작물형질전환의 현황과 한국내의 발전전망 및 과제

한지학,Harn, Chee-Hark 한국식물생명공학회 2006 식물생명공학회지 Vol.33 No.3

형질전환작물의 재배면적은 초창기 1996년에 비해 2005년 기준으로 약 50배 늘어났고 매년 10% 이상 꾸준한 증가세를 유지하고 있으며 지난 10년간 형질전환작물에 의한 산업가치가 매우 큰 것으로 확인되었다. 또한 2010년에는 약 60%의 종자 매출이 형질전환기술을 이용한 개량종자일 것으로 예측하고 있어서 인류 먹거리에 막대한 영향력을 가져다주고 있는 제 2의 녹색혁명이라고 간주될 수 있다. 그럼에도 불구하고 대한민국에서는 형질전환작물에 대한 상업화가 전혀 활성화가 되지 않아서 미래 종자전쟁에서 패배할 수밖에 없을 것으로 보인다. 그러나 결코 기술적으로 뒤떨어져 있지 않으며 실제로 외국과 비교하여 많은 작물들에 대한 protocol이 국내 연구자들에 의해서 완성되어 왔다. 또한 몇몇 작물은 세계 최초로 형질전환시스템을 구축한 경우들도 있어서 외국과의 경쟁력에서 우위에 있는 것이 사실이다. 따라서 형질전환개발 기술측면에서는 국가 경쟁력이 있었지만 상업화하기 위한 몇 가지 시스템이 부족하였던 것이 현주소라고 사려 된다. 가장 큰 문제는 형질전환작물 개발 초기서부터 target 유전자가 제대로 상업화가 될 수 있도록 설정되어 있지 않은 것이다. 그리고 형질전환작물이 개발되었을 경우 육종가에 의한 형질전환육종이 실행되지 않고 비육종가 직접 재배한 경우가 대부분이어서 체세포 변이에 의한 열성 개체들이 선발되거나 tansgene의 효과가 자식열세에 의해서 상쇄되어 원예적으로 불량하게 선발된 것이 아닌가 사려 된다. 앞으로 이런 문제점들을 잘 숙지하고 형질전환작물의 상업화를 위하여 정부, 대학, 국립연구소, 산업체, 국민 모두 자기 역할을 활성화하여야한다. 향후 종자전쟁의 경쟁에서 우리가 시장점유를 확실히 하기 위해서는 지금서부터 짊어지고 가야할 숙제와 난관이 너무 많다. 이미 국제적 경쟁에서 많이 뒤져있어서 우리가 제일 잘 할 수 있는 작물을 선택하여 개발하는 것을 제 1우선순위로 채택하고 산 학 연 협력으로 집중 연구하여 많은 사람들이 진정으로 인정하는 형질전환작물 품종개발이 가급적 빠른 기간 내에 마련되어야할 것이다. According to ISAAA report, the global area of genetically modified (GM) crops increased more than 50 fold during the ten-year period from 1996 to 2005 with a sustained double-digit growth rate of 10%. This biotechnology adoption is one of the highest rates of technology adoption in agriculture history and this phenomenon indicates that the industrial value of the GM crops is highly perspective. In addition, the year 2010, 60% of cereal seeds in the global market would be GM or biotechnology related seeds so that the GM crop regards as the second green revolution that could provide a huge impact to food and agriculture. Nevertheless, there has not been any GM variety ever successfully commercialized in Korea and even none of the GM crops has ever been approved for safety testing by risk assessment. This seems that Korean agriculture industry might be indeed lost in the war of future seed market. However, lots of evidence show that Korean scientists have established advanced technologies and protocols to develop GM crops for last 20 years. Actually there have been many cases of successful transformation of crops that were previously known very difficult in transforming. Therefore, Korean agbiotechnology arena firmly holds an infrastructure for developing GM crops with a superior technology. Then what were the problems? Why has even a single GM crop not been commercialized in Korea? The tardiness shown by business in adopting the GM crop is caused by many factors: academical weakness, poor research funding, short knowledge of risk assessment, public concern, no successful experience, lack of professional leaders on GM variety development, lack of systems toward industrialization and inappropriate target transgenes from the beginning. In order to catch up in the race for the new green industry, each one of us in private sectors alongside academia and national research institutes needs to focus altogether on what can be done best in terms of choosing crops, investing fund and establishing a road map for commercialization of GM crops.

