Assessment of Bolting Recovery of an Unbolting Line Produced by Gamma-ray Irradiation in Genetically Modified Herbicide-tolerant Zoysia japonica

The Korean Society of Weed Science and The Turfgrass Society of Korea
강 홍규  Hong-Gyu Kang1선 현진  Hyeon-Jin Sun1권 용익  Yong-Ik Kwon2양 대화  Dae-Hwa Yang1이 강섭  Gang-Sup Lee3박 기웅  Kee-Woong Park4이 효연  Hyo-Yeon Lee1*

Abstract

This study was performed to test the stability of the unbolting trait of JG21-MS1, a genetically modified zoysiagrass that was previously exposed to gamma-ray radiation in 2006. The sterile JG21-MS1 plant has been cultivated through vegetative propagation in pots or in small garden beds for nearly 10 years. To check bolting recovery, we thoroughly looked to find the bolting of JG21-MS1 under various experimental conditions. JG21-MS1 lawns were established and maintained in three different regions: Jeju and Seogwipo in Jeju-do, and Jeonju in Jeollabuk-do. However, the presence of JG21-MS1 bolting recovery was not found. To promote the flowering of zoysiagrass, we exposed JG21-MS1 to artificial long-day light conditions with low temperatures. However, no flowering stems were found from JG21-MS1 in these experiments. Thus, our study indicated that the radiation-induced unbolting trait of JG21-MS1 is an immobilized trait that cannot be restored easily under natural or artificial conditions. In conclusion, JG21-MS1, a genetically modified herbicide-tolerant turfgrass with an unbolting trait, is unable to produce pollen because of its absence of reproductive organs. Thus, if JG21-MS1 were to be released into the wild, it is highly for it unlikely to disturb its surrounding flora through pollination.

Keyword



서 언

지표면 위로 낮게 땅을 덮으며 자라는 화본과(Gramineae) 식물인 잔디는 토양을 보전하고 아름다운 경관과 안전하고 쾌적한 활동 공간을 제공하는 작물이면서 경제성이 매우 높은 작물이다. 잔디 식물 가운데 우리나라와 아시아 대부분의 온대지역에 자생하는 난지형 잔디인 들잔디(Zoysia japonica)는 공원, 정원, 스포츠 공간, 법사면, 노견 등에서 광범위한 용도로 이용되고 있는 초종이며 한국잔디 (Korean lawngrass)라고도 한다(Bae et al., 2010; Bae et al., 2013; Hyun et al., 2012; Song et al., 2017; Yang et al., 2016). 들잔디는 1892년부터 미국으로도 전파되어 많은 품종들이 개발되었고 미국 북부지역을 제외한 중남부 지역에서 널리 이용되고 있다(Patton et al., 2017).

들잔디는 빛을 좋아하는 호광성 식물이기 때문에 내음성이 약하고 다른 잡초들과의 경쟁에서 쉽게 도태되므로 잡초관리를 철저히 하지 않으면 잡초의 침입에 의해 빠른 속도로 사멸되고 만다(Lee et al., 2013). 따라서 골프장, 공원, 운동장 등에 조성된 잔디밭을 유지하기 위해서는 상당한 비용이 요구되는 체계적인 잡초관리가 필수적이다. 일반적으로 대규모 잔디밭의 잡초관리는 인력을 동원하여 직접 제거하거나 생장단계에 따라 적절한 선택성 제초제를 수차례 살포하는 방법을 사용한다. 잡초관리를 가장 효과적으로 할 수 있는 방법은 환경오염도가 비교적 낮은 비선택성 제초제에 대한 내성을 가진 잔디를 이용하는 것이다(Song et al., 2013).

