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Status of research on the sweetpotato biotechnology and prospects of the molecular breeding on marginal lands
J Plant Biotechnol 2018;45:196-206
Published online September 30, 2018
© 2018 The Korean Society for Plant Biotechnology.

Ho Soo Kim, Ung-Han Yoon, Chan-Ju Lee, So-Eun Kim, Chang Yoon Ji, and Sang-Soo Kwak

Plant Systems Engineering Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB), Daejeon 34141, Korea,
Genomics Division, National Academy of Agricultural Science, Jeonju 54875, Korea,
Research & Development Center, Korea Scientific Technique Industry Co., Ltd., 67, Saneop-ro 92, Gwonseon-gu, Suwon-si 16643, Korea
Correspondence to: e-mail: sskwak@kribb.re.kr
Received September 17, 2018; Revised September 20, 2018; Accepted September 20, 2018.
cc This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract

Dramatic increase in global population accompanied by rapid industrialization in developing countries has led to serious environmental, food, energy, and health problems. The Food and Agriculture Organization of the United Nations has estimated world population will increase to 9.7 billion by 2050 and require approximately 1.7 times more food, and more than 3.5 times energy than that of today. Particularly, sweetpotato is easy to cultivate in unfavorable conditions such as heat, drought, high salt, and marginal lands. In this respect, sweetpotato is an industrially valuable starch crop. To replace crops associated with these food and energy problems, it is necessary to develop new crops with improved nutrients and productivity, that can be grown on marginal lands, including desertification areas using plant biotechnology. For this purpose, exploring useful genes and developing genetically modified crops are essential strategies. Currently, sweetpotato [Ipomoea batatas (L.) Lam.] have been re-evaluated as the best health food and industrial crop that produces starch and low molecular weight antioxidants, such as vitamin A, vitamin E, anthocyanins and carotenoids. This review will focus on the current status of research on sweetpotato biotechnology on omics including genome sequencing, transcriptome, proteomics and molecular breeding. In addition, prospects on molecular breeding of sweetpotato on marginal lands for sustainable development were described.

Keywords : Sweetpotato, Omics, Molecular breeding, Marginal land, Food security, Biomaterials
서론

급속한 세계인구의 증가와 산업화로 인한 바이오 연료의 과도한 사용은 심각한 식량, 에너지, 환경 문제를 초래하고 있다. 지난 100년 동안 세계경제는 유례없는 성장과 발전을 이루었으나 급속한 산업화와 경제발전으로 인한 무분별한 개발은 결과적으로 지구 온난화, 사막화, 생물 다양성 문제와 같은 환경 문제를 더욱 심각하게 만들고 있다. 특히 세계 식량 생산량은 증가하였지만 세계 인구의 급격한 증가와 농업 인구의 감소, 바이오 에탄올과 같은 대체 연료의 개발, 사료용 곡물의 사용 증가로 인하여 식량부족 문제는 심각해지고 있다.

2015년 FAO의 보고에 의하면 현재 세계 인구의 약8억1천5백만 명이 영양부족 상태로 지내고 있으며, 향후 세계인구는 2050년 97억 명, 2100년 110억 명에 도달할 것으로 전망하면서 현재보다 약 1.7배의 식량과 3.5배 이상의 에너지가 필요할 것으로 예상하고 있다(FAO 2015). 이런 심각한 상황임에도 불구하고 인구가 많은 개발도상국의 발전에 따른 동물성 단백질의 소비량이 증가하고 있으며 동물을 사육하기 위한 사료로서의 곡물 사용이 증가하고 있다(Cargill 2014). 이러한 글로벌 식량, 에너지 부족문제를 해결하기 위해서는 조건 불리지역에 적합한 재해내성 식량작물의 개발이 시급한 현실이다.

고구마 [Ipomoea batatas (L.) Lam]는 메꽃과에 속하는 식물로 전분, 비타민, 식이섬유 등이 풍부한 세계 7대 작물이다. 다른 주곡 작물에 비해 고온, 건조, 고염 등 척박한 지역에서도 잘 자라는 재배 특성을 가지고 있다. 2008년 미국 농무부(USDA)는 대표적인 바이오 에탄올 생산 작물인 옥수수, 카사바, 고구마, 감자 등을 척박한 땅에서 재배한 결과 고구마가 단위면적당 가장 많은 탄수화물을 생산하며 특히 조건 불리지역에 가장 적합한 바이오 에탄올 작물로 평가하였다(Ziska et al. 2009). 따라서 사막화 지역, 간척 지역, 공해 지역 등 조건 불리지역에 재배 적합한 환경재해내성 고구마 개발은 사료나 식량자원의 확보뿐만 아니라 탄소 배출권 확보를 통한 친환경 에너지 생산에도 크게 기여할 수 있을 것으로 생각된다. 본 논문에서는 오믹스 기반 고구마 생명공학 연구에 대한 최근 동향 및 조건 불리지역에 적합한 고구마 개발에 대한 향후 전망에 대하여 소개하고자 한다.

