◈ 우리 농산물 9종「생명체 설계도」최초 해독

 

농촌진흥청, 우리 농작물 9종「생명체 설계도」최초해독 - 고구마·배·들깨 등… 맞춤형 품종․식의약 소재 개발 기대 -

 

□ 농촌진흥청(청장 정황근)은 국내외 10개 산학연 기관과 협력해 경제적 가치가 큰 우리 농작물 9종의 ‘생명체 설계도’인 유전체를 세계 처음으로 해독했다고 밝혔다.

○ 이번에 유전체를 해독한 작물은 고구마, 들깨, 배, 양파, 국화, 도라지, 결명자, 잎새버섯, 만가닥버섯 등 총 9종이다.

○ 유전체 해독으로 이들 작물의 유전자 수, 위치, 구조 등이 밝혀짐에 따라 앞으로 농작물 품종 개량뿐만 아니라, 이들 작물이 가진 각종 기능성 물질을 가공식품, 의약품 등의 소재로 개발하는데도 가속도가 붙을 전망이다.

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□ 농촌진흥청이 이번에 첨단 장비를 이용해 해독한 9종의 유전체 크기 총합은 인간 유전체 크기(3기가베이스(Gb), 30억 쌍의 염기)의 약 7배에 달하는 22기가베이스이고, 발굴한 유전자 수(인간은 약 2만개 내외)도 39만개에 이른다.

 

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1) 유전체(genome): 한 생명체가 지닌 유전정보의 총합

2) 고구마는 한·중·일 컨소시움을 구성하여 해독

3) 서양배, 중국배는 외국에서 먼저 해독, 농촌진흥청은 국내품종(원황배) 해독

 

○ 이로써 농촌진흥청은 그간 유전체 크기가 커서 국제적으로 난제였던 거대 유전체 해독 원천기술을 확보하는 등 세계 최고 수준의 기술을 보유하게 됐을 뿐만 아니라 발굴한 유전자의 지식재산권도 확보 할 수 있게 됐다.

 

□ 이번에 해독한 유전체 정보는 농촌진흥청이 운영하는 국립농업생명공학정보센터(NABIC)에 저장해 국내 산․학․연이 연구 뿐만 아니라 다양한 산업분야에 공동 활용할 예정이다.

○ 특히, 우선적으로 활용 할 수 있는 분야로는 고구마, 양파, 국화의 수확량 증대, 저장성 개선, 병해충 저항성 향상, 배의 딱딱한 씹는 맛을 내는 석세포 감소 등 품종 개선 분야를 들 수 있다.

○ 또한, 들깨의 고품질 오메가-3 지방산 함량 증대와 도라지, 결명자, 버섯에 풍부한 항암‧항염‧항산화·성인병 예방 등의 약리성분을 식품이나 의약품․화장품 소재로 개발하는 분야의 실용화 연구도 활발하게 진행 할 수 있다.

○ 농촌진흥청은 이번에 축적한 기술과 경험을 바탕으로 2021년까지 우리나라 고유의 작물, 가축, 곤충 등 20품목 유전체를 추가적으로 해독할 계획이다.

 

□ 농촌진흥청 장승진 농업생명자원부장은 “이번 유전체 해독 성과는 BT산업의 기초기반 기술 분야에서 우리나라가 세계 최고 수준의 기술력을 확보했다는 점에서 그 의의가 매우 크다.”라며,

○ “앞으로 가공식품, 의약품 등 후방산업에서도 우리 고유의 농업생명 소재를 활용한 실용화 기술 개발이 기대된다.”라고 말했다.

 

<참고자료>

1. 해독결과 및 주요 활용계획

 