생명공학기술이 발달함에 따라 콩, 옥수수, 면화, 유채 등에서 비선택성 제초제에 대한 내성을 가진 유전공학작물들이 개발되고 이용되어 왔다(Raman, 2017). 잔디도 비선택성 제초제 내성 유전자가 도입된 사례가 보고되었다(Luo et al., 2004; Song et al., 2013; Toyama et al., 2003; Watrud et al., 2004). 특히 몬산토 회사는 골프장 그린 존에 주로 이용되는 크리핑 벤트그라스(creeping bentgrass)에 글리포세이트(glyphosate) 내성 유전자인 enol pyruvyl shikimate phosphate synthase gene (EPSPS)를 도입한 Roundup ReadyTM 잔디의 상용화를 시도하였다(Watrud et al., 2004). 이벤트 ASR368 (상품명: Roundup Ready Creeping Bentgrass)로 명명된 이 잔디는 상용화를 위한 LMO 작물 안전성평가 및 심사 과정에서 화분(pollen)이 20 km 이상의 먼 거리까지 비산하여 격리포장 바깥의 다른 비유전자변형(non-GM) 잔디들과의 수정 사실이 확인됨에 따라 유전자이동에 따른 환경위해성 문제가 제기되었다(Van de Water et al., 2007; Watrud et al., 2004). 2018년 현재 ASR368 이벤트는 미국 농무성(USDA)에서 환경방출 승인이 허가되었지만 회사에서 상용화를 포기한 사례로 남아 있다. 국내에서는 글루포시네이트(glufosinate) 내성 유전자가 도입된 GM 들잔디가 개발되었고 실용화를 위한 환경위해성평가 시험이 수행되었다(Bae et al., 2008; Sun et al., 2010; Toyama et al., 2003). 또한, 제초제내성 GM 크리핑 벤트그라스에서 제기되었던 화분비산 문제를 해결할 수 있는 방안으로 방사선 육종방법을 이용하여 무추대(unbolting) 제초제내성 들잔디(JG21-MS1)가 육성되었다(Bae et al., 2009).

추대(bolting)는 배추과나 화본과 같은 작물에서 일장이나 온도 등의 신호에 의해 생장점이 영양생장에서 생식생장으로 전환되어 유도되는 꽃대(floral stem)이다. 들잔디는 동절기에는 땅 속에서 생장이 정지된 휴면상태로 지내다가 이듬 해 봄에 생장을 시작하여 포복경 및 지하경으로 생장번식을 하고 대개 4월말-5월말 경에 추대하여 개화기를 맞이한다. 이 후 7-8월에 종자가 성숙되고 9-10월까지 포복경(stolon)과 지하경(rhizome)을 이용하여 왕성하게 영양번식을 한다. 그리고, 온도가 10℃ 이하로 내려가는 가을철에 엽색이 황색으로 변하면서 휴면에 들어간다(Kim, 2012). 인공 조건의 개화 연구에서 들잔디는 충분한 저온의 단일 처리 후 온실 내(18-28℃) 장일상태(24 hr)에서 개화가 우수하다는 연구결과가 있다(Hong and Yeam, 1985). 무추대, 웅성불임 등의 생식기관에 문제가 생긴 돌연변이는 종자를 생산할 수 없으므로 농업적으로 이용될 수 없는 경우가 대부분이다. 하지만, 들잔디는 포복경과 지하경으로 번식이 가능하고 대개 뗏장(sod)으로 생산하고 판매하기 때문에 생식기관에 문제가 생겨 종자를 맺지 못하더라도 상품으로서 가치를 유지할 수 있다. 1996년 처음 GM 작물이 상용화 된 이래로, 전 세계적으로 GM 작물의 재배면적과 농산물 유통이 기하급수적으로 증가해 온 사실과는 대조적으로, 우리나라는 사회적으로 GM 작물에 대한 부정적 인식이 매우 강하기 때문에 현 시점에서 콩, 유채, 옥수수, 벼와 같은 식용작물의 재배 승인을 기대하기 어려운 현실에 놓여 있다. 본 연구는 화분을 통한 유전자 이동성을 방지하기 위해 제초제내성 GM들잔디에 방사선을 조사하여 육성된 무추대 제초제내성 GM들잔디(JG21-MS1)의 추대 회복 가능성을 조사한 연구이다.

재료 및 방법

식물 재료

본 연구에서 이용된 주 식물재료는 제초제저항성 유전1자0(bar)가 도입된 GM 잔디에 감마선(60Co) 조사를 통해 무추대를 유도한 GM 들잔디 JG21-MS1 로서 2006년에 육성되어 2019년 현재까지 영양번식으로 재배 관리되고 있다(Bae et al., 2009). 또한 대조구 식물로서 JG21-MS1의 모품종 들잔디(Zoysia japonica Steud.)가 사용되었다(Fig. 1A).

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Fig. 1. Scale of garden beds or fields to test the recovery of JG21-MS1 bolting in three different areas. A, shape of the bolting in wild type zoysiagrass; B, hume concrete pipe bed in Jeju National University, Jeju, Korea; C, test field in Namwon-eup, Seogwipo-si, Jeju, Korea; D, test field in Rural Development Administration, Jeonju, Korea.

