03강. 식물유전자원

1. 유전자원이란?

2. 유전자원의 수집 • 보존 필요성

3. 유전자원 수집 • 보존 방법

4. 유전자원 보존 기관

5. 유전자원 관련 쟁점

1) 정의: Germplasm of plants, animals or other organisms,

containing useful characters of actual or potential value.

In a domesticated species, it is the sum of all the

genetic combinations produced in the process of

evolution.

* Germplasm (遺傳質):

a. The genetic material which forms the physical

basis of heredity and which is transmitted from one

generation to the next by means of germ cells.

b. An individual or clone representing a type , species

or culture, that may be held in a repository for

agronomic, historic or other reasons.

1. 유전자원 (遺傳資源; genetic resources) 이란?

Gene(or point) mutationa. Nucleotide substitutionsb. Deletions and insertionsc. Inversions

Gene recombination : not gene but genotypic variability(자연교배)

Chromosomal mutations (or aberrations)a. Changes in the number of genes in chromosomes

- Deficiency or deletion - Duplication

b. Changes in the location of genes in chromosomes- Inversion- Translocation

c. Changes in the number of chromosomes- Fusion; Fission - Aneuploidy- Haploidy and polyploidy

Source of natural genetic variability

2) 자연적인 유전변이의 발생 원인

3) 유전자원으로 보존되어져야 할 재료

a. 최근의 우수 장려품종

b. 과거 장려품종

c. 특수목적에 적응하는 품종 (또는 형)

d. 폐기된 품종 (또는 형)

e. 육성계통 (우수 유전자를 가진 계통 elite lines)

f. 돌연변이체, 유전검정종, 배수체, 이수체 등

g. 지방종 (개량되지 않은 재래종)

h. 유용한 세포질변이체

i. 야생종 및 관련 야생속 들

j. 종간,속간 잡종들

(Chang TT, 1979. Crop genetic resources. Plant

Breed. Perspectives:83-103)

2. 유전자원의 수집 • 보존 필요성

가. 다양성의 보존 : a fundamental needa. 식물종의 보존 자연생태계 유지b. 종내 다양성(유전변이)의 보존 생물(병해충, 잡초 등)

또는 무생물환경(기후,토양) 변화에 대처* genetic vulnerability

미국 옥수수(1970) T-cms 이용 hybrid---> southern corn leaf blight의 T-race에 90%이상 피해

(Helminthosporium maydis)한국 벼 도열병(1978) --- 통일형 품종 - 전체면적의 80% 재배

1972 1978

20

100

60

Japonica 침해 race

Japonica 품종재배면적 비율

Indica 침해 race

Indica 품종재배면적 비율

나. 유전침식(genetic erosion) 방지

* genetic erosion: the loss of genetic material (genes, genotypes) from individuals or populations

* 유전침식의 원인a. 장려품종의 보급 재래종 소멸b. 자연파괴 :-인위적(삼림파괴, 도시화/개발--도로/ 주택, 과도한 채집/방목..)

-자연적(사막화, 자연재해-병해충,..)c. natural hybridization, selection,

genetic drift 등 자연적인 집단 변모

(Plant Genetic Conservation, P.5)

식물육종 장려품종 보급 재래종, 야생종 등 소멸 가속화

현대의 품종야생종 초기 재래종

소실소실

육종에 의하여 종내의 유전변이가 소실되어가는 모식도(Tanksley and McCouch, 1997)

FAO 1996

유전 침식의 주요 원인

국가 수

다. 유전 육종적 이용

- 아직도 wild relatives의 이용 부진

more desirable genotypes 개발가능성

* wild QTL projects --- tomato, rice, ...

new alleles

new epistatic interactions

- 사회의 품종요구도 다양화 --- 생산물의 품질, 다양한 생산환경

- (low-input) sustainable agriculture를 위한 품종개발,

병해충저항성의 이용

- Post-genome ; functional genomics 시대에 유전자의 기능 구명을

위해서는 유전자원, 돌연변이자원 이 필수

* Why agricultural biodiversity matters

(Biodiversity International)

- pests & diseases

- managing climate risks

- nutrition & health

- sustainability --- nature conservation

- traditional knowledgeIn the Indian state of Maharashtra alone, around 1,600 flowering plants are used in traditional

medicine, many of which are threatened with extinction. Much of this diversity is preserved

in ‘sacred groves’ and women are often the ones who retain knowledge of their uses (UNDP

Equator Initiative 2012).