작물 (품종)		유전체크기 (Mb)	발굴유전자수 (개)	활용계획
들깨 (B-17)		650	56,000	• 한국이 원산지인 토종 유전자원 권리확보 • 항산화, 항염, 항당뇨 들깨(건강식품) 개발
고구마 (Mx23Hm)		516	37,100	• 비타민, 베타카로틴, 안토시아닌 고함유 고구마(건강식품) 개발 • 다배체유전체 해독 기술 확보
배 (원황)		535	47,176	• 우리나라 배 품종의 우수성 증명 • 식감, 맛 개선 신품종 육종 • 원황배 등 국산 배 수출증진 기여
국화 (산국)		2,947	98,822	• 흰녹병 저항성 신품종 육종 • 항암․항균․항염 활성 물질 개발 • 국화과 작물의 꽃 발달 기작 규명
양파 (엄지나라, 신선황)		16,000	35,505	• 암예방, 노화억제, 신진대사 촉진 유전자 발굴 • 양파종자 수입 대체 • 거대유전체 해독 기술 확보 (→ 파, 마늘)
도라지 (장생도라지)		702	49,837	• 신규 약리성분 발굴 • 트리페노이드 사포닌 고함유 신품종 육종 • 연작재배 가능 신품종 육종
결명자 (명윤결명)		621	41,995	• 신규 약리성분 발굴 • 안트라퀴논 고함유 신품종 육종 • 다수성 신품종 개발
잎새 버섯		39	15,039	• 콜레스테롤 억제 등 건강식품 개발 • 기능성물질(베타글루칸 등) 고함유 신품종 육종 • 발아안정성 및 다수확 신품종 육종
만가닥 버섯		42	15,561	• 항암활성물질 고함유 신품종 육종 • 생육기간 단축 신품종 육종

 

 

2. 유전체 연구란?

□ 배경 및 목적

○ 2000년 미국 주도 인간유전체 초안 발표 이후 유전자의 중요성 증대

○ 농업분야에서 몬산토, 신젠타 등 다국적 종자기업 뿐만 아니라 국가 주도의 유전체정보(유전자)를 선점·활용하기 위한 공격적 투자 증대

 

□ 유전체(게놈, genome)란?

○ 생물체가 보유한 유전정보로서 형태, 기능, 행동양식 등 기록한 설계도

○ 유전체해독은 생명체 설계도를 해독하는 것으로 구성단위인 유전자의 종류․위치․개수․염기서열 등을 분석.

 

* 현재 유전체정보 해독은 수많은 DNA 단편을 조립하는 방식으로 하고 있기 때문에 빅데이터를 분석하는 능력(생물정보학)이 필수적임

 

3. 포스트게놈다부처유전체사업

□ 개 요

○ 목적: 농생명산업 핵심 빅데이터인 유전체정보의 확보 및 활용

* 부처별로 개별적․산발적으로 추진하던 유전체연구를 통합계획하고 부처간 연계와 협력을 강화하는 투자전략임(국가과학기술워원회, 2011)

○ 사업기간: 2014년∼2021년(8년) * 1단계(2014년∼2017년), 2단계(2018년∼2021년)

○ 참여부처: 농식품부(농촌진흥청, 산림청), 보건복지부, 미래창조과학부, 산업통산자원부,

                 해양수산부

 

□ 농생명자원분야 유전체사업(농촌진흥청)

○ 세부사업

① 농업생물자원(작물, 가축, 곤충) 유전체 정보 해독(37품목)

② 농림축산식품자원 바이오정보 고도화 및 서비스 시스템 확충

③ 국제협력 네트워크 구축 및 글로벌 인력 양성

○ 1단계 유전체해독 품목: 17품목

 

구분	작물			곤충	가축
	식량	원예	특약용
대상품목	들깨 고구마 메밀	배 국화 양파	도라지 결명자 잎새버섯 만가닥버섯	왕지네 애멸구 천잠	제주마 오골계 재래오리 진돗개
품목수	3	3	4	3	4
* 벼, 배추, 무, 수박, 고추 등 표준유전체는 차세대바이오그린 21사업으로 이미 완성함.

 

○ 참여기관

주관	농촌진흥청 국립농업과학원 농업생명자원부(유전체과)
공동	∙ 국공립연구소: 국립식량과학원, 국립원예특작과학원, 국립축산과학원, 한국생명공학연구원          ∙ 산업계: ㈜인실리코젠, ㈜테라젠이텍스, ㈜씨더스, ㈜파이젠 등          ∙ 학계: 세종대학교, 부산대학교, 고려대학교, 선문대학교 등

 

