적요
Mutation breeding through irradiation has been applied to several varieties and genetic resources since the discovery of the use of X-rays for inducing mutations in plants by Stadler in 1928. A heavy ion beam with high linear energy transfer (LET) shows a higher relative biological effectiveness (RBE), and it is more effective in inducing plant mutations than low LET radiations, such as X-rays, gamma rays, and electrons. Since early 1990s, several plant breeding programs in Japan have used heavy ion beams from accelerators. These beams impart a high energy effect on a local target; therefore, they induce a higher number of single and double strand DNA breaks. In addition, they induce a large number of DNA deletions than low LET radiations. Therefore, a heavy ion beam is superior to low LET radiations in terms of induction rate and the mutation spectrum. In Korea, a heavy ion accelerator that can be used for breeding is under construction. However, a large-capacity proton accelerator (KOMAC: Korea Multi-purpose Accelerator Complex) was built recently, and it is a pioneer step in breeding research worldwide. This review summarizes the basic characteristics, successful research achievements, and the prospect of application of high LET accelerator beams in plant mutation breeding.
서 론
자연에서 오랜 시간에 걸쳐 일어나는 생물체의 자연돌연변이는 진화나 작물 다양성의 원천중에 하나라 할 수 있다. 자연돌연변이의 발생에는 우주 및 지각에서 유래하는 방사선도 한 요인으로 간주되고 있다. 식물체에 인공방사선을 쪼여 단기간에 돌연변이를 유도하여 육종에 활용할 수가 있다. 방사선이나 화학물질 등 돌연변이원(mutagen)을 식물체에 처리하여 인위적으로 돌연변이를 일으켜 유용한 변이체를 선발하여 육성하는 것을 돌연변이 육종(mutation breeding)이라고 하고, 돌연변이원으로 방사선을 조사(照射)한 경우에 방사선육종(radiation breeding)이라고도 한다(
Kharkwal 2012,
Sivasankar et al. 2020). 방사선을 이용한 돌연변이 육종은 다른 형질(품종)의 양친을 교배하여 잡종 후대에서 유용한 변이체를 선발하는 교잡(교배)육종법이나 생명공학 기술을 이용하여 외부 유전자를 도입하는 형질전환육종법과는 달리 방사선이라는 외래 자극을 이용하여 식물체 자체의 유전적인 변이를 유도하는 방법이다. 최근에 각광을 받고 있는 유전자편집(gene editing) 육종도 자체 유전자의 변이를 유도한다는 측면에서 돌연변이육종과 유사하지만, 돌연변이 육종은 무작위적인 변이를 유도하는데 반해 유전자편집은 생명공학 기술을 이용하여 목적한 유전자만 변이를 유도할 수 있다는 측면에서 다르다고 할 수 있다. 돌연변이 육종은 육종 재료로 종자, 조직배양체, 꽃가루와 각종 영양번식체 등을 이용할 수 있기 때문에 교배나 생명공학 기술을 적용하기 어려운 식물에서도 변이 창출이 가능하여 민간육종가들도 실용적으로 이용할 수 있다(
Kang et al. 2020,
Schum 2003). 또한, 전세계적으로 돌연변이 품종은 교배육종 품종과 같이 생명공학작물과 같은 재배 및 활용에서 규제를 받지 않고 있다는 장점이 있다.
인공방사선에는 다양한 에너지 준위를 갖는 여러 유형의 이온화(전리) 방사선이 있으며, 이온화 방사선의 식물체 조사는 식물체의 발아, 생장, 생리, 생화학적인 특성과 유전물질의 변화에 영향을 미치는 것으로 알려져 왔다.