LMO 격리포장 내 시험을 위한 시험포 규격 및 추대 관찰

본 시험 연구는 LMO 환경위해성 평가기관으로 지정된 제주대학교 교내와 서귀포시 남원의 LMO 격리포장과 전주시 농촌진흥청의 LMO 격리포장 등 3 장소에서 각각 수행되었다. 들잔디는 포복경을 이용하여 빠르게 번식을 하기 때문에 제주대학교 캠퍼스 LMO 포장의 경우, 들잔디가 재배 경계 지역 바깥으로 확장하여 번식하는 것을 막기 위해 지름 50 cm, 길이 250 cm의 콘크리트 흄관(hume pipe)을 땅에 묻어 재배장소로 사용하였다(Fig. 1B). 시험 잔디는 온실에서 화분(pot)에 유지되어 온 재료를 2012년에 LMO 포장의 흄관으로 이식하였고 2016-2018년의 개화기에 각각 추대율을 정량적으로 조사하였다. 2014년에 서귀포시 남원읍의 LMO 격리포장 내에 추대 관찰을 위한 JG21-MS1의 시험포를 96 m2 (12 m×8 m) 규모로 조성하였고(Fig. 1C), 같은 해에 전주시 농촌진흥청의 LMO 격리포장에도 9 m2 (3 m×3 m)의 크기의 시험포를 각각 조성하였다(Fig. 1D). 시험 잔디밭의 관리를 위해 잡초는 수작업으로 제거하였고, 관수는 스프링쿨러 또는 원예용 물분사기를 이용하였다.

추대의 확인 및 계수는 종자 성숙기인 7월에 실시하였고 모품종 시험포는 900 cm2 (30 cm×30 cm) 크기의 관찰 구역을 임의로 지정하여 3회 반복해서 추대의 개수를 조사하였고, JG21-MS1 시험포는 복수(3-5명)의 실험자가 전체 시험포를 3회 반복하여 조사하였다.

저온처리 및 온실 내의 자연 및 인공 일장 조건 설정

개화유도를 위한 저온처리는 노지에서 재배 중인 들잔디를 겨울철인 1월 중순까지 노지에 그대로 두어 충분한 시간 동안 저온에 감응하도록 하였다. 1월 중순까지 저온처리된 노지의 들잔디를 난방 온실(25℃ 장일 설정)로 옮겨 인위적인 환경에서 추대 출현 여부를 관찰하였다. 자연 일장(3-6월), 장일(16 h 조명), 전일(24 h 조명)의 설정은 Table 1에 제시하였다. 인공적인 장일 조건과 시간은 온실에서 일몰되기 전에 조명등을 켜서 대조구인 모품종의 추대가 출현하여 종자가 맺힐 때까지 매일 16시간까지 일장(day length)을 연장하거나 암조건(dark condition) 없이 24시간까지 연장하여 실험을 수행하였다(Table 1). 2014년에는 1,500 cm2 (30 cm×50 cm) 넓이의 화분에 시료와 모품종 대조구 잔디의 뗏장을 각각 2 화분(2 반복) 씩 온실로 이식하여 조사하였고, 2015년에는 616 cm2 (22 cm×28 cm) 넓이의 화분을 이용하여 JG21-MS1 100 화분을 모품종 대조구 1 화분과 함께 온실로 이식하여 조사하였다. 2017년 2월에 LMO 격리포장 노지에서 휴면 중인 JG21-MS1을 936 cm2 (36 cm×26 cm) 넓이의 화분 9개에 뗏장으로 이식하였다. 동일한 방법으로 대조구인 모품종도 화분에 이식한 다음 유리 온실(주간 25±5℃, 야간 15±5℃)에 옮겨 2주간 생육시켰다. 시험 기간 동안, 자연 일장 시간은 한국천문연구원 천문우주지식정보 홈페이지의 자료에 의존하였다(KASI, 2018).

Table 1. Natural day length light and artificial lights designed to induce bolting.

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PPFD, photosynthetic photon flux density; LD, long day; AL, all light.