Biochemical Characterization and Cloning of Starch Synthases from Maize Endosperm

Chee Hark Harn(한지학) 한국원예학회 1996 한국원예학회 학술발표요지 Vol.14 No.2

국내 GM작물 개발의 문제점 고찰 및 실용화 가능한 GM작물 개발 을 위한 미래 정책

한지학(Chee Hark Harn) 한국원예학회 2011 한국원예학회 학술발표요지 Vol.2011 No.10

한국 종자산업의 미래

한지학(Chee Hark Harn) 한국원예학회 2013 한국원예학회 학술발표요지 Vol.2013 No.5

고구마에서 ADP-Glucose Pyrophosphorylase Small Subunit cDNA의 Antisense 발현에 의한 전분생합성 저해

민성란,배정명,한지학,정원중,이영복,유장렬,Min, Sung-Ran,Bae, Jung-Myung,Harn, Chee-Hark,Jeong, Won-Joong,Lee, Young-Bok,Liu, Jang-Ryol 한국식물생명공학회 2007 식물생명공학회지 Vol.34 No.4

고구마 유래 ibAGP1, ibAGP2 유전자가 antisense 방향으로 각각 도입된 벡터를 섞어서 particle bombardment 방법으로 고구마 배발생 캘러스에 형질전환을 수행하였다. 선발배지에서 형성된 배발생 캘러스로부터 체세포 배발생 과정을 거쳐 식물체로 재분화된 개체에서 PCR과 Southern 분석으로 고구마의 염색체 게놈에 ibAGP1, ibAGP2 유전자가 도입되었음을 확인하였고, western blot을 통해 형질전환체의 AGPase small subunit 효소 생산이 전반적으로 대조구에 비해 감소하였다. 또한, 형질전환체의 잎과 괴근 절편체의 전분염색 결과에서도 대조구에 비해 부분적으로 전분염색이 이루어짐을 알 수 있었다. 특히, ibAGP1, ibAGP2 유전자가 동시에 들어 있는 식물체 잎에서는 ibAGP1만 들어있는 것에 비해 전분합성이 더욱 감소됨을 확인하였다. 고구마의 경우 감자를 비롯한 다른 식물들과는 달리 외형적인 생장자체를 심하게 저해하였으며 괴근이 형성되지 않아 ibAGP1, 2의 발현 여부가 식물체의 생장에 절대적인 영향을 미침을 시사한다. Embryogenic calluses derived from shoot apical meristem explants of sweetpotato were subjected to particle bombardment to generate transgenic plants for antisense expression of cDNAs encoding two different AGPase small subunit (ibAGP1 and ibAGP2). Plants were generated via somatic embryogenesis. PCR and Southern analysis demonstrated that the incorporation of ibAGP1 and ibAGP2 into the genome in an antisense orientation. Immunoblot analysis confirmed reduced levels of AGPase small subunit in transgenic plant leaves. Plants with both ibAGP1 and ibAGP2 produced a lower level of the protein than plants with ibAGP1 alone. iodine test demonstrated that transgenic plant leaves and storage root accumulated reduced amounts of starch. Iodine staining of leaf tissues indicated that transgenic plants accumulated less amount of starch than control. In accordance with western blot analysis, plants with both ibAGP1 and ibAGP2 accumulated a lower amount of starch than plants with ibAGP1 alone. Both transgenic plants exhibited a severely retarded growth, resulting in bare survival. It is suggested that disrupted expression of the gene encoding AGPase small subunit is lethal to the growth of sweetpotato contrast to other species including potato.

캘러스 유도에 의한 수박 형질전환

권정희,박상미,임미영,신윤섭,한지학,Kwon, Jung-Hee,Park, Sang-Mi,Lim, Mi-Young,Shin, Yoon-Sup,Harn, Chee-Hark 한국식물생명공학회 2007 식물생명공학회지 Vol.34 No.1

