유전에 대해 알아보기

1. 변이

  개체들 사이에 형질의 특성이 다른 것을 변이라고 한다. 형질의 변이는 유전적 원인으로 나타나는 유전변이와 환경요인에 의한 환경변이가 있다. 유전변이는 다음 세대로 유전되지만 환경변이는 유전되지 않는다. 유전변이가 생기는 것은 감수분열 과정에서 일어나는 유전자재조합과 염색체와 유전자의 돌연변이가 주된 원인이다. 유전변이가 크다는 것은 유전자형이 다양하다는 것과 같은 의미이다. 유전변이는 형질의 특성에 따라 키가 크거나 작은 것 같은 형태적 변이와 병충해에 강하거나 약한 것과 같은 생태적 변이로 나눌 수 있다. 또한 변이양상에 의하여 꽃색깔이 붉은 것과 흰 것과 같이 뚜렷이 구별되는 불연속변이와 키가 작은 것부터 큰 것에 이르기까지 여러 등급으로 나타나는 연속변이로 구분하며 불연속변이를 하는 형질을 질적 형질, 연속 변이를 하는 형질을 양적 형질이라고 한다. 질적 형질은 불연속변이를 하므로 표현형들의 구별이 쉽다. 따라서 각 표현형에 속하는 개체수나 비율을 조사하여 유전분석을 하며, 원하는 유전자형을 쉽게 선발할 수 있다. 그러나 연속변이를 하는 양적 형질은 표현형의 구별이 어렵기 때문에 평균, 분산, 회귀, 유전력 등 통계적 방법에 의하여 유전분석을 하고 그 결과를 선발에 이용한다. 작물 육종은 형질을 개량하기 위하여 자연변이를 이용하거나 인위적으로 변이를 작성하고, 그 변이 중에서 원하는 유전자형의 개체를 선발하여 품종을 육성한다. 유전변이를 작성하는 방법에는 인공교배, 돌연변이유발, 염색체조작, 유전자전환 등이 있다. 인공교배, 인위돌연변이 및 염색체조작은 주로 같은 종내에서 유전변이를 작성하는 방법이다. 그런데 세포융합이나 유전저전환 기법을 이용하면 다른 종의 우량유전자를 도입한 유전변이를 만들 수 있다. 세포융합은 인공교배가 안 되는 원연종/속간에 유전자를 교환할 수 있는 방법이고 유전자전환은 생물종에 관계없이 유전자만을 도입할 수 있는 방법이다. 적물육종에서는 우량한 변이를 선발하기 위해 형질의 특성검정을 한다. 식별이 간단하고 표현형으로 유전자형을 판정하기 쉬운 형질은 특별한 선발기술이 없어도 된다. 그러나 내병성이나 내냉성처럼 특정 환경에서 발현되는 형질은 특성검정이 필요하다. 특정검정은 자연조건, 검정포, 실내 등을 이용한다. 형질의 특성을 검정하는 데는 인력, 경비, 시간 등이 요구된다. 우량한 변이체를 고를 때 형질간의 상관관계를 이용하면 목표 형질을 선발하기 쉽다. 예컨대 밀은 어린 식물의 잎색깔이 짙은 것일수록 내한성이 강하고, 콩의 단백질 함량은 비중과 높은 정상관이 있다. 어린 밀의 잎색깔은 식별하기 싶고 콩의 비중은 측정하기 간단하므로 목표형질을 간접적으로 선발할 수 있다. 또한 선발한 변이체의 유전자형을 알고자 할 때에는 후대감정을 한다. 이 방법은 변이체의 후대를 전개하여 형질의 분리 여부를 보고 동형접합체 또는 이형접합체를 판단한다. 최근에는 DNA 표지를 이용하는 분자표지이용선발 기술이 개발되었다. 이 방법은 목표형질의 유전자와 연관된 분자표지를 선발하는 것으로 포장에서 내냉성 검정이나 내병성 검정을 하지 않아도 된다.