Stadler (1928, 1928)가 보리와 옥수수 종자에 X-선을 조사하여 돌연변이를 일으킨다는 것을 최초로 보고한 이후, X-선, 감마선, 중성자 및 전자빔 등 다양한 방사선이 방사선육종에 이용되어 오고 있다(
Ahloowalia et al. 2004,
Schum 2003,
Sivasankar et al. 2020). 1990년대 들어 일본에서는 대형 중이온가속기의 구축과 함께 중이온빔을 이용한 돌연변이 육종법이 개발되어 다양한 고부가가치 신품종 및 유전자원 개발에 많은 성과를 내고 있다(
Nakagawa 2021,
Yamaguchi 2018). 최근 국내에서도 방사광가속기에 이어 양성자 및 중이온 가속기가 속속 구축되면서 대형가속기빔을 식물 육종에 활용하려는 관심이 증대되고 있다. 방사선이 단위 길이당 물질에 부여하는 에너지를 선에너지부여(Liner Energy Transfer; LET)라고 하는데, 중이온 등 이온빔은 기존의 X-선 및 감마선보다 LET가 높고, DNA의 이중나선 절단 등에 의한 돌연변이 발생율 및 스펙트럼이 높은 것으로 알려져 있다(
Abe et al. 2021). 본고에서는 가속기빔의 식물 육종에 활용하기 위한 기본 정보로 돌연변이 유발 원리 및 특성과 국내외 연구 동향 및 전망 등에 대하여 정리하고자 한다.
가속기 빔의 특징 및 생물효과
가속기(accelerator)란 전하를 띤 입자를 전자기력으로 빛의 속도 가까이까지 가속시켜 고에너지를 갖게하는 장치이다. 가속기는 본래 입자물리학(particle physics)에서 입자의 성질과 입자들 간의 상호작용을 연구하기 위해 개발되었으나 생명과학과 재료과학 연구 이외에도 산업용과 의료용으로도 쓰인다. 가속기는 가속시키는 입자의 종류(양성자, 중이온, 중입자, 전자/양전자 등)와 가속기의 형태(선형, 원형), 직류형인지 혹은 교류형인지에 따라 구분된다. 크게는 양성자, 중이온, 중입자 등 입자를 다른 입자나 물질에 충돌시켜 입자들 간의 상호작용을 연구하는 입자가속기와 가속후 다양한 에너지의 빛을 생산해 활용하는 방사광가속기로 나누기도 한다(
Lee et al. 2018).
가속기를 이용해 원자로부터 전자를 떼어낸 원자핵(이온)을 고속으로 가속한 것을 이온빔이라 한다. 이온빔은 방사선의 한 종류이지만, 돌연변이 육종에 주로 이용되는 감마선과는 그 특성이 달라 육종 이용시에는 이것들의 특징을 고려해야 한다. 이온빔은 가속하는 이온의 종류에 따라 수소 이온을 가속하는 경우를 양성자빔, 수소보다 무거운 이온을 가속하는 경우를 중이온빔이라 한다. 이온빔 조사의 생물학적 연구는 1960년대 무렵부터 주로 우주 방사선의 영향 해석이나 암치료 기술 개발을 위한 의학분야에서 많이 이루어졌다. 물론, 식물의 돌연변이 유발에 이온빔이 유효하다는 것이 알려져 있었지만, 감마선이나 X-선과의 차이에 대해서는 거의 연구가 이루어지지 않았다. 중이온빔을 이용한 돌연변이 육종 연구는 1990년대들어 일본에서 본격적으로 시작되었다. 이것은 1990년대들어 일본원자력연구개발기구의 TIARA (Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application; 현재는 양자과학기술연구개발기구(QST; National Institute for Quantum Science and Technology)로 소속 변경), 이화학연구소(RIKEN)의 RIBF (RI Beam Factory)와 후쿠이현의 Wakasanwan에너지연구센터의 W-MAST (Wakasawan Energy Research Center Multi-purpose Accelerator with Synchrotron and Tandem) 등 대형중이온가속기 시설이 속속 건설되었기 때문이다(
Abe et al 2021).