수박은 형질전환이 매우 어렵고 직접적인 신초 유도방법으로는 안정된 형질전환을 기대할 수 없어서, 다른 여러 작물에서 높은 효율을 보였던 캘러스 유래 신초 유도 방법을 도입하고자 하였다. 수박의 최적 캘러스 유도조건은 자엽 절편체의 경우 2.0 mg/L zeatin과 0.1 mg/L IAA이었으며 뿌리 절편체의 경우 2.0 mg/L BA와 0.1 mg/L 2,4-D이었다. NptII 유전자의 선발 항생제는 kanamycin보다는 paromomycin 빠르고 효과적이었으며, 수박의 절편체에 Agrobacterium을 접종 한 후 paromomycin을 125 mg/L 첨가한 배지에서 선발하였다. pmGFP5-ER vector로 형질전환한 후 캘러스 상태에서 형광현미경을 통해 GFP 유전자의 도입을 확인하였으며, 딱딱한 초록색의 캘러스에서 강한 GFP 발현을 관찰하였고, 자엽유래 캘러스의 경우 WM8에서 9.0%, 뿌리유래 캘러스의 경우 WM6에서 8.3%의 가장 높은 GFP 발현 효율을 보였다. GFP 유전자 도입과 같은 방법으로 WMV-CP 유전자가 있는 pWMV2300 vector로 형질전환한 후 캘러스 상태에서 PCR 및 Southern blot 분석을 한 결과, 두 점의 캘러스에서 WMV-CP 유전자가 도입되었음을 확인하였다. 본 연구를 통하여 확립된 수박의 캘러스 유도 시스템은 안정된 수박 형질전환 방법에 기초 자료로서 이용될 것이다. The genetic transformation of watermelon by Agrobacterium has been known very difficult and a few successful cases have been reported by obtaining the direct shoot formation. However, since this direct shoot formation is not guaranteed the stable transformation, the stable transformation with reproducibility is required by a different approach such as a callus induced manner. The best conditions for inducing the callus from cotyledon and root explants of watermelon were 2 mg/L zeatin + 0.1 mg/L IAA and 2 mg/L BA + 0.1 mg/L 2,4-D, respectively. The GFP expression in the callus was identified and monitored through fluorescent microscopy after transformation with pmGFP5-ER vector. Paromomycin rather than kanamycin was used for selecting the nptll gene expression because it was more effective to select the watermelon explants. Four different callus types were observed and the solid green callus showed stronger GFP expression. The highest frequency of GFP expression in the callus developed from cotyledon was 9.0% (WM8 inbred line), while the highest frequency from root was 8.3% (WM6 inbred line). The WMV-CP was transformed using the method of GFP transformation and the genetic transformation of WMV-CP was confirmed by PCR and Southern blot analysis. Here we present a system for callus induction of watermelon explant and the callus induced method would facilitate the establishment of stable watermelon transformation.

GFP유전자를 이용한 대목용 박 형질전환

임미영,박상미,권정희,한상렬,신윤섭,한증술,한지학,Lim, Mi-Young,Park, Sang-Mi,Kwon, Jung-Hee,Han, Sang-Lyul,Shin, Yoon-Sup,Han, Jeung-Sul,Harn, Chee-Hark 한국식물생명공학회 2006 식물생명공학회지 Vol.33 No.1

