 B64 x Zea nicaraguensis에서 aerenchyma형성과 관련된 염색 체가 1, 5, 8번에 관련되어 있다고 보고하였다(Mano et al., 2005b). 옥수수 유묘기에 과습 저항성을 확인하기 위해 옥수수 계통 HZ32(과습저항성)와 K12(과습 민감성) 교배하 여 288 개의 F2 : 3 의 F2 모집단을 만든 후 과습관련 QTLs 분석을 실시하였다(Qiu et al., 2007). Pei(2011)등은 Zea nicaraguensis을 대상으로 습해 저항성 연구와 관련하여 RAPD와 ITS(internal transcribed spacer) sequences을 실시하 였다. Xiling(2011)등은 RT-PCR을 이용하여 과습처리에서 변 화되는 표현 패턴을 연구하였으며, 또한 토양의 과습 상태에 서 발생하는 산소 부족 현상은 옥수수 뿌리에 활성산소에 의 한 피해를 입히는 것을 확인하였다. Aboki(2012)등은 야생종 인 Zea nicaraguensis와 재배종인 Mi29를 과습 토양 조건에 서 비교하였을 때 Zea nicaraguensis는 활성산소의 경계막으 로 aerenchyma 형성하여 과습에 대한 저항성을 나타낸다고 보고하였으며, 과습 조건에서 활성산소에 대한 miRNA에 변 화에 대한 연구도 진행하여 과습 조건하에서 옥수수 초기 생육기에 miRNA 변화가 활발하게 일어난다고 하였다 (Zhijie et al., 2012).

그러나 테오신트는 과습 저항성 유전자원으로서 장점에도 불구하고, 과습 유전자원으로 이용을 위한 몇가지 단점을 가 지고 있다. 테오신트는 단일식물로서 우리나라에서 정상적인 재배시 생식생장으로 전환이 늦어져 자연상태에서는 종자를 수확하기 어렵다. 따라서 종자수확 및 증식을 위하여 단일처 리를 위한 시설 구비가 반드시 필요하다. 또한 테오신트의 종 자는 탈립성이 매우 강해 수확이 매우 어려우므로 이에 대한 대책이 반드시 필요하다(Fig. 3). 또한 앞서 언급한 것처럼 테 오신트는 유전적으로 매우 다양하며, 같은 아종 사이에서도 내 습성이 차이가 나타나는 것으로 알려져 있다. 따라서 효율적 내습성 품종 개발을 위해서는 수집된 다양한 테오신트로부터 내습성 유전자가 있는 것을 선발할 수 있는 체계적 방법이 우 선적으로 수립이 이루어져야 한다.

최근에 테오신트가 가지고 있는 유전적 특성을 이용하여 과 습 저항성 옥수수품종 개발을 위해 새로운 접근 방법도 최근 에 활발하게 연구되고 있다. 이러한 시도의 한 분야로서 작물 육종과 관련하여 대사체학(metabolomics)을 적용하려는 연구 가 진행되고 있다(Yandeau-Nelson et al., 2015; Alisdair & Nicolass, 2008; Hong et al. 2016). 대사체학(metabolomics) 은 시스템 생물학 분야로서, 생물시료의 풍부하고 다양한 대 사산물을 정량 및 정성을 통하여 대사 경로를 확인하는 것이 다. 식물체의 생장과정 중에서 생리학적, 환경적 반응에 대한 표현형에 대한 반응은 적어도 하나의 대사 성분 표현형을 가 지기 때문에, 대사체학은 대사 과정이 어떻게 이러한 복잡한 표현형을 결정 하는지를 체계적으로 분석 할 수 있다. 대사체 학 기술의 적용은 식물 양적유전(quantitative genetics) 연구 분야 및 , 교잡종 작물 특성 개량 및 예측, 환경 스트레스로 인한 적응성 증대, 중요한 형질에 대한 대사 바이오 마커의 개발 등에 이용될 수 있다(Fig. 4). 따라서 식물 육종분야에서 의 대사체학의 응용 및 적용을 통하여 농업 육종시스템에 효 율적이고 효과적인 해결책을 제공할 수 있을 것을 생각된다.

이러한 기술 등을 적용을 통해 현재까지 재배종으로부터 얻 어진 genome 수준의 유전적 정보 비교와 함께 테오신트가 가 지고 있는 유전적 다양성 이용하여 습해관련 유전자를 탐색하 고 더 나아가 대사체적 수준에서 습해 저항성의 이해을 통해 좀 더 효율적인 육종이 가능할 것으로 생각된다.

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