고구마 오믹스 기반 연구 현황

고구마는 단위 면적 당 최고의 전분 생산량을 나타내어 식량 작물로서 뿐만 아니라 최근소득 수준의 증가와 생활 여건의 향상에 따른 국민 건강에 대한 관심의 확대에 따라 기능성 식품으로서의 고구마가 주목을 받고 있다. 고구마에 많이 함유된 비타민 A, 비타민 C와 베타카로틴, 안토시아닌 등의 기능성 성분은 고령화 사회의 질병 예방에 도움이 될 수 있다. 최근 세계 각국은 고구마의 생산성 향상과 기능성 관련 유전자 탐색 및 활용을 위한 오믹스 기반 고구마 육종 연구에 박차를 가하고 있다.

고구마 유전체 분석 연구 동향

식용으로 사용하는 고구마의 염색체는 6배체(2n=6x=90)로 구성되어 있으며, 유전체 크기는 3 Gb 전후의 크기를 나타낸다. 특히 고구마의 배수체 구조는 매우 복잡하여 유전체 연구를 수행하는데 많은 어려움이 있다. 2018년 8월까지 미국 NCBI의 GenBank에 등록된 고구마 nucleotide 정보는 447,732개, EST 정보는 131,669개 그리고 유전자 정보는 48,796개 등록되어 있다(Table 1).

The list of plant genomics DB and URL

 DB URL
Arabidopsis DB https://www.arabidopsis.org/
Casava DB http://cassava.psc.riken.jp/
DDBJ http://www.ddbj.nig.ac.jp/
Morning glory https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/46552
NABIC http://nabic.rda.go.kr/
NCBI sweetpotato https://www.ncbi.nlm.nih.gov/search/?term=Ipomoea
Potato DB http://solanaceae.plantbiology.msu.edu/
RAP DB http://rapdb.dna.affrc.go.jp/
Sweetpotato 2x DB http://sweetpotato-garden.kazusa.or.jp/
Sweetpotato 6x DB http://public-genomes-ngs.molgen.mpg.de/SweetPotato/
Sweetpotato DB http://sweetpotato.plantbiology.msu.edu/
Wheat DB https://wheat.pw.usda.gov/GG3/db-info

최근 10년간 PacBio, Illumina 등의 차세대 염기서열분석기의 발달과 더불어 고구마 유전체 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내에서의 고구마 유전체 해독 연구는 2014년 4월부터 포스트게놈 다부처유전체 사업의 지원으로 농촌진흥청(국립농업과학원, 국립식량과학원 바이오에너지작물연구소)과 한국생명공학연구원이 참여하여 Xushu 18 품종 및 국내 고구마 품종 유전체 해독 연구를 수행하고 있다(Yoon et al. 2015). 아울러 2014년에 고구마 유전체 해독 연구의 효율화 및 가속화를 위하여 한·중·일 고구마연구협의회(Trilateral Research Association of Sweetpotato, TRAS)를 구성하고 세계에서 가장 많은 면적에서 재배되고 있는 중국의 Xushu 18(6배체) 고구마 유전체 해독을 우선적으로 추진하기로 하였다. 본 연구를 위하여 3개국이 분담하여 데이터를 생산하고 정보 해석을 수행하고 있다. 일본(Kazusa DNA연구소, NARO 큐슈오끼나와농업연구센터)에서는 고구마 고밀도 유전자 지도를 작성하였으며 중국(중국농업대학, 중국농업과학원 고구마연구소)에서는 유전체 해독 위한 식물재료(Xushu 18 계통, high density mapping용 S1 population)를 제공하였다. 한국(농촌진흥청, 한국생명공학연구원)은 신규 유전체(NGS) 데이터 분석 및 전사체 해석과 함께 유전체 주석 달기(genome annotation)를 진행 중이다.