박과 (Cucurbitaceae) 작물에서 박 (Lagenaria siceraria Standl.)은 식용뿐만 아니라 주로 저온 신장성의 확보와 토양전염성 병해를 회피하기 위한 수단으로서 수박의 대목으로 많이 사용된다. 유전공학 방법을 이용한 토양병 내성이 증대된 신품종 개발이 필요한 요즘 박 형질전환체 개발의 효과적인 시스템 확립을 위하여 식물형질전환 연구에 매우 효율적으로 이용되는 마커인 GFP 유전자를 도입하였다. 실험재료로 이용된 박 계통은 9005, 9006 및 G5였으며, 신초 유기를 위한 선발 배지는 3.0 mg/L_ BAP + 100 mg/L kanamycin +500 mg/L cefotaxime + 0.5 mg/L $AgNO_3$, pH 5.8이었다 박 선발배지에 치상된 자엽 절편체는 3주 정도 지나면 절단면 즉 치상 부위에서 작은 돌기들이 발생하였고, 갈수록 절편체는 갈변하여 고사하였다. 선발된 개체에서는 신초가 발생하였으며 선발 후 7주가 경과하면 pot로 이식하여 발근된 완전한 식물체를 얻을 수 있었다. 본 실험결과 박 형질전환 시 genotype에 따른 신초 발생률에 상당한 차이를 보였는데 계통 9005의 경우 신초 발생율이 0.0%이였으며 계통 G5의 경우 4.1%이였다. 형질전환으로 발생된 신초는 GFP가 발현되지 않는 것과 GFP가 발현되는 것 두 가지 양상을 볼 수 있었다. PCR 및 Southern blot 분석을 한 결과, 9006과 G5 두 genotype에서 형질전환 신초에서 GFT 유전자를 가지고 있는 것으로 확인되었으며 GFP 유전자가 도입된 박 형질전환체를 얻을 수 있었다. 따라서 GFP 유전자는 박 형질전환시 유식물체에서 형질전환체를 쉽게 선발할 수 있는 유용한 마커로 이용 될 수 있다. Bottle gourd (Lagenaria siceraria Standl.) has been used as a rootstock for the watermelon cultivation because of better growth ability at low temperature and avoidance from contamination of the soil disease. Since the genetic source for the elite rootstock is limited in nature, the genetic engineering method is inevitable to develop new lines especially to obtain the functionally important or multi-disease resistant bottle gourd. Recently, our lab has set up a successful system to transform the bottle gourd. in order to monitor the transformation process, GFP gene is used. Cotyledons of the inbred line 9005, 9006 and G5 were used to induce the shoot under the selection media with MS + 30 g/L sucrose + 3.0 mg/L BAP + 100 mg/L kanamycin + 500 mg/L cefotaxime + 0.5 mg/L $AgNO_3$, pH 5.8. The shoot was developed from the cut side of the explants after 3 weeks on the selection media. The shoot was incubated in the rooting media with 1/2 MS + 30 g/L sucrose + 0.1 mg/L IAA + 50 mg/L kanamycin + 500 mg/L cefotaxime, pH 5.8 and moved to pot for acclimation. Although the shoot development rate was depended on the genotype, the G5 was the best line to be transformed. Monitoring GFP expression from the young shoot under microscope could make the selection much easier to distinguish the transformed shoot from the non-transformed shoots.

CGMMV-CP 형질전환 수박대목의 CGMMV 내성시험 및 계통확보

박상미,권정희,임미영,신윤섭,허남한,이장하,류기현,한지학,Park, Sang-Mi,Kwon, Jung-Hee,Lim, Mi-Young,Shin, Yoon-Sup,Her, Nam-Han,Lee, Jang-Ha,Ryu, Ki-Hyun,Harn, Chee-Hark 한국식물생명공학회 2007 식물생명공학회지 Vol.34 No.1

수박작물의 대목용으로 사용하는 수박공대에 CGiMMV-CP 유전자를 도입하여 개발된 LM 수박공대의 CGMMV 내성 정도를 격리하우스와 노지 포장내에서 조사하였다. 격리온실에서의 $T_{3}$ 형질전환 수박대목의 CGMMV 내성은 접종 후 70일까지 유지되는 반면 대조구는 접종 후 20일에 전부 이병되었다. 인위적 토양전염 포장에서 형질전환체는 접종후71일까지 약 40%의 내성률을 보였으며, 대조구는 접종 후 37일에 모두 이병되었다. 인위적 접촉전염 포장에서 형질전환체는 대조구에 비해 약 10일 정도 지연효과를 보였다. 따라서 CGMMV-CP 형질전환체는 CGMMV에 저항성을 가진 것이 아니라 감염시기를 지연시키는 부분 내성으로 나타났다. CGMMV-CP homozygous T 세대를 진전시켜서 형질전환 수박공대 계통을 $BC_{1}T_{5}$ 세대에서 선발하였다. 또한 LM 수박공대에 형질전환 되지 않은 접수 (슈퍼금천수박)를 접목하여 non-LM 수박을 생산하고 CGMMV-CP 유전자에 관련된 물질의 이동 여부를 조사하였다. PCR, northern, western 분석한 결과 수박공대 대목에서 형성되는 DNA, RNA, protein 물질이 접수로 이동되지 않음을 확인하였다. Previously developed transgenic watermelon rootstocks (gongdae) inserted by CGMMV-CP were examined to test the virus tolerance levels. In the restricted plastic house, the $T_{3}$ watermelon rootstock showed tolerance to CGMMV until 70 days after inoculation on the leaves while the non-transformed watermelon rootstock became susceptible at 20 days after inoculation. In the field, tolerance efficiency of transgenic rootstocks maintained up to 40% at 71 days after contamination with CGMMV in the soil while all of the non-transformed rootstocks became susceptible at 37 days with the same condition. In the same field, transgenic rootstocks showed more tolerance to CGMMV than the non-transformed rootstocks as those were inoculated on the leaves, but it showed only 10 days delay before being susceptible. Therefore, transgenic rootstocks have a characteristic of delay effect against CGMMV susceptibility, rather than resistance character. From $T_{3}$ rootstocks homozygous for the CGMMV-CP horticulturally favorable individuals were selected for further breeding and a transgenic line was finally obtained at the $BC_{1}T_{5}$. A material transfer experiment was conducted to find out if the DNA, RNA or expressed protein in the transgenic rootstocks could move to the grafted scion (non-transformed watermelon, Super-Kumcheon). PCR, northern, and western blot analysis were performed and no evidence of transferring of those materials from rootstock to scion was ever found.