4.  해독품목별 공동연구자

작물	국립농업과학원*	국립식량과학원	국립원예특작과학원	대학·기업 등
들깨	김태호	이명희, 오기원(밭작물개발과)	-	씨더스(이정희) 마크로젠(협력)
고구마	윤웅한	남상식, 이형운, 양정욱 (바이오에너지작물연구소)	-	한국생명공학연구원일본 Kazusa DNA 연구소 일본 NARO 중국 고구마연구소 중국농업대학 DNA링크(협력) 인실리코젠(협력)
배	김정선	-	김세희(과수과) 김윤경(배연구소)	테라젠(홍창표, 박신기)
국화	원소윤	-	정재아 신학기(화훼과)	<!--[if !supportEmptyParas]--> <!--[endif]-->
양파	손성한	-	안율균, 김도선 권영석 김철우(채소과)	농협종묘 양파나라 DNA링크(협력) 마크로젠(협력)
도라지	김창국	-	김금숙 김옥태(인삼특작이용팀)	테라젠(홍창표) 충북대학교(이이)
결명자	강상호, 이창묵, 심준수	-	정진태(약용작물과)	㈜파이젠 선문대학교
잎새      버섯	김정구, 조희정, 이병무	-	오연이, 공원식 장갑열, 신평균 오민지 한재구(버섯과)	고려대학교(최인걸 민병남, 박홍재)
만가닥       버섯	김정구, 조희정, 이병무	-	오연이, 공원식 장갑열, 신평균 오민지 한재구(버섯과)	고려대학교(최인걸 민병남, 박홍재)
* 유전체과 주관

 

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<Q&A>

Q1	유전체 해독을 어떻게 하나요?

 

○ 생명체의 유전정보(설계도)는 염색체의 DNA에 암호화 돼 있습니다. 즉 유전체해독은 DNA 염기서열을 읽어 생물체가 가지고 있는 유전자의 종류, 수, 구조, 위치 등의 암호를 해독하는 연구입니다.

 

○ 그러나 아직은 DNA 염기서열을 현재의 분석장비로도 처음부터 끝까지 한 번에 읽어갈 수 없습니다. 또한 DNA를 분리할 때에도 절단되기 때문에 단편조각들의 염기서열을 읽을 수밖에 없습니다.

 

Q2	작물의 표준(신규)유전체 해독연구를 시작한 계기는?

 

○ 2000년 6월 인간 유전체 초안이 미국 주도로 밝혀진 이후 인간질병에 관련된 유전자가 특허로 점유되면서 각 나라는 유전체(유전자) 정보가 미래 국가 바이오산업의 성장동력으로 판단해 농작물, 가축을 포함한 생물체의 유전체를 해독하고 있습니다.

○ 우리나라도 이러한 추세에 적극 대응하기 위해 부처별로 개별적․산발적으로 추진하던 유전체 해독 연구를 통합해 ‘다부처사업’으로 추진하기 시작했습니다.

* 포스트게놈다부처유전체사업(2014년∼2021년, 8년): 농식품부(농촌진흥청, 산림청), 보건복지부, 미래창조과학부, 산업통상자원부, 해양수산부 7개 부처‧청 참여

○ 농촌진흥청은 기존에 해독한 벼, 배추, 고추 등을 제외한 중요한 작물에 대해 우선순위와 미래가치 등을 고려해 유전체 해독연구를 추진하고 있습니다.

 

Q3	표준(신규)유전체가 무엇을 의미하나요?

 

○ 유전체(게놈, genome)는 한 생물체가 지닌 모든 유전정보의 총합이며, 그 생물체의 형태, 생리대사, 유전요소, 행동양식 등을 결정짓는 유전자의 설계도라고 할 수 있고, 유전체해독이란 그 유전자 설계도를 확인하는 연구입니다.

* '게놈'이란 용어는 유전자(gene)와 염색체(chromosome)의 합성어임

○ 표준유전체(영어로 reference genome)는 특정 생물종(벼, 배추, 양파, 고구마, 소, 닭 등)별로 대표할 수 있는 품종(계통)의 유전체정보입니다. 그러나 품종(계통)별로 장·단점이 있어서 현재로서는 대표품종 보다는 최초로 해독되고 다른 품종의 유전체해독 연구에서 기준으로 삼을 만큼 잘 해독됐을 때 그 유전체정보를 표준유전체라고 말할 수 있습니다.

 

Q4	유전체해독 대상작물과 품종을 선정한 기준은 무엇인가요?

 

○ 농업적 측면에서 경제규모, 재배면적, 생산량, 기능성물질, 토종자원으로서의 중요성 및 앞으로 바이오산업에서 미래가치 등을 고려해 대상 작물을 선정했습니다.