현재까지 고구마 유전체 관련 주요 연구 결과로는 일본 Kazusa DNA 연구소의 Hirakawa 등 (2015)이 6배체 고구마인 I. batatas (L.) Lam의 조상으로 알려진 야생종 2배체 고구마(I. trifida) 유전체 해독 연구를 수행하였다. Illumina HiSeq 염기서열분석기를 이용하여 순계의 Mx23Hm(513 Mb)종과 잡종의 0431-1(712 Mb)종 등 2종의 2배체 고구마 유전체분석을 수행하였다. 2배체 고구마 유전체내에 존재하는 유전자 분석을 행한 결과 Mx23Hm 종에서는 62,407개 0431-1 종에서는 109,449개의 유전자를 포함하고 있었다. 고구마와 같은 메꽃과 식물인 나팔꽃의 유전체 해독이 2016년 완료되었다(Hoshino et al. 2016). 나팔꽃 염색체는 야생종 고구마 염색체 수와 같은 15개의 염색체로 구성되어 있었으며 전체 길이는 736 Mb를 나타내었다. 나팔꽃 유전체는 42,783개의 유전자로 구성되어 있었으며 두 종간의 유전체 비교분석 연구를 통하여 고구마와 나팔꽃의 진화 과정 분석 연구 및 종 특이적인 유용 형질 유전자 분석 연구가 활발히 이루어질 것으로 생각된다.

최근까지 6배체 고구마의 유전체 해독 연구는 작물의 중요성에 비하여 연구가 많이 이루어지지 않고 있다. 그러나 6배체 고구마 Xushu 18의 유전체 해독 연구는 한중일 공동연구를 통하여 많은 진전을 이루고 있다. 고구마 유전체 해독을 위하여 우선 고구마 고밀도 유전자 지도 작성을 수행하였다. Shirasawa 등은 Xushu 18을 자가 수정한 S1 mapping population 142개를 가지고 RADseq 분석을 통하여 고밀도 SNP 유전자 지도 작성 연구를 수행하였다(Shirasawa et al. 2017). 그 결과 S1 집단에서 28,087개의 SNP를 얻었으며 이들 정보를 이용하여 96 개의 linkage group(LG)을 작성하였으며 Linkage map은 33,020.4 cM을 나타내었다. 본 연구에서 사용된 RADseq linkage map 작성 기술은 다른 배수체 식물 종의 고밀도 지도 작성에 중요하게 사용될 것으로 생각된다. 6배체 고구마 Xushu 18 유전체 해독 연구를 위하여 최근 많은 기술적인 진전이 이루어진 PacBio 염기서열분석 기술 및 DenovoMAGIC (NRGene) 을 이용하여 유전체 분석을 수행하였다. 이후 Bionano 및 Hi-C 분석 기술을 이용하여 고구마 거대 유전체 조립을 실시한 결과 Xushu 18 유전체에는 약 7만개의 유전자를 포함하고 있음을 확인 하였다(personal communication). 그러나 최근까지 고구마의 다배수체를 정확히 조립하는 기술은 확립되지 않은 상태로 고밀도 유전자지도를 이용한 다배수체 유전체 조립을 시도하고 있다. 또한 중국의 Yang 등은 Taizhong 6 품종을 이용하여 Hiseq 및 Roche 454 염기서열 분석기를 이용하여 고구마 염기서열을 분석 한 후 반수체상태의 염기서열조립을 시도하였다(Yang et al. 2017). 그 결과 15개 염색체 상태의 Taizhong 6 유전체를 조립하였으며 그 염색체는 35,919개의 scaffold로 구성되어 있었으며 전체 염색체 길이는 836.316 Mb를 나타내었다(Table 2).

Genome assembly statistics of Taizhong 6 (NCBI database, Yang et al. 2017)

  CategoryStatus
Total sequence length (bp)837,013,208
Total assembly gap length (bp)100,947,607
Number of scaffolds28,461
Scaffold N50 length (bp)41,463,214
Scaffold L50 length (bp)10
Number of contigs180,720
Contig N50 length (bp)6,504
Contig L50 length (bp)34,201
Total number of chromosomes15
Number of component sequences (WGS)28,461

또한 고구마에 함유된 풍부한 에너지원과 비타민 등의 영양소를 이용하여 아프리카 사하라 남쪽 지역의 기근과 영양문제를 해결하기 위해 2014년 빌게이츠 재단(Bill & Melinda Gates Foundation)은 유전체정보를 기반으로 하는 고구마 육종프로젝트를 시작하였다. 미국 노스캐롤라이나 주립대학을 주축으로 국제감자연구소, 우간다 국립작물자원연구소 등이 참여하는 컨소시엄을 구성하여 고구마 육종을 위한 2배체 고구마 I. trifida (NSP306)와 I. triloba (NSP323)의 유전체 해독을 실시하였다. 그 결과 I. trifida (NSP306)의 유전체 길이는 462 Mb로 32,301개의 유전자를 포함하였으며 I. triloba (NSP323)의 유전체 길이는 458 Mb로 31,426개의 유전자를 포함하였다. 이들 유전체 분석 결과는 web DB로 공개를 하고 있다(Table 1).