Bt 양배추가 복숭아혹진딧물의 발육과 기주선택에 미치는 영향

남기정,김영중,문두범,남경희,백인순,박정호,정순천,한지학,김창기,Nam, Ki Jung,Kim, Young-Joong,Moon, Doo-Bum,Nam, Kyong-Hee,Pack, In Soon,Park, Jung-Ho,Jeong, Soon-Chun,Harn, Chee Hark,Kim, Chang-Gi 한국응용곤충학회 2014 한국응용곤충학회지 Vol.53 No.2

해충저항성 유전자변형 작물은 대상 해충에 대한 방제 효과를 증진시킬 수 있는 효과적인 수단이 될 수 있지만, 생태계 내의 다른 비표적 생물에 부정적인 영향을 줄 가능성 또한 있기 때문에 상업적인 재배에 앞서 이에 대한 충분한 연구가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 배추좀나방내성 유전자변형 Bt (Cry1Ac1)양배추가 비표적 곤충인 복숭아혹진딧물에 미치는 영향을 알아보기 위한 기초적인 실험으로서 기주선택실험 및 성장실험을 실시하였다. 기주선택실험에서, 두 개체씩의 Bt 양배추와 모본 양배추에 각각 10마리의 유시 성충(alate virginoparae)을 접종하고, 사흘간 생식(reproduction) 기회를 제공한 후 생산한 약충의 마리수를 측정한 결과, Bt 양배추와 모본 양배추에 낳은 약충의 수가 각각 $21.9{\pm}1.8$와 $22.5{\pm}2.2$로 비슷하였다. 성장실험에서, 갓 태어난 무시 약충(apterous virginoparae)을 Bt 양배추 및 모본 양배추를 기주로 하여 키웠을 때, 성충이 될 때까지 걸린 시간은 Bt 양배추와 모본 양배추에서 각각 $5.8{\pm}0.2$, $5.9{\pm}0.1$ 일(day)로 통계적으로 유의한 차이가 없었고, 개체군 생장률(rm) 또한 $0.7{\pm}0.1$, $0.8{\pm}0.1$로 유사하였다. 이상의 결과들로 볼때 Bt 양배추가 복숭아혹진딧물에 미치는 영향이 없거나 미미함을 알 수 있으나, 다양한 관점에서의 보완 연구가 더 필요하다. Transgenic crops that produce insecticidal toxins have a great potential for controlling target pest insects, but there is a growing concern about unintended influences on non-target species. In the present study, the preferences and performance of non-target green peach aphid, Myzus persicae (Sulzer), on transgenic cabbages (Brassica oleracea) that produce Bt toxin (Cry1Ac1) and untransformed control plants were investigated as a part of risk assessment. In a free-choice situation, the number of nymphs larviposited by 10 winged adults over 3 days was $21.9{\pm}1.8$ and $22.5{\pm}2.2$ on transgenic and the control plants, respectively, indicating that the aphids did not discriminate between the two types of plants. In a performance assay, the development time (D) and intrinsic rate of increase (rm) of wingless aphids reared on transgenic and control plants were also similar (D, $5.8{\pm}0.2$ and $5.9{\pm}0.1$ (days) and rm, $0.7{\pm}0.1$ and $0.8{\pm}0.1$, for transgenic and control plants, respectively). These results suggest that M. persicae is not significantly affected by transgenic Bt cabbage.

Agrobacterium-mediated Transformation of Chinese Cabbage (Brassica campestris L. ssp. pekinensis) with a Protein Disulfide Isomerase Gene

Bong Kyu Kim(김봉규),Hee Jung Cho(조희정),Young Soo Park(박영수),Chee Hark Harn(한지학),Seung Gyun Yang(양승균),Byung Whan Min(민병환) 한국원예학회 2001 한국원예학회 학술발표요지 Vol.2001 No.10