결과 및 고찰

자연환경에서 무추대성의 지역 적응성 조사

JG21-MS1은 육성된 2006년부터 2019년 현재까지 10년 이상 동안 추대가 관찰된 적이 없다. 꽃대가 발달하지 않거나 꽃이 피지 않는 형질은 종자수확이 중요한 대부분의 작물에서는 육종목표가 되기 어렵다. 하지만 들잔디는 포복경(stolon)과 지하경(rhizome)을 이용한 영양번식이 가능하고 또한 종자보다는 오히려 뗏장(sod)으로 매매되기 때문에 꽃대가 발달하지 않아도 시장에서 상품가치를 유지할 수 있다. 이 연구는 JG21-MS1의 무추대성이 제주도의 제주 지역 이외 타 지역 포장에서도 안정적으로 유지되는지 검증하기 위해 수행되었고, 2016-2018년에 걸쳐서 제주도의 제주와 서귀포 지역 및 전라북도 전주 지역에서 추대율을 정량적으로 조사하였다. 제주시 제주대학교 내 LMO 격리포장의 경우, 지름 50 cm의 원형 흄관에서 재배된 잔디의 추대를 계수하였다. 실험결과, 모품종 구역은 일정 면적(900 cm2) 내에서 2016년에 평균 152개, 2017년에 119개, 2018년에 145개의 추대가 각각 출현하였지만 JG21-MS1 구역은 추대가 관찰되지 않았다(Table 2). 2014년과 2015년에 걸쳐서 제주특별자치도 서귀포시 남원의 LMO 격리포장과 전라북도 전주시의 농촌진흥청 LMO 격리포장에 각각 JG21-MS1과 모품종(대조구)을 이식하여 시험포장을 조성하였다(Fig. 1D). 잔디가 지면을 잘 덮고 자란 각각의 잔디밭에서 2017년과 2018년에 추대의 출현을 관찰하였다. 서귀포시 남원과 전주시 농촌진흥청 포장에서 모품종 구역은 일정 면적(900 cm2) 내에서 2017년에 각각 평균 105, 128개, 또한 2018년에 각각 평균 136, 130개의 추대가 출현하였지만 JG21-MS1은 96 m2의 서귀포 남원 포장과 9 m2의 전주 농촌진흥청 포장의 전 재배 구역에서 추대가 관찰되지 않았다(Table 2).

Table 2. The yearly test to evaluate the unbolting stability of JG21-MS 1 grown in three different areas.

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The numbers means the mean value of three repeate d tries in each 900 cm2 area of square.

RDA, Rural Development Administration; WT, wild type (positive control); SD, standard deviation.

한반도 최남단에 위치하고 기후분류학상 아열대권에 속하는 제주도 지역의 기후요소를 한반도 내륙지방과 비교하면 기온이 높고, 강수량이 많고, 강한 바람이 자주 부는 특징이 있다. 또한 제주도 내에서도 한라산 남쪽사면의 서귀포는 북쪽사면의 제주에 비해 평균기온이 약 0.7℃ 높아 겨울철에도 서귀포가 제주보다 따듯하다(KMA, 2018).

. 이러한 기후적 차이가 있기 때문에 제주도 내의 제주와 서귀포에서 각각 추대관찰 실험을 실시하였다. 제주도 외 육지의 실험지역으로는 국내에서 가장 LMO 시설이 좋고 실험작물의 체계적인 재배 및 관리가 가능한 국가기관인 전라북도 전주의 농촌진흥청을 선택하였다. 한반도 최남단의 섬인 제주도와 또한 한반도 내륙의 전주에서 수행된 실험에서 JG21-MS1의 추대가 회복되는 개체가 발견되지 않은 사실은 JG21-MS1의 무추대성이 매우 안정적인 형질로 고정된 것임을 의미한다.

저온처리 및 일장변화에 따른 무추대성의 안정성 평가

일반적으로 들잔디는 일정시간 저온처리(vernalization) 후 온도를 높여 장일 하에 두면 개화가 유도되는 특성을 가지고 있다(Hong and Yeam 1985). 본 연구에서는 JG21-MS1과 모품종을 저온처리 한 후 25℃온실의 장일 조건으로 옮겨 재배하면서 추대를 비교 관찰하였다.

실험 결과, 2014년과 2015년 모두 모품종에서는 정상적인 추대가 출현하였으나, JG21-MS1에서는 추대가 관찰되지 않았다(Table 3). 본 결과로부터 저온처리를 통한 개화유도 후 온실 환경의 재배 조건에서도 JG21-MS1의 무추대성(un-bolting)은 안정적으로 유지되고 있음을 확인할 수 있었다.

Table 3. The evaluation of bolting recovery rate of JG21-MS1 grown in natural long day light condition after low temperature treatment.

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WT, wild type (positive control); SD, standard deviation.

자연일장 조건에서 추대가 출현하지 않는 JG21-MS1이 조명등을 이용한 인위적인 장일 조건에서도 추대가 출현하지 않는지 조사하였다. 모품종의 화분은 3월 23일부터 꽃대가 출현하기 시작하였고 이 때부터 5월 22일까지 형성된 추대의 개수를 합하여 Table 4를 작성하였다. 이 기간 동안 JG21-MS1에서는 추대가 출현하지 않았고, 5월 22일 이후에도 JG21-MS1의 화분에서는 여전히 추대가 발견되지 않았다.