이온빔은 감마선이나 X-선 등과 비교해서 LET 값이 높고, 국소적으로 큰 에너지를 부여한다는 특징이 있어, high-LET 방사선으로 분류된다. 보통 감마선이나 전자선 등의 LET는 대체로 0.2 keV/μm 정도로 낮으며, 방사선의 에너지는 선원의 근처가 가장 높고, 선원에서 멀어질 수록 거리에 반비례해서 감소하게 된다. 이에 반해 이온 입자는 빔으로부터 물질속을 투과할 때 비정(飛程)에 따라서 LET가 점차 증가하다가 이온이 멈추기 직전에 높은 에너지를 방출하고 사멸하는 특성을 나타내며, LET값도 감마선에 비교하여 수백배 이상 크게 된다. 이러한 현상을 브래그 피크(Bragg peak)라고 하는데(
Fig. 1), 중이온이나 양성자의 이러한 특성을 이용하여 암치료시에 적용할 수 있다. 즉, 기존의 감마선이나 X-선 의 조사에 의한 암치료의 경우 암세포 이외에 정상 조직에도 방사선이 조사되기 때문에 여러가지 방사선 치료에 대한 후유증이 크다. 이것에 비교하여 중이온(입자)나 양성자에 의한 치료의 경우 브래그 피크 영역이나 이를 확장 처리한 SOBP (Spread-Out Bragg Peak) 영역에 암세포만 목표물로 조사할 수 있기 때문에 방사선 암치료의 부작용을 최소화하면서 치료 효과를 획기적으로 높인 최첨단 기술로 평가되고 있다. 이온빔 육종을 위한 식물체 조사시에는 투과에너지를 이용해야 하기 때문에 브래그 피크 영역에 조사 시료를 맞추는 것보다는 그 이전 영역이나 SOBP 영역을 이용하게 된다.
중이온빔을 이용한 돌연변이육종에서 식물 조사에 쓰이는 이온 종류인 He, N, C, Ar, Ne 등의 효과에 대하여 비교 검토가 이루어졌다. 벼 종자에 대한 이온 종류별 돌연변이체를 분석한 결과, 돌연변이 발생률에는 큰 차이는 없었지만, C 및 Ne 이온을 조사한 경우에는 100 bp 이하 염기의 결실에 의한 돌연변이가 많이 나타나고, Ar 이온을 조사한 경우에는 167~620 bp의 큰 결실이 주로 일어나는 것으로 보고되었다(
Abe et al. 2021). 이온 종류에 따라 최적의 조사 선량 및 LET값이 다른데, 이온 원소의 크기 및 돌연변이 발생 효율 등을 고려하여 주로 탄소(C) 이온이 많이 쓰이고 있다(
Table 1,
Hayashi et al. 2017).
방사선조사에 의한 생물효과는 돌연변이 발생빈도와도 밀접한 관계가 있는데, 방사선의 종류에 따라 달라진다. 대상으로 하는 방사선과 표준이 되는 방사선이 같은 생물효과를 주는데 필요한 흡수선량의 비의 값을 생물효과비(Relative Biological Effect; RBE)라 하는데, 통상 감마선을 1로 한다. RBE의 값은 이용하는 식물종 뿐만 아니라 조직이나 그 생육 단계에 의해서도 크게 다르다. 이온빔의 생물효과는 감마선 대비 최대 100배 정도까지 달하는 것이 알려져 있으나(
Hirano et al. 1970,
Smith et al. 1972), 이온의 종류나 LET를 바꾸어 통일적으로 조사한 결과는 많지 않다.
Tanaka et al. (1997)가 애기장대의 발아율이나 생존율 영향을 해석한 결과로는 대체로 LET가 250 keV/
μm에서 효과가 최대가 되는 것을 알 수 있었다.
돌연변이 육종에서 방사선 조사의 적정선량을 정할 때는 염색체 이상이나 반치사 선량 등을 조사해서 이용하는데, 탄소 이온빔의 경우 반치사 선량에서는 감마선에 비교하여 불임률이 높게 나오기 때문에 이온빔의 돌연변이 유발은 생존률을 크게 저하시키지 않는 선량대가 바람직한 것으로 제안되었다(
Hase et al. 2002,
Tanaka et al. 2010). 즉, 이온빔이 유전체의 DNA 이중나선을 절단하여 돌연변이를 일으키는 물리적 요인으로는 조사선량, LET와 비래(飛來)하는 이온갯수를 들 수 있다. 조사선량은 LET와 이온수의 곱에 비례하며, LET가 높을수록 비래하는 이온수는 적어진다(
Abe et al. 2021). 따라서, 중이온 등 가속기빔을 돌연변이 육종에 활용할 때에는 가속기에너지 크기와 이온 종류에 따라 대상 식물별로 적정 조사선량(Gy)과 LET 값을 찾는 것이 돌연변이 유기 성공율을 높이는 데에 중요한 요소이다.
