제7장 세포질유전과 체세포유전
핵외유전자: 세포질내 존재
세포질웅성불임성(세포질의 미토콘드리아)
제초제저항성(색소체DNA)
세포질유전(cytoplasmic inheritance): 핵외유전(extranuclear inheritance)
비Mendel유전(non-Mendelian inheritance)
제1절 색소체유전
1. 색소체의 종류
plastid(색소체): 엽록체(chloroplast), 백소체(amyloplast), 잡색체(chromoplast)
표. 7-1
2. 색소체 DNA
1962년 Hans와 Plaut가 색소체내 DNA발견
Chun(1963) plastid DNA(ptDNA)를 DNA를 분리
Ohyama와 Shinozaki(1986)가 ptDNA의 nucleotide sequence를 밝힘
색소체 DNA는 (1) 핵 DNA와 같이 반보존적으로 복제하고 이중가닥이지만 환형(circular)이고 supercoil 이 아닌 풀러진 상태로 존재. (2) 핵DNA와 달리 5-methyl cytosine이 없고 히스톤단백질과 집합체를 이루지도 않는다. (3) 핵DNA와 비교시 염기구성이 달라서 DNA부양성밀도(buoyant density)가 다르기 때문에 색소체 DNA는 CsCl(cesium chloride)기울기에 의해 핵 DNA로 부터 분리가 가능하다. (4) 핵DNA과 미토콘드리아 DNA는 식물종에 따른 유전변이가 심하지만 색소체 DNA는 상대적으로 안정적인 DNA보존성을 가지고있다.
색소체 DNA; 120-180kb
담배의 경우: 광합성과 관련 색소체 유전자 20여개에 유전자를 포함해서 150개에 이른다.
rbc L(ribulose bisposphate carbgoxylase 의 large subunit),
psa A-B광합성계(photosystem) I, psb A-H(광합성계II), atp A-I(H -APT
synthase), pet A-D(cytochrome b/f complex)
3. 색소체 DNA와 핵DNA의 상호작용
cyanobacteria의 DNA는 2,000kb/ 색소체는 150kb
색소체는 자신의 기능을 수행하는 데 필요한 단백질의 약 10%에 해당하는 유전자를 가지고 있으며 나머지 90%의 폴리펩티드는 핵 유전자의해 지정
엽록소, 카로티노이드 및 전분의 합성과 관련된 많은 유전자들은 핵내에 존재.
잎전체 단백질의 50%를 차지하고 있는 Rubisco(ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase)는 두 유전체계의 협력으로 만들어짐.
두subunit의 결합은 결합단백질(binding protein: BP)에 의해 이루워짐.(그림 7-2).
색소체 전환시점에 관여하는 유전자들 (lighting harvesting chlorophyll a/b protein: cab, rbc S)은 모두 핵내에 존재하지만 광합성과 직접 관련이 있는 핵외유전자(rbc L, psa A, psb A)들에게되 영향을 미친다.
4. 색소체 유전자의 유전
분꽃의 잎색갈-->자방친의 선택에 따라 자식의 형질이 달라진다(표 7-2).
잡색의 자방친을 지닌 후대는 색소체들이 란세포의 분리에 좌우되는 것으로 설명
(표 7-2)
5. 제초제저항성 유전자이용
아트라진(atrazine):광합성계 II 제초제로 알려져 있으며, PSII위치에서 엽록체DNA의 psb A유전자에 의해 지정되는 제초제결합단백질(herbicide-binding protein; Qb)과 결합하여 광합성과 관련된 전자전달계를 방해 함으로써 광합성을 억제시키다. 저항성유전자는 색소체유전자 psb A의 돌연변이형이다.
아트라진 저항성 유전자를 지닌 Brassica 야생종과 재배종과의 체세포융합을 통해서 아트라진 저항성 품종이 개발되었으며 아트라진 저항성 식물체들은 모계유전된다.