2. 생식

  작물은 종자 또는 영양체로 번식한다. 정자번식작물의 생식방법에는 유성생식과 아포믹시스가 있고, 영양번식작물은 무성생식을 한다. 종자번식작물의 유성생식을 생식모체포가 감수분열을 하여 암수 배우자를 만들고 수정에 의하여 접합자를 형성한다. 접합자는 개체발생을 하여 식물체로 자라며 성장한 식물체를 포자체라고 한다. 암배우자가 들어있는 배낭과 수배우자가 들어있는 화분을 배우체라고 한다. 따라서 유성생식을 하는 작물의 생활사는 배우체세대와 포자체세대가 번갈아 나타나는데 이를 세대교번이라고 한다. 포자체세대는 감수분열을 거쳐 배우체세대로 넘어가고 배우체세대는 수정을 통해 포자체세대로 바뀌는데, 감수분열과 수정과정에서 유전변이가 생긴다. 같은 개체에서 형성된 암배우자와 수배우자가 수정하는 것을 자가수정, 서로 다른 개체에서 생긴 암수 배우자 간에 수정이 이루어지는 것을 타가수정이라고 한다. 그리고 자가수정을 하는 유성생식을 자식, 타가수정을 하는 유성생식을 타식이라고 한다. 유성생식을 하는 종자번식작물은 주로 자식에 의하여 번식하는 자식성 작물과 타식으로 번식하는 타식성 작물로 구분된다. 자식성 작물은 세대가 진전함에 따라 개체의 유전자형이 동형접합체로 된다. 그러나 타식성작물은 세대를 진전하더라도 개체의 유전자형은 이형접합체로 남는다. 따라서 육종에서는 자식성 작물과 타식성 작물의 육종방법이 달라지게 된다. 아포믹시스란 'mix 가 없는 생식' 을 뜻한다. 아포믹시스는 수정과정을 거치지 않고 배가 만들어져 종자를 형성하기 때문에 무수정종자형성 또는 무수정생식이라고도 한다. 아포믹시스는 배를 만드는 세포에 따라 부정배형성, 무포자생식, 복상포자생식, 위수정생식, 웅성단위생식 등으로 나누어진다. 부정배형성은 배낭을 만들지 않고 포자체의 조직세포가 직접 배를 형성하며 밀감의 주심 배가 대표적이다. 무포자생식은 배낭을 만들지만 배낭의 조직세포가 배를 형성하며 부추, 파 등에서 발견되었다. 복상포자생식은 배낭모세포가 감수분열을 못하거나 비정상적인 분열을 하여 배를 만들며 볏과, 국화과에서 나타난다. 위수정생식은 수분의 자극을 받아 난세포가 배로 발달하는 것으로 담배, 목화, 벼, 밀, 보리 등에서 나타난다. 위수정생식에 의하여 종자가 생기는 것을 위잡종이라 하고 주로 종, 속간 교배에서 나타난다. 웅성단위생식은 정세포 단독으로 분열하여 배를 만들며 달맞이꽃, 진달래 등에서 발견되었다. 아포믹시스에 의하여 생긴 종자는 수정을 거친 것이 아니므로 종자 형태를 가진 영양계라 할 수 있고  다음 세대에 유전분리가 일어나지 않기 때문에 종자번식작물의 우량한 아포믹시스는 영양번식작물의 영양계와 똑같이 곧바로 신품종이 된다. 무성생식은 생식기관이 아닌 잎, 줄기, 뿌리 등 영양체로부터 새로운 개체가 발생하며, 이를 영양번식이라고 한다. 영양번식을 하면 유전적으로 동일한 특성을 나타내기 때문에 우량품종을 계속 증식하여 사용할 수 있다. 또한 영양번식된 어린 식물은 모식물의 성숙한 조직에서 유래하였으므로 종자에서 발생한 어린 식물보다 강하다는 이점이 있다.
  유성생식을 하는 작물은 체세포분열을 통해 개체로 성장하고 생식세포의 감수분열로 배우자를 만들어 생식을 한다. 생식모세포의 감수분열에 의하여 딸세포가 생기고 배우자를 되는 과정을 배우자형성이라고 한다. 식물의 생식기관은 암술과 수술이고 여기서 생식모세포의 감수분열이 일어나 배우자를 형성한다. 수배우자는 수술의 화분 안에 있고 암배우자는 암술의 배낭 안에 있다. 성숙한 화분은 꽃밥에서 터져나와 직접 또는 물, 바람, 곤충 등의 매개체에 의하여 암술머리로 옮겨지는데 이 과정을 수분이라 한다. 수분방법은 자가수분과 타가수분으로 나누어진다. 자가수분은 한 개체의 화분과 암술 사이에 수분이 이루어지는 것이고 타가수분은 서로 다른 개체간에 수분이 일어나는 것이다. 수분할 때 암술머리에는 여러 유전자형의 화분이 모이며 수분이 성공하는 화분의 유전자형에 의하여 접합자의 유전자형이 달라진다. 암술머리에 수분된 화분이 발아하면 화분관이 신장하며 화분관을 따라 2개의 정세포가 주공을 통해 배낭 안으로 들어가 수정을 하게 된다. 속씨식물은 2개의 정세포 중 하나가 난세포와 융합하여 접합자를 만들고 다른 하나는 극핵과 융합하여 배유핵을 형성하는데 이 과정을 중복수정이라고 한다. 수정이 끝나면 배발생과 함께 밑씨가 성숙하여 종자로 되고 씨방이 발달하여 열매를 형성한다. 종자의 배는 수정에 의해 생겼으므로 한 세대가 진전한 것이다 그러나 종피와 열매껍질은 모체의 조직이다. 따라서 종자에서 배와 종피는 유전적 조성이 다르다. 한편, 종자의 배유에 우성유전자의 표현형이 나타나는 것을 크세니아라고 한다. 예컨대 찰벼와 메벼를 교배하여 얻은 종자의 배유는 메벼로서 이는 메벼 유전자의 작용에 의한 것이다. 사과, 감, 야자 등은 크세니아를 일으키는 유전자가 과실의 크기, 빛깔, 산도 등에도 영향을 끼치는데, 이를 메타크세니아라고 한다.