이온빔은 소수의 이온 입자가 세포에 침투하여 유전물질에 영향을 미칠 가능성이 있기 때문에 이온빔과 감마선 사이의 돌연변이 유기 정도의 차이가 있을 수 있다. 예를 들어
Tanaka et al. (2010)은 1 Gy의 선량에서 220 MeV 탄소 이온을 조사하면 하나의 세포에 4개의 입자 트랙이 생성되는 반면 동일한 선량의 감마선은 세포에 2,000개의 spur가 생성되는 것으로 추정하였다. 따라서 이온빔은 감마선이나 X-선보다 염색체 여러 부위에 손상이 적어 나머지 유전적 배경에는 영향을 미치지 않고 표적 형질의 변화만 보이는 변이체를 얻는데 활용될 수 있고, 이 특성은 관상용 식물의 돌연변이 육종시에 큰 장점이라 하였다(
Yamaguchi 2018). 즉, 돌연변이 육종을 하는 중요한 목적 중에 하나인 원하는 특성 하나만 개선하는 데에 유리하다는 것이다.
중이온빔 조사에 의한 유전자 수준에서의 돌연변이율을 알아보기 위하여 전체 유전체 염기서열이 밝혀진 애기장대 식물체를 대상으로
tt와
gl 변이 원인과 관련한 실험을 진행한 연구가 있다(
Shikazono et al. 2003). 중이온빔의 돌연변이율은 단위 선량당 시원세포(2배체)의 유전자좌 수로 볼 때 전자선 조사에 비교하여 약 17배 높은 것을 알 수 있었다(
Shikazono et al. 2003). 또한, 탄소 이온빔 150 Gy 조사에 의한 돌연변이 유발율은 단위 선량에서 염색체 갯수당 유전자좌 개수는 1.9×10
6이기 때문에 애기장대의 유전자 총수를 25,000개로 가정하면, 대체로 genome에 평균 7개소의 변이가 생기고 있다고 추산하였다. Shikazono et al. (
2001,
2002)은 이온빔 조사에 의해 애기장대에서 유발된
tt나
gl의 돌연변이를 DNA 수준에서 상세하게 분석하였다. 그 결과, 전자선에서는 유전자내의 point 돌연변이가 9개, 염색체 수준에서의 큰 구조 변화가 3개로 point 돌연변이가 많이 발생하였지만, 탄소 이온 조사에서는 point 돌연변이가 14개, 큰 구조 변화가 15개로 거의 1:1의 비율로 생기고 있는 것으로 보아 탄소 이온은 전자선에 비해 큰 구조 변화를 일으키기 쉬운 경향이 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 상기 변이의 염기 배열을 조사한 결과, 큰 구조 변화의 분석에서 탄소 이온은 역위, 전좌, 결실 등의 변화가 관찰되었으며, 전자선에서는 역위, 전좌 등이 발생됨을 확인할 수 있었다(
Shikazono et al. 2001,
2002). 한편, point 돌연변이에서 탄소 이온은 전자선에 비해 짧은 결실을 유발하고 재결합되기 쉬운 특징을 볼 수 있었다(
Shikazono et al. 2005). 따라서, 중이온빔에서는 절단 말단에서 다중의 손상이 일어나기 쉬운 것으로 보아 감마선과 같은 Low-LET 방사선원과는 다른 돌연변이 발생 양상을 확인할 수 있었다.
돌연변이원 처리에 의한 유발되는 변이체의 스펙트럼이 변이원의 유용성을 따지는 데에 유용하다.