한편 고구마 유전체 해독 과정 중에 분석된 고구마 엽록체 유전체 분석 및 미토콘드리아 유전체 분석을 통하여 식물 진화학적 해석 연구가 이루어지고 있다. 고구마 유전체 연구 동향 분석은 향후 고구마의 분자 육종 연구를 수행하는 연구자들에게 생산성 및 기능성 향상을 위한 양질의 유전체 정보를 제공할 수 있을 것이다. 무엇보다 6배체 고구마 유전체 해독 연구 과정에서 얻어지는 결과들은 많은 식물체가 가지고 있는 다배수체 유전체 해독 문제 해결에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

고구마 전사체 분석 연구 동향

고구마의 배수체 구조의 복잡성과 유전체 정보의 부족으로 인한 고구마 육종 연구에 많은 제약이 있다. 따라서 고구마의 전사체 분석을 통한 연구는 고구마의 성장과 발달과정에 중요한 유전자 및 전사 인자의 발굴과 기능 분석에 좋은 대안이 될 수 있다. 고구마 전사체 분석 연구는 최근 NGS를 이용한 전사체 분석연구가 진행되고 있다. 현재 고구마 전사체 분석을 통한 기능 연구는 크게 생물학적/비생물학적 스트레스, 저장뿌리 생성, 꽃 발달과정, 안토시아닌 생합성, 카로티노이드 생합성, 전분 생합성 등에 관한 연구가 보고되고 있다(Table 3).

Transcriptome profiling in sweetpotato

 Biological functions Summary Reference
Abiotic stressTranscriptome profile of sweetpotato tuberous roots under low temperature stressJi et al. (2017)
Identification of salt tolerance-related genesZhang et al. (2017a)
Identification of chilling injury-related genesXie et al. (2018)
Biotic stressIdentification of RNA virus sequencesGu et al. (2014)
Identification of defense-related genes against FusariumLin et al. (2017)
Flower developmentFlower transcriptome of sweetpotatoTao et al. (2013)
Nutritional valueIdentification of anthocyanin biosynthesis genesMa et al. (2016)
Comparative transcriptome analysis of purple-fleshed sweetpotatoZhao et al. (2018)
Comparative transcriptome analysis of orange-fleshed sweetpotatoLi et al. (2015)
Identification of carotenoid synthesis-related genesQin et al. (2017)
Starch metabolism in storage rootZhang et al. (2017b)
Identification of starch biosynthesis genesYang et al. (2018)
Storage root formationRoot transcriptome of sweetpotatoWang et al. (2010)
Transcriptome profiling in different tissues and at different developmental stages of sweetpotatoTao et al. (2012)
Tuberous root transcriptome of purple-fleshed sweetpotatoXie et al. (2012)
Carbon flow investigation in storage root development pathwayFiron et al. (2013)
Transcriptome analysis of the roots from tuber and non-tuber forming cultivarsPonniah et al. (2017)