제2절 미토콘드리아 유전
1. 미토콘드리아 DNA
미토콘드리아는 모든 진핵생물의 에너지 생산에 중요한 역활을 한다.
색소체와 같이 자체 DNA(mitochondria DNA; mtDNA)의 복제와 전사에 필요한 효소및 단백질 합성을 위한 리보솜과 tRNA를 가지고 있다.
미토콘드리아는 전자전달과 ATP생산에 필요한 단지 적은 수의 폴리펩티드만을 합성한다.
미토콘드리아 DNA는 일반적으로 환형이고 두가닥으로 되어 있다. 색소체DNA와는 달리 작은 선형의 DNA분자도 존재
미토콘드리아 DNA의 크기는 식물종에 따라 다양하며 218kbp(Brassica ssp.)에서 2,400kbp
2. 세포질 웅성불임성
세포질웅성불임성(cytoplasmic male sterility; CMS)
연속적인 역교배(backcross)는 한종의 핵 DNA를 다른 핵DNA로 대체시키는 결과(그림 7-4).
3. 세포질웅성불임성과 미토콘드리아 DNA
CMS는 모계유전되며 140종이상의 식물체에서 발견.
그림 7-5 정사과 웅성불임세포질을 지닌 옥수수 줄기로 부터 추출된 단백질 양상
CMS-T에서 임성회복유전자는 RNA수준에서 미토콘드리아 유전자의 발현에 영향을 미친다.
제3절 체세포배양과 체세포돌연변이
1. 체세포돌연변이
식물조직배양-->체세포배 발생이나 부정아(adventitious bud)형성
체세포돌연변이-->캘러스단계에서 유기(재분화된 개체의 약 10%는 이수성)
항생제내성 형질,
2. 체세포 돌연변이에 영향을 끼치는 요인
1) 식물종과 유전자형
2) 배수성 (보리와 감자의 경우 배수체에서는 2배체보다 많은 변이체)
3) 배양세포의 기원과 배양기간 (원형질체 변이체가 많았다)
4) 배양조건 및 배지조성(식물생장조절물질 종류)
3. 유전변이 선발방법
캘러스를 통한 micropropagation , germplasm storage, 재분화등의 다양한 기내배양과정변이체를 조사함.
재분화된 식물체의 미토콘드리아 DNA에 있어서 RFLP(restriction fragment length poly- morphism)의 차이가 관찰되었다(그림 7-7).
4. 체세포 돌연변이의 이용 및 문제점
체세포 돌연변이의 농업적 이용/ 유전적 안정성 검정이 필수적이다.
제4절 체세포융합
1. 체세포융합과 세포질 교환
somatic cell fusion(체세포융합)또는 원형질체융합(protoplast fusion)은 유성생식이 불가능한 종, 속, 과 식물간에 유전정보 이용을 위한 무성생식 체계.
heterocaryon:이질다핵체-->핵잡종형성빈도는 80-100%.-->분리후 세포질잡종(cybrid), 잡종(hybrid), 부분잡종(partial hybid)(그림 7-8 참조)
세포질잡종은 엽록체와 미토콘드리아의 새로운 조합, 즉 한 양친의 세포질이 다른 양친의 세포질에 의하여 대체된 잡종이다.
재분화된 식물체는 잡종핵 DNA, 잡종미토콘드리아DNA를 가지지만 색소체 DNA는 일반적으로 양친중 어느 한쪽을 가진다(그림 7-8).
2. 세포융합과 색소체 DNA의 재조합
그림 7-9 Nicotiana 종간 원형질체 융합시 재조합된 색소체 게놈의 선발체계(양친계통에 존재한 다른 색소체 표지 유전자)
3. 세포융합과 미토콘드리아 DNA의 재조합
CMS를 표식유전자로 이용함.
4. 체세포융합의 농업적 이용과 문제점
교잡이 불가능한 종간잡종/ 수년간의 역교배를 단축하여 웅성불임세포질