Nagatomi et al. (1997)은 국화 조직배양체에 감마선과 중이온빔을 조사해서 얻어지는 재분화 개체의 꽃 색깔을 지표로 한 변이 스펙트럼을 해석하였다, 중이온빔 조사에서는 핑크색 계열 이외에도 흰색이나 노랑, 오렌지색 등 감마선 조사에서는 나타나기 어려운 꽃 색깔이 비교적 용이하게 유발되는 것을 밝혔다. 또한, 예전에는 전혀 얻을 수 없었던 꽃 중심부가 황색, 주변부가 핑크색 등과 같은 복색(複色)이나 꽃잎이 2개 이상의 색으로 줄무늬 및 얼룩무늬 등이 새롭게 유발되었다. 이러한 특성은 카네이션 꽃의 색깔과 화형 변이에서도 나타났는데,
Okamura et al. (2003)은 카네이션 품종인 ‘비탈’의 엽편 배양체에 탄소 이온빔을 조사한 후, 재분화한 식물체에서 꽃의 변이를 에틸메탄술폰산(EMS), 연(soft)X-선 및 감마선 등의 변이원과 비교 분석하였다. 그 결과 탄소 이온에서는 다른 변이원에서는 유기되지 않았던 연어(salmon)색이나 노랑, 크림색, 줄무늬나 복색(複色) 등 여러가지 꽃 색깔 변이가 유발되었고, 화형에서도 원형이나 패랭이꽃형 등 다양한 변이가 다수 유발되었다. 이외에도 애기장대나 페츄니아에서 중이온 조사에 의해 기존에 보고되지 않은 꽃색이나 화형 변이체가 유도되어(
Hase et al. 2000), 중이온빔에 의한 돌연변이의 형질은 감마선 등에 의한 것과는 다르다는 것과 신규유전자의 발생 등 그 변이 스펙트럼이 넓다는 것이 밝혀지고 있다.
양성자빔은 수소 이온을 가속하는 것이기에 이온빔의 일종으로 분류할 수 있다. 양성자는 주로 태양에서 유래하는 우주방사선의 주요 구성 요소이며, 중이온과 같이 암치료 등에도 이용되고 있다(
Girdhani et al. 2013). 식물 조사에 대한 연구는 특히 이온빔의 생물학적 효과, 돌연변이 유발 및 종자의 프라이밍 효과에 대하여 연구되었다(
Chauhan et al. 2019,
Deoli & Hasenstein 2018,
Wang et al. 2022). 특히 양성자빔의 식물체 조사에 대한 생물효과나 육종 연구는 우리나라에서 2000년대 이후 선도적으로 행해지고 있는데, 초기에는 한국원자력의학원의 30~45 MeV 사이클로트론을 이용한 것이었고, 2013년 이후에는 주로 경주의 100 MeV 양성자가속기(KOMAC: Korea Multi-purpose Accelerator Complex)의 빔을 이용한 것이다(
Im et al. 2017,
Kang et al. 2020). KOMAC에서는 현재 2개 빔라인(TR102과 TR103)에서 33~100 MeV 에너지 범위의 빔을 육종용 시료 조사에 제공하고 있는데, 시료의 빔조사 면적은 3~10 cm 내외로 제한적이다(
Kim et al. 2020).
Lee et al. (2015)는 Cymbidium 식물체에 대한 두 선량의 양성자 빔(45 MeV 및 100 MeV)과 감마선의 조사에 영향에 대해 높은 선량의 양성자 빔에서 감마선보다 상당한 산화 스트레스를 나타낸다고 하였다.
Bae et al. (2005)는 양성자 빔을 담배 및 벼 종자에 조사한 결과 유묘의 생장을 억제하였고, 형태학적 변화에 큰 차이는 없었으나, 양성자빔이 돌연변이원으로 사용될 수 있음을 시사하였다.
Kim et al. (2011)의 연구에 따르면 양성자빔의 선량을 증가시키면 참마 식물의 생존율이 감소하였다. 벼 종자에 양성자 빔을 조사하면 초기생육이 억제되며(
Lee et al 2015), 고선량 조사에서 전분 특성의 변화를 일으킨다는 것을 보고하였다(
Kim et al. 2012).