아직까지 고구마의 저장뿌리의 생성에 관한 분자메커니즘이 정확하게 보고가 되고 있지 않아 전사체 분석을 통한 저장뿌리 생성의 중요 조절 유전자를 규명하고자 전사체 연구가 활발히 진행되고 있다. 반면 환경스트레스에 관한 전사체 연구는 많이 부족한 실정이다. 고구마 저장뿌리 형성과정에서 시기별 특이적 유전자 발현을 분석해본 결과 DA1- related, SHORT-ROOT, BEL1-like, sucrose phosphate synthase, ADP-glucose pyrophosphorylase, starch synthase 등이 저장뿌리에서 발현이 높음을 알 수 있었다(Tao et al. 2012; Firon et al. 2013). 최근 고구마 저장뿌리가 생성되는 것과 생성되지 않는 품종을 이용한 비교전사체 연구가 보고 되었다. 고구마 저장뿌리가 생성되지 않는 품종과 비교하여 세포벽 pectin polysaccharide의 구성단백질인 rhamnogalacturonate lyase, K+ efflux antipoter인 KEA5, 세포소기관의 분화과정에 관여하는 ERECTA protein kinase 유전자가 저장뿌리가 생성되는 품종에서만 발현되는 것이 확인되었다(Ponniah et al. 2017). 향후 전사체 분석으로 발굴된 유전자의 기능분석을 통해 고구마 저장뿌리 생성의 분자메커니즘 규명과 유용 유전자를 활용한 고구마 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 환경스트레스에 반응하는 고구마 전사체 분석은 저온과 염 스트레스에 관한 연구가 보고되었다. 고구마 저장뿌리를 이용한 전사체 분석을 통해 저온 저장 시 biosynthesis of unsaturated fatty acids, pathogen defense, phenylalanine metabolism, lignin biosynthesis에 관련된 유전자들이 발현이 증가하는 반면, glycerophospholipid metabolism, antioxidant enzyme, carbohydrate metabolism, energy metabolism에 관여하는 유전자는 발현이 감소하는 것을 알 수 있었다(Ji et al. 2017). 저온저장 전사체 분석을 통해 확보된 핵심유전자를 활용하면 저온에 취약한 고구마 특성을 극복하여 저온내성 품종 개발을 할 수 있을 것이다. 또한 염 스트레스 감수성 품종과 저항성 품종을 이용한 비교 전사체 분석을 통해 고구마가 내염성 표현형을 보이는 것은 Jasmonic acid (JA) 신호전달과정과 관련이 있으며 감소된 DNA methylation 과정이 내염성에 관여한다고 보고되었다(Zhang el al. 2017a). 최근 저자들의 연구팀에서는 저온저장성이 우수 품종과 취약 품종을 이용하여 6주간 4°C 에서 저장한 샘플을 RNA-seq 분석 후 de novo transcriptome assembly를 수행하여 27,636개의 unigene을 분리 하였다(Ji 2018). 현재 품종별 저온 저장에 따른 발현이 차이가 나는 유전자를 분석한 결과 저온 저장성 우수 품종에서 스트레스 관련 유전자들의 발현이 매우 높음을 알 수 있었다. 다양한 환경스트레스에 대한 고구마 전사체 분석 연구는 고구마의 성장과 환경스트레스 내성을 조절하는 가소성 인자의 발굴에 기여할 수 있을 것이다. 이를 통해 조건 불리지역에서도 잘 자라는 고구마 품종 개발로 식량부족 문제를 해결하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

고구마 단백질체 분석 연구 동향

단백질체 분석은 특정 단백질의 발현 양상의 변화, post-translational modification, 다른 단백질간의 상호작용과 단백질 전체 수준에서의 구성 및 기능 등을 연구하여 단백질 수준에서 총괄적으로 이해할 수 있는 연구 분야이다(Blackstock and Weir 1999). 전사체 연구와 비교해서 고구마에서 단백질체 연구는 국내외적으로 많이 이루어지지 않고 있는 실정이다. Lee et al.(2012)은 오렌지색 고구마와 자색 고구마의 저장뿌리를 이용하여 단백질체 분석을 수행한 결과 발현이 차이 나는 35개의 단백질을 분리할 수 있었고 그 중 18개의 단백질은 오렌지색 고구마에서만 발현되는 것을 확인하였다. 저장뿌리 발달과정에 따른 시기별 단백질체 분석결과에서는 30개의 단백질 발현의 차이를 볼 수 있었으며 disulfide isomerase, anionic peroxidase, putative ripening protein, sporamin B, sporamin A를 포함하는 13개의 단백질이 저장뿌리에서만 발현되는 것을 알 수 있었다(Lee et al. 2015). 중국의 Wang et al. (2016c)은 자색고구마의 저장뿌리에서 39개의 단백질이 발현이 증가 되어있는 반면 11개의 단백질은 감소되어 있는 것을 보고하였다. 그리고 이들 단백질체 정보를 이용하여 anthocyanin 축적에는 전분의 분해가 관여하는 것을 해석하였다. Ha et al. (2017)은 고구마뿌리혹선충에 저항성 품종과 감수성 품종을 이용한 비교 단백질체 분석을 통해 저항성 품종에서 발현이 높은 64개의 단백질을 분리하였으며, 이 중 20개의 단백질이 병 반응, 셀 구조, 에너지 대사에 관련된 단백질임을 확인하였다. 최근 저자들의 연구팀은 저온 저장성 우수 품종과 취약 품종을 활용한 비교 단백질체 분석을 통해 저온 저장성에 관여하는 단백질 분석을 진행 중에 있다. 저온 스트레스뿐만 아니라 저온 저장성에 관여하는 단백질 분석을 통해 저온에 취약한 고구마의 품질을 향상시키는데 도움이 될 수 있을 것이다.