○ 배, 들깨, 도라지, 결명자, 버섯 등은 주로 농촌진흥청을 포함한 국가기관이 육성 보급하고 있으므로 우수한 품종(계통)중에서 선정했고, 민간에서도 육종하고 있는 양파는 세계인의 샐러드인 자색양파(엄지나라, 농촌진흥청 육성)를 대상으로 했습니다.

○ 고구마와 국화의 재배종은 유전체가 매우 복잡(6배체)해 간단한 형태(야생종, 2배체)를 먼저 해독하고 재배종으로 확대하고 있습니다. 특히, 고구마는 한·중·일 3나라 컨소시엄으로 해독하고 있어 해독품종을 공동 선정했습니다.

 

Q5	작물 유전체 정보는 어디에 활용될 수 있나요?

 

○ 최근 ‘금 보다 비싼 종자’라는 말이 있습니다. 파프리카는 1g당 10만 원∼15만 원으로 7만 원 정도인 금보다 비쌉니다. 그만큼 우수한 종자는 미래 바이오산업 성장동력이고 농산업 발전에서 기본요소입니다.

○ 유전체정보를 해독하면 우수하거나 불량한 형질을 만드는 유전자를 파악할 수 있어서 새로운 품종을 육성할 때 우수한 형질만 집적된 품종을 정확하게 선발할 수 있는 기술을 확보할 수 있게 됩니다.

○ 따라서 앞으로의 육종은 유전자육종, 빅데이터육종, 노동 및 투자비용 절감육종의 형태로 변화될 것입니다. 국제적인 다국적 종자회사도 GM작물 개발과 함께 유전체정보를 활용한 육종에도 투자하고 있는 상황입니다.

○ 또한 식물의 다양한 물질은 의약, 식품, 산업소재로 활용되고 있습니다. 이번에 ‘용각산’의 원료인 도라지와 건강식품인 양파, 결명자도 해독해 유용한 유전자를 개발해 단지 농산물 생산이 아닌 가공, 제약산업도 활성화하는데 기여할 수 있으리라 판단합니다.

 

Q6	현재 전세계적으로 어떤 작물의 유전체가 해독되었나요?

 

○ 국내외적으로 벼, 포도, 배추, 감자, 고추, 토마토 등 많은 주요 작물이 해독됐습니다. 2000년대 초기에는 기술이 발전하지 못해 투자비용도 많이 들고(당시, 인간의 경우 약 3,000억원 소요), 해독의 완성도도 만족스럽지 못했습니다.

○ 최근에는 해독장비의 발전으로 더 많은 작물과 품종이 해독되고 있습니다. 우리나라도 우리의 고유 작물이나 품종, 계통 등에 대한 유전체정보를 확보하는 것이 우리나라 생명산업을 활성화 하고 우리나라 자원의 주권을 확보할 수 있는 지름길입니다.

* 우리나라 해독 작물: 벼, 배추, 고추, 무, 토마토, 참외, 버섯, 포도, 녹두 등

○ 따라서, 이제는 얼마나 해독되었는가가 중요한 것이 아니라 우리가 얼마나 다양한 자원에 대한 정보를 가지고 있고, 어떻게 농업에 효율적으로 활용할 수 있느냐가 중요합니다.

 

Q7	이번 성과를 활용한 후속연구는 어떻게 되나요?

 

○ 이번에 해독한 9품목 중에서 국가기관(농촌진흥청 등)이 주로 육종해 보급하는 품목이 8종(들깨, 고구마, 국화, 배, 도라지, 결명자, 버섯 등)이고 민간과 국가기관이 함께 육종하는 품목은 양파 1품목입니다.

○ 그러나 양파도 90% 이상 외국(일본 등)에서 종자를 수입하고 있는 실정이라 민간과 농촌진흥청이 협력해 새 품종을 개발하고 있는 상황입니다.

○ 따라서, 유전체정보는 일차적으로 품종을 개발하는 기관(육종가 등)을 포함한 민·관·학계와 협력해 새 품종 육종에 적극 활용하도록 하고자 합니다. 그 이후 유용유전자를 활용한 의약, 식품 등을 개발하는 데에도 활용하도록 적극적으로 추진하고자 합니다.