Table 4. The evaluation of bolting recovery rate of JG21-MS1 grown in different long light conditions through artificial illumination.

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See the Table 1 for lighting methods and lengths.

LD, long day; AL, all light; WT, wild type (positive control); SD, standard deviation

추대(bolting 또는 flowering)를 조절하는 생리학 및 유전학적 메커니즘은 매우 복잡하다. 식물은 광주기, 춘화처리, 내재적 신호, 주변 온도, 나이, 지베렐린 등을 개화유전자인 CO, FLC, SOC1, FT 등을 통해 통합적으로 감응하여 적정한 개화시기를 결정한다(Komeda, 2004). 현재까지 모델 식물인 애기장대(Arabidopsis thaliana) 연구를 통해 화성소(florigen)로 추정되는 FT나 춘화처리, 내재적 신호의 조절을 받는 개화억제자 FLC 포함하여 많은 유전자들이 다양한 경로를 통해 개화를 조절하고 있으므로 단일 유전자의 돌연변이로 개화가 차단되는 사례는 보고되지 않았다(Komeda, 2004). 애기장대의 경우 개화가 빨라지거나 지연되는 돌연변이는 쉽게 발견되지만 아예 꽃이 피지 않는 돌연변이는 쉽게 발견되지 않는다. 애기장대에서 개화시기를 결정하는 가장 중요한 유전자는 적정 일장에 의해 잎에서 유도되는 FT로 추정되지만 FT 유전자가 넉아웃 되어도 개화가 늦어질 뿐 차단되지는 않는다(Moon et al., 2005). 하지만 이끼나 고사리처럼 꽃이 피지 않는 식물은 FT 유전자가 없는 것으로 알려져 있다(Plackett et al., 2015). JG21-MS1의 무추대성이 어떠한 유전적 결함에 의해 유발되었는지 규명되지 않았지만 FT 유사 유전자를 비롯한 복합적인 요인에 의한 결과일 것으로 추정된다.

잔디는 골프장, 공원, 스포츠공간 등에 잔디밭을 조성하여 이용하는 지면피복 또는 조경 작물이다. GM 기술로 개발된 JG21-MS1은 잔디밭의 잡초관리에 매우 유용한 제초제내성을 가지고 있으므로 농산업적 가치가 높다. GM 작물인 JG21-MS1은 국제규약(카르타헤나 의정서)을 따른 LMO 법률에 따라 LMO 위해성 평가 심사 후 당국의 재배승인을 받아야만 이동, 품종등록, 판매, 재배 등이 가능하다. LMO 위해성 심사를 받기 위해서는 수십 가지의 평가항목에 대한 시험을 수행해야 하며 특히 화분(pollen)에 의한 유전자 이동성 평가를 위해서는 많은 시간과 시험비용이 요구된다. JG21-MS1은 이러한 유전자이동성 심사에 대한 부담을 줄이기 위해서 육성된 무추대성 방사선돌연변이 계통이다. JG21-MS1의 추대 회복 가능성을 조사한 본 연구에서 JG21-MS1은 일반 자연 환경뿐 만 아니라 춘화처리 후 온실과 같은 인공 환경의 장일 조건에서도 안정적으로 무추대성을 유지하고 있음을 보여 주었다. 따라서 육성된 해(2006년) 부터 2019년 현재까지 10년 이상 동안 추대가 회복되지 않는 JG21-MS1은 농업적 재배 환경 또는 조성된 잔디밭에서 안정적으로 무추대성을 유지할 수 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgements

This research was supported by grants from the Next-Generation BioGreen 21 Program (PJ014312 and PJ013685), Rural Development Administration, Republic of Korea.

Authors Information

Hong-Gyu Kang, Subtropical Horticulture Research Institute, Jeju National University, Doctor of Philosophy

Hyeon-Jin Sun, Subtropical Horticulture Research Institute, Jeju National University, Doctor of Philosophy

Yong-Ik Kwon, National Research Safety Headquarters, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology, Doctor of Philosophy

Dae-Hwa Yang, Subtropical Horticulture Research Institute, Jeju National University, Doctor of Philosophy, Doctor of Philosophy

Gang-Sup Lee, Department of Agricultural Biotechnology, Rural Development Administration, Doctor of Philosophy

KeeWoong Park, Department of Crop Science, Chungnam National University, Professor

Hyo-Yeon Lee, Subtropical Horticulture Research Institute, Jeju National University, Professor

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