고구마 분자육종 연구 현황

지금까지 고구마는 교배를 통한 전통적인 육종 방법을 활용하여 우수한 품질을 가진 고구마 품종을 개발해 왔으나, 고구마는 6배체로서 배수체 구성이 복잡하고 자가 불화합성으로 인한 종자 생성의 어려움으로 인해 우수 품종을 가진 고구마 개발에 제약이 있다. 하지만, 생명공학 기술을 활용한 분자 육종은 전통 육종을 통한 품종 개량의 어려움을 극복 할 수 있다. 현재 다양한 유전자의 과발현 및 발현 억제를 통해 환경스트레스에 저항성을 향상시킬 뿐만 아니라 품질 및 수확량도 개선된 고구마가 개발되고 있다(Table 4). 염, 건조, 저온, 고온 등을 포함하는 비생물학적 스트레스 저항성에 관련된 다양한 유전자의 기능이 밝혀졌으며 바이러스 및 선충에 대한 내성이 증가된 형질전환 고구마도 보고되었다. 또한 대사조절 인자들의 과발현 및 발현 억제를 통해 전분, 카로티노이드, 안토시아닌 함량이 증가된 고구마도 개발 되었다.

Summary of transgenic sweetpotato plant

 Biological functions Gene  Phenotype  Reference
Abiotic stressFSPD1Enhanced tolerance to chilling and heat stressesKasukabe et al. (2006)
SOD/APXEnhanced tolerance to oxidative, cold and salt stressesLim et al. (2007)Yan et al. (2016)
AtNDPK2Enhanced tolerance to drought and salt stressesKim et al. (2009)
LOS5Enhanced tolerance to salt stressGao et al. (2011)
GmSCOF1Enhanced tolerance to cold stressKim et al. (2011)
IbLEA14Enhanced tolerance to drought and salt stressesPark et al. (2011)
BoBADHEnhanced tolerance to salt, oxidative and cold stressesFan et al. (2012)
IbP5CREnhanced tolerance to salt stressLiu et al. (2014a)
IbNFU1Enhanced tolerance to salt stressLiu et al. (2014b)
IbMasEnhanced tolerance to salt stressLiu et al. (2014c)
IbSIMT1Enhanced tolerance to salt stressLiu et al. (2015)
IbNHX2Enhanced tolerance to salt and drought stressesWang et al. (2016a)
IbZFP1Enhanced tolerance to salt and drought stressesWang et al. (2016b)
IbCBF3Enhanced tolerance to cold and drought stressesJin et al. (2017)
AtP3BEnhanced tolerance to heat and cold stressesJi et al. (2017)
XvAld1Enhanced tolerance to drought stressMbinda et al. (2018)
Biotic stresscry7Aa1Enhanced tolerance to sweetpotato weevilMorán et al. (1988)Sefasi et al. (2014)
cry3Ca1
cry3a
BarResistance to herbicideYi et al. (2007)
SPCSVEnhanced tolerance to virus (RNAi of virus replicase and coat protein)Kreuze et al. (2008)Sivparsad and Gubba (2014)
SPFMV
SPVG
SPMMV
IbMIPS1Resistance to stem nematodeZhai et al. (2016)
IbSWEET10Resistance to Fusarium oxysporumLi et al. (2017)
DevelopmentSRD1Enhanced proliferation of metaxylem and cambiumNoh et al. (2010)
IbEXP1Enhanced storage root developmentNoh et al. (2013)
Nutritional valueIbMADS10Increased anthocyanin contents in sweetpotato calliLalusin et al. (2006)
IbSBEIIIncreased amylose content in sweetpotato starch (RNAi)Shimada et al. (2006)
IbGBSSIProduced amylose-free starchOtani et al. (2007)
IbMYB1Increased anthocyanin contents in sweetpotato calli and storage rootsMano et al. (2007)Park et al. (2015)
IbSRFIncreased starch contents and decreased glucose and fructoseTanaka et al. (2009)
IbCHY-BCarotenoid accumulation in sweetpotato calli and storage roots (RNAi)Kim et al. (2012)Kang et al. (2017a)
IbDRFIncreased proanthocyanin and decreased anthocyanin contents (RNAi)Wang et al. (2013)
IbLCY-BCarotenoid accumulation (RNAi)Kim et al. (2013b)
IbOrCarotenoid accumulation and enhanced tolerance to salt and heat stressesKim et al. (2013a)Park et al. (2016)Kang et al. (2017b)
IbLCY-BCarotenoid accumulation (RNAi)Kim et al. (2014)
AmA1Increased protein and amino acid contentsShekhar et al. (2016)
IbZDSCarotenoid accumulation and enhanced tolerance to salt stressLi et al. (2017)
IbSnRK1Increased starch contentsRen et al. (2018)
IbLCYB2Carotenoid accumulation and enhanced tolerance to abiotic stressKang et al. (2018)
PromoterSporaminHigh expression in storage rootsHattori et al. (1991)
SWPA2Stress inducible (wounding, chilling, Sulphur dioxide, ozone, UV)Kim et al. (2003)
SRD1Root specific expression in response to IAANoh et al. (2012)