Oprica et al. (2020)의 연구에 의하면 양성자빔을 전처리한 종자에서 유래한 보리 유묘는 100 mM 염(NaCl) 스트레스가 완화됨을 보여주었고, 이에는 항산화효소의 생성의 변화가 관여하는 것이 시사되었다.
돌연변이의 발생 빈도 및 스펙트럼은 조사 선량, 식물 시료의 유형 및 수분함량과 조사 시간 등에 의해 영향을 받을 수 있다(
Jo & Kim 2019). 양성자빔과 감마선을 애기장대 종자에 조사하여 M
2세대의 표현형과 전체 게놈분석을 한 결과, 조사 선량과 돌연변이 빈도 사이의 관계를 뒷받침하는 확실한 근거는 없었지만, 양성자 빔 조사는 감마선 조사보다 더 넓은 표현형 돌연변이 스펙트럼을 가져왔다. 또한 양성자 빔은 감마선보다 더 많은 DNA 구조 변이를 일으켰는데, 가장 빈번한 것은 구조적인 변화였고, 대부분의 역위는 단지 몇 개의 뉴클레오티드의 결실과 연관되어 있었다. 이러한 결과는 양성자빔은 LET 측면에서 감마선보다는 조금 높고 중이온보다는 많이 낮은 특성을 갖고 있는데, 이러한 방사선원과 부분적으로 공통적이면서 고유한 돌연변이 유발 특성을 갖고 있는 것이 시사되었다(
Lee et al. 2021). 양성자빔이 조사된 동부 종자의 발아 정도와 유식물체의 유전자 발현 변화를 보면, 방어, 광합성, 활성산소종(ROS), 식물호르몬, 전사인자(TF) 관련 유전자의 상향 및 하향 조절은 감마선조사보다 양성자빔 조사에서 높게 나타났다(
Kang et al. 2021).
Chauhan et al. (2019)은 벼 종자에 양성자빔을 선량별로 조사하고 M
1 세대에서의 발아 및 유묘 생장 영향을 분석하여 돌연변이 유기를 위한 적정 조사 선량을 제시하였다.
Kumar et al. (2018)은 양성자빔 조사 벼 M
2 세대에서 제초제 내성 돌연변이체를 선발하는 연구를 진행하여 벼에서 돌연변이 육종에서의 활용 가능성을 제시하였다. Kim et al. (2020, 2021)은 20여종의 주요 작물에서 100 MeV 양성자빔의 LD (lethal dose)30, LD50 및 RD (reduction dose)50 값을 조사하여, KOMAC의 양성자빔 이용자가 돌연변이 육종시에 조사할 때 적용할 수 있는 적정 선량을 감마선조사와 비교하여 제시하였다. 또한, 양성자빔의 종자에 대한 감수성에는 식물종에 따라 차이가 있었는데, 게놈사이즈가 8,000 Mbp 이상인 식물은 방사선에 크게 민감한 경향을 나타냈고, 16종의 식물에서는 양성자빔의 생물학적 효과가 감마선 조사시보다 높은 것을 밝혔다. 이와 같이 양성자빔을 이용한 돌연변이 육종에 대한 연구가 이제 본격적으로 시작이 되었지만, 아직은 관련된 연구 기간도 짧고 다른 방사선원과 비교한 돌연변이 유발 효율 및 메커니즘 구명 연구나 실용적인 품종 개발 실적은 미흡한 실정이다.