3. 염색체와 유전자

  생물체를 구성하는 기본단위는 세포이고 모든 세포에는 염색체가 들어있다. 염색체는 DNA 와 단백질로 구성되어 있으며  DNA 는 유전자를 이루는 유전물질이다. 염색체(chromosome)는 색채를 뜻하는 'chroma' 와 몸을 뜻하는 'soma' 의 합성어로 염색체가 특정 염색액에 잘 염색되어 붙여진 이름이다. 염색체를 염색하면 진하게 염색되는 이질염색질과 빠르게 염색되는 진정염색질이 나타나는데 이질염색질의 DNA 는 대부분 유전자로 작용하지 않는다. 이질염색질은 동원체를 포함하고, 염색체를 안정화시키는 역할을 한다. 동원체는 염색체의 협착부위로 여기에 방추사가 부착하여 염색체를 이동시킨다. 작물은 종류에 따라 체세포에 들어있는 염색체수가 일정하다. 예컨대 보리 14개, 완두 15개, 무 18개, 벼 24개의 염색체를 가지며 같은 염색체가 두 세트씩 있는데 이것을 상동염색체라고 한다. 생물의 형질은 유전자가 지배하며 유전자는 염색체를 통해 다음 세대로 전해진다. 유전자는 물질적으로 핵산이며 핵산의 기본 단위는 인산, 5탄당 및 염기가 공유경합한 뉴클레오티드이다. 핵산에는 DNA 와 RNA 가 있다. 대부분의 생물은 DNA 가 유전물질이고 DNA 가 발현될 때 RNA 가 나타난다.형질의 특성은 유전자선물인 단백질의 기능과 환경의 영향에 의하여 나타난다. 단백질은 세포 내에서 효소로 작용하여 화학반응을 촉매하고, 유전자발현을 조절하는 인자로 작용한다. 또한 단백질은 물질을 운반하고 저장, 운동, 방어 등 세포와 조직의 기능 및 특성을 결정하는데 중심역할을 한다. 유전자 DNA 는 구조적으로 안정되어 있으며 또한 DNA 의 두 가닥이 상보적인 염기쌍을 형성하기 때문에 두 가닥 중 한 가닥이 손상되면 나머지 가닥을 이용하여 복구할 수 있다. 세포는 DNA 의 손상을 수선하는 메커니즘을 가지고 있다.

출처: 삼고 재배학원론(채제천, 박순직, 강병화, 김석현 지음)