고구마에 고 함유 되어있는 카로티노이드는 광합성 보조색소로서 모든 식물에 존재하며 특히 산화 스트레스로부터 엽록체를 보호하는 역할을 한다. 또한 사람과 가축에게 비타민A의 전구물질로 작용하여 암이나 심혈관계 질환, 눈 질병에서부터 보호해주는 중요한 역할을 한다. 식물에서 카로티노이드 축적에 관여하는 Orange (Or) 유전자는 모든 식물체에 존재하며 최근 조류에서도 존재한다고 보고되고 있다(Morikawa et al. 2017). Or 유전자는 노란색의 꽃양배추에서 처음으로 발견되었으며 카로티노이드 특히 β-카로틴의 축적을 유도하며 카로티노이드 저장기관인 chromoplast 의 분화를 촉진한다고 알려져 있다(Lu et al. 2006). 지금까지 양배추, 애기장대, 멜론, 수수, 고구마 등 몇몇 식물체에서 Or 유전자의 기능이 보고되고 있다(Kim et al. 2018). 특히 본 저자들의 연구팀에서 보고한 고구마 IbOr 유전자는 노란색의 신황미 품종에서 처음으로 분리되었으며 하얀색의 고구마 배양세포에 과 발현 시켰을 때 배양세포가 노란색을 띄며 β-카로틴을 포함하는 카로티노이드 함량이 증가되는 것이 확인되었다(Kim et al. 2013a). IbOr 단백질은 DnaJ 도메인을 가지고 있으면서 높은 수준의 샤페론 활성을 가지고 있다. IbOr 단백질이 가진 샤페론 활성은 고온 및 산화스트레스에 식물체가 노출되었을 때 카로티노이드 합성과정에서 중요한 phytoene synthase(PSY) 단백질을 보호함으로서 정상적인 카로티노이드 생합성 과정이 일어나게 한다고 알려져 있다(Park et al. 2016). 또한 IbOr 단백질이 광합성과정에 관여하는 주요 단백질의 하나인 PsbP 단백질과 결합하는 것이 확인되었고 IbOr 과발현 형질전환 고구마 식물체가 고온(47°C)에서도 정상적인 광합성과정을 통해 고온에 내성을 가지는 것이 보고되었다(Kang et al. 2017b). 최근 본 연구팀에서는 하나의 아미노산을 치환한 IbOr R96H 유전자를 고구마 배양 세포에 형질전환 하였을 때 카로티노이드 함량이 매우 높은 수준으로 증가되어 있는 것을 확인하였다(unpublished data). 현재 IbOr R96H 과발현 형질전환 고구마 식물체를 제작하였고 후속연구를 진행 중에 있다. 사람의 영양뿐만 아니라 다양한 질병에 도움이 되는 카로티노이드 고 함유 유용작물 개발연구가 생명공학기술을 활용하여 진행되어 왔다. 특히 β-카로틴 고 함유 작물은 주로 카로티노이드 생합성 과정에 관여하는 효소의 과발현을 통해 진행되어 “Golden Rice” (Ye et al. 2000; Paine et al. 2005), “Golden potato” (Diretto et al. 2007a,b) 등이 개발되었다. 하지만 생합성 유전자의 과발현을 통한 카로티노이드 과다 생합성은 ABA의 과다생성이나 GA의 생합성을 방해하여 발아가 지연되거나 성장이 잘 되지 않는 부작용도 가지고 있다(Shewmaker et al. 1999; Lindgren et al. 2003). 따라서 고 생산된 카로티노이드의 축적을 위한 새로운 전략이 필요하다. 이러한 관점에서 Or 유전자를 이용한 저장기관에서 카로티노이드 축적을 강화하는 방법은 카로티노이드 고 함유 작물개발의 새로운 대안이 될 수 있을 것으로 생각된다.