가속기빔을 이용한 품종 개발 현황
전세계의 돌연변이육종 품종수는 2023년 1월 기준으로 한 FAO/IAEA 돌연변이품종 데이터베이스(
http://mvd.iaea.org)에 의하면 총 220종 식물에 3,314개에 달한다. 돌연변이 유기원별 품종수는 감마선 이용 52%, X-선 이용 18%와 함께 중성자, 이온빔 등을 포함한 물리적(방사선) 돌연변이원이 77%로 점하고 있다. 이 중에 이온빔을 이용한 돌연변이 품종수는 26개이다. 나라별로는 일본 12, 중국 7, 말레이시아 3, 방글라데시 3, 그리고 필리핀 1개이다. 작물별로 보면 벼가 9개로 가장 많고, 카네이션 3, 메밀, 토마토, 조, 체리, 고구마, Ribon Dracena 가 각 1개씩이다. 각국에서의 공식적인 품종등록연도를 보면 가장 빠른 것이 1994년으로 2000년대 들어 늘어나는 추세라고 할 수 있다. 그러나, 이 데이터베이스에 등록되지 않은 돌연변이품종도 세계 각국에 많이 있을 것으로 예상되며, 일본 연구자의 최근 보고(
Abe et al. 2021,
Nakagawa 2021)나 개인적인 전언에 의하면 일본에는 100여개 품종이 중이온빔을 이용하여 개발되어 있는 것으로 추산된다. 영양체 시료에 대한 이온빔 조사에는 감마선과 비교하여 제한이 있지만, 일본에서는 다양한 관상용 및 화훼류 등 영양번식 식물에서도 많은 품종 개량 성과를 내고 있다. 식량작물이나 국화, 카네이션, 장미, 페튜니아, 벚꽃 등 많은 관상식물과 해조류나 미생물 자원에서도 성공사례가 보고되어 있다(
Abe et al. 2021,
Yamaguchi 2018).
국내 대형가속기 구축 현황 및 육종분야 활용 전망
몇몇 나라에서는 20세기 초반부터 가속기를 활용한 기초 원천 연구를 수행해오고 있는데, 미국 로렌스버클리연구소(LBNL)의 역대 노벨상 수상자 13명중 8명이 가속기 이용 분야이다. 가속기는 핵과학, 천체물리 등 기초연구 분야 뿐만 아니라 반도체, 화학, 신소재, 의생명(신약, 암치료, 분자구조 분석 등) 등 다양한 산업적 분야에도 활용되고 있다. 현재 운영중인 대형가속기만도 일본 15기, 미국 13기, 중국 7기, 독일 3기, 프랑스 3기에 달한다(
Lee et al. 2018).
우리나라의 경우 미래첨단산업의 핵심기술 확보와 기초연구 증진을 목적으로 대형 방사광가속기(포항), 양성자가속기(경주)를 구축하여 운영중에 있다. 대전의 과학비지니스벨트 구축사업으로 추진된 중이온가속기(RAON; Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiments)는 1단계사업이 2021년도에 완공되어 저에너지구간 가속기빔라인의 구축이 완료되었다. 아쉬운 점은 구축 계획 단계부터 육종연구용으로 설치 예정이었던 의생명빔라인(BIS; Biological Irradiation System)은 1단계 사업에서 구축하지 못하고, 다른 고에너지 가속기빔라인과 함께 2단계 사업으로 진행 예정이라는 것이다. 이외에도 의학 연구 및 암치료 목적의 중입자가속기(부산 기장)의 건설이 진행중에 있고, 증가하고 있는 수요에 대응하여 4세대 원형방사광가속기의 신규 건설(오창)도 추진되고 있다. 이중에 부산의 의료 연구 및 치료용 중입자가속기를 제외하고는 모두 다목적 연구용 가속기이다. 암치료전용 양성자가속기 및 중이온가속기 시설은 일부 병원에서 도입하여 치료에 이미 사용되고 있거나 설치가 추진되고 있다(
Lee et al. 2018).