한편 최근 CRISPR/Cas9 시스템을 이용하는 유전자 교정기술이 유용한 형질을 가진작물을 개발하기 위해 주목 받고 있다. 2013년 식물에서는 처음으로 phytoene desaturase (PDS) 유전자를 목표로 하는 유전자 교정 식물체가 보고되었다(Li et al. 2013; Nekrasov et al. 2013; Shan et al. 2013). 이후 다양한 작물에서 CRISPR/Cas9 시스템을 활용하여 생물학적/비생물학적 스트레스에 저항성을 가진 작물이 개발되고 있다(Jung et al. 2017). 하지만 아직까지 CRISPR/Cas9 시스템을 활용한 유용형질 고구마개발에 관한 연구는 보고가 되지 않았다. 이는 6배체로서 배수체 구성이 매우 복잡하고 유전체 해독이 아직까지 끝나지 않았기 때문일 것으로 생각된다. 따라서 앞으로 고구마와 같은 다배수체 작물에서도 적용 가능한 CRISPR/Cas9 기술이 개발 된다면 amylose-free 전분을 위한 GBSS 유전자, 카로티노이드 축적을 위한 Or 유전자 등은 유용형질 고구마 개발을 위한 좋은 목표 유전자가 될 것이다.

조건 불리지역 고구마 분자육종 전망

세계 인구의 폭발적인 증가와 생활수준의 향상으로 인한 식량 수요의 급증으로 생산효율이 높고 다양한 환경스트레스에 내성이 강한 품종을 개발하여 단위경작지 당 작물생산성을 증가 시키는 것은 현대 농업이 당면한 과제이다. 기후변화로 건조지역이 확산되고 화학비료와 농약의 사용으로 생산성이 감소하는 점 등을 고려한다면, 사막화지역, 간척지역, 공해지역 등 국내 외 조건 불리지역에 잘 자라면서 고부가가치를 창출하는 산업용 고구마를 개발 할 필요가 있다. 이를 위해서는 복합 환경스트레스에 내성을 갖는 고구마의 개발은 필수적인 전략이다. 다양한 오믹스 기반 연구결과로부터 분리된 유용 유전자의 도입으로 환경스트레스에 저항성을 가지는 고구마의 개발은 조건 불리지역에 잘 자라면서 생산성을 증가 시킬 수 있을 것이다(Fig. 1). 더불어 고구마에 유용 대사 조절 인자의 도입은 고부가가치 산업용 고구마 개발이 기대된다.

Fig. 1.

The importance of plant biotechnology to develop transgenic crops, with enhanced tolerance to multiple environmental stresses and improved quality, by introduction of stress-resistant and metabolic genes. They will play a significant role for sustainable agriculture on marginal lands, including desertification and soil contaminated areas (Kwak 2011)


적요

고구마는 식량뿐만 아니라 전분을 비롯하여 카로티노이드, 비타민C, 비타민E, 안토시아닌과 같은 저분자 항산화물질을 생산하는 중요한 산업용 뿌리작물로 건조 등 조건 불리지역에 적용이 가능한 최고의 전분작물로 각광받고 있다. 이러한 관점에서 중국, 일본을 비롯한 세계 각국에서 오믹스 기반 유용유전자 발굴 및 활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 2014년부터 한∙중∙일 고구마연구협의회(TRAS)를 중심으로 Xushu 18(6배체) 고구마 유전체 해독 연구가 진행되고 있으며 거의 완성단계에 이르고 있다. 향후 고구마 유전체 해독이 완성되면 오믹스 기반 연구결과와 더불어 전분대사, 항산화물질 대사, 환경스트레스, 기능성 등의 기작에 관여하는 유용유전자 분리 및 활용 연구의 활성화에 기여 할 것이며 6배체 고구마 유전체 해독 연구는 식물 유전체 해독에 있어 가장 문제시되는 다배수체 식물의 유전체 해독 문제해결에 가장 큰 기여를 할 것으로 기대 된다. 본 논문은 현재까지 연구된 고구마 생명공학 연구 현황과 조건 불리지역 분자육종 전망에 대해 기술하였다. 이러한 연구 동향 분석은 고구마를 활용한 글로벌 식량, 에너지, 환경문제 해결을 위한 실용화 연구에 도움이 될 것으로 생각된다.

사사

본 연구는 국가과학기술연구회 다학제 융합클러스터 지원사업(CCL-17-01-KRIBB), 농촌진흥청 차세대 바이오그린21사업(PJ01318401), 농촌진흥청 공동연구사업(PJ01341601)의 지원으로 수행되었다. 원고를 검토하여 준 충남대학교 오만호 교수님께 감사드린다.

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