이러한 대형가속기의 구축에는 수천억원에서 1조원이 넘는 막대한 예산이 소요된다. 따라서 육종 연구를 위한 목적으로 가속기를 별도로 건설하는 것은 어렵기 때문에 다목적 연구용으로 건설되는 가속기에는 농생명 시료를 조사할 수 있는 빔라인을 설치하여 활용할 수 있도록 하는 것이 필요하다. 그리고, 가속기빔을 이용한 조사는 다양한 목적으로 많은 사용자가 활용하기 때문에 식물 조사 목적의 조사서비스 시간을 확보하는 것이 중요할 것으로 사료된다. 또한 가속기빔은 시료의 조사 영역이 수 cm 밖에 되지 않아, 감마선 조사시설과는 달리 한번에 조사할 수 있는 시료양도 많이 제한적이다. 따라서, 일본에서와 같이 가속기빔에는 자동시료공급장치를 부착하여 제한된 빔조사 시간내에서 한번에 많은 시료를 조사할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다. 최근의 연구 결과에 의하면 방사광을 조사한 국화에서도 돌연변이 유기 효과가 있다(
Sakamoto et al. 2019)는 것이 보고되어 앞으로 국내 방사광가속기를 육종용으로 이용하는 연구도 기대된다. 현재 경주의 양성자가속기(KOMAC)는 빔 조사를 받을 수 있는 횟수는 제한적이지만, 육종 시료를 조사할 수가 있어, 다른 나라에 비교하여 선도적으로 육종 연구가 진행되고 있다. 국내에 구축되었거나 가동중인 가속기빔을 활용한 육종 연구가 활성화되기 위해서는 각 가속기빔의 특성에 맞춘 작물별 조사 조건 설정이 우선적으로 필요한데, 이를 실현하기 위해서는 육종연구자, 가속기물리학자와 빔조사지원팀 등과의 협력 체계 구축과 공동연구가 필요하다. 앞으로 국내의 각종 가속기빔을 활용한 육종 연구가 활성화되기를 기대해 본다.
적 요
방사선 조사에 의한 돌연변이 육종은 1928년 Stadler에 의해 X-ray가 식물체에 돌연변이를 일으킬 수 있다는 사실을 발견한 이래로 발전하여, 많은 신품종과 유전자원 개발에 활용되고 있다. LET가 높은 중이온빔이 상대적으로 높은 생물효과(RBE)를 보이며, LET가 낮은 방사선, 즉 X-선, 감마선 및 전자선보다 식물 돌연변이 유기에 더 효과적이다. 1990년대 초부터 일본에서는 대형 중이온가속기빔을 사용하여 식물에서 많은 육종 성과를 내고 있다. 중이온빔은 국소 표적에 높은 에너지 효과를 줄 수 있기 때문에 Low-LET 방사선보다 더 많은 단일 및 이중 가닥 DNA 절단과 큰 DNA 결실을 유도한다고 알려져 있다. 그 결과 중이온빔은 낮은 LET 방사선보다 돌연변이 발생율과 스펙트럼 면에서 우수하다는 것이 제시되었다. 국내에서는 아직 육종에 사용할 수 있는 중이온가속기가 구축중이지만, 최근에는 대형 양성자가속기(KOMAC, 100 MeV)가 건설되어 세계에서 선도적으로 양성자빔을 이용한 육종 연구가 진행되고 있다. 본고에서는 가속기 빔을 이용한 돌연변이 육종의 기본 원리 및 특징과 성공 사례 및 앞으로의 전망에 대해서 정리한다.
사 사
본 논문은 한국연구재단(NSF) 지원의 지역대학우수과학자지원사업 연구과제(No. RS-2022-00156231)와 국제원자력기구(IAEA)의 CRP 협력 과제의 지원으로 작성되었으며, 지원에 감사를 표한다.
Fig. 1Bragg peaks of ion beams, such as heavy ion and proton, comparing with gamma rays. The vertical (Y) axis represents the relative radiation dose or the absorbed dose of a material, and the horizontal (X) axis represents the distance from the radiation source or the depth of the penetrating material.
Table 1A case study for finding the optimum LET (LETmax) value for each type of ion in dry rice seeds. The LETmax of carbon ion as a mutation rate is around 20~50 keV/μm (modified from data of
Hayashi et al. (2017),
Abe et al. (2021)).
Table 1
|
Irradiation ion type |
LET (keV/μm) |
Dose (Gy) |
Mutation rate (%) |
|
C |
23 |
175 |
13.8 |
|
C |
30 |
175 |
15.1 |
|
C |
50 |
125 |
13.7 |
|
Ne |
63 |
100 |
9.2 |
|
Ar |
290 |
10 |
8.0 |
|
Fe |
650 |
15 |
4.9 |
References
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