Millet types Protein Fat Calcium Iron

Common millet 12.5 g 3.5g 8 mg 2.9 mg

Finger millet 7.7 g 1.5 g 350 mg 3.9 mg

Kodo millet 9.8 g 3.6 g 35 mg 107 mg

Wheat (average) 11.6 g 2.0 g 30 mg 3.5 mg

3. 유전자원 수집 • 보존 방법

(1) 수집 방법

가. 수집지역

- Centres of origin of cultivared plants

- Regions of genetic diversity and wild habitats

나. 수집방법

- Field collection --- Data collection and analysis

Identification (=Accession number; Acc.);

Herbarium, gene bank or botanical garden where specimen is deposited ;

Collector's name and number ;

Collection date (to derive flower and fruiting time) ;

Phenological data (does specimen have flower or fruit?) ;

Particular area of provenance, latitude and longitude or more detail if possible ;

Altitude ; Habitat type ; Soil type ; Vegetation type ; Site slope and aspect ;

Land use and/or agricultural practice ; Phenotypic variation ;

Biotic interactions ; Competitive ability ; Palatability ; Ability to stand grazing ;

Vernacular names ; Plant uses

- Exchange among institutes

다. 수집보존 형태

(2) 보존방법

① In situ conservation

: nature conservation --- wild species가풍부한특정지역

(multispecies communities) 현장보호.

예) Israel의 wild wheats, barley, oats 군락보호

② Ex situ conservation

가. Eolutionary conservation use of botanic gardens &

arboreta (수목원)

* 천리포의수목원 (민병갈씨)

나. Static conservation ---> use of genebank (storage)

a. Storage of orthodox seeds

b. Recalcitrant seeds and vegetatively propagated plants

A. 보통종자 (orthodox seeds): 종자수분 3~6%, 저온저습저장

농촌진흥청 농업과학원 유전자원센터 (전주, 수원)

(수원 소재) http://www.genebank.go.kr/Lotus flower from 2000 years

old seed in Tokyo

B. Recalcitrant seeds and vegetatively propagated plants

• 短命종자 (보통수분 20-30%이하이면활력상실, 또는수분충분해도단명)

보통방법으로저장불가*주로열대, 아열대의과수류 Mango 자연조건 13주보존 : 80% 생존

Durian " 32일 " : 90% “

• 영양번식작물: potato, cassava, yams, sweet potato, sugarcane, 그외 온대과수들 등

- tubers, rhyzomes, corms, cuttings 등은 短命이고 포장상태에서 유지하는 것도 비경제적이고, 병해충(특히 virus)의 감염 때문에 문제

- 종자가 맺힐지라도 그것을 보존하는 것은 무의미∵극도로 heterozygous

: tissue culture 또는 embryo 적출(recal. seeds)하여 in vitro

preservation

a. reduced growth storage

: 저온, 배지조성, 배양실환경(특히 low-O2) 조절b. cryopreservation(냉동저장)

: liquid-N (-196ㅇC)에저장

(3) 활용 체계

(식물검역)

특성평가 및 증식

현장 보존

분양 및 이용

유전자원기관

특성평가

현장 관리 유지

종자저장

기내저장

화분저장

DNA저장

식물원포장보존

분양 및 이용

유전자원DB

등록 및 저장

수집 보존

현지 수집유전자원 보유기관

유전자원 수집•보존의 목표 및 방법 설정

4. 유전자원 보존 기관(1) 국가 지역별 유전자원 보유현황 (2009)

Total 6,565,620

(FAO, 2010, PLANT GENETIC RESOURCES FOR FOOD AND AGRICULTURE)

일본 농업생물자원연구소 내의종자저장고

(-11℃, RH 30∓5%)

한국: 농촌진흥청 유전자원과 210,761점(2016)

일본 : NIAR(국립 농업생물자원연구소) -- 243,463점(2008)

* 열대식물(과수)의 botanic garden

미국 : USDA내에 종자식물도입국(1898년)– 508,994점 (2008)

(Plant inventory;PI 번호) PI 231129

러시아: Vavilov Institute of Plant Industry – 322,238점(2008) 보유

중국 : 농업과학원 400,000점 (2015)

인도 : 366,333점 (2008)

Comparison between the collections maintained by selected national genebanks in 1995 and 2008a (FAO)

√

√√

√

√

Contribution of major crop groups in total ex situ collections

Source: 31 genebanks of the NPGS of USDA (source: GRIN, 2008); 234 genebanks from Europe (source: EURISCO, 2008); 12 genebanks from SADC (source: SDIS, 2007); NGBK (Kenya) (source: dir. info., 2008); INIAP/DENAREF (Ecuador) (source: dir. info., 2008); NBPGR (India) (source: dir. info., 2008); IRRI, ICARDA, ICRISAT and AVRDC (source: dir. info., 2008); CIP, CIMMYT, ICRAF, IITA, IlRI, WARDA (source: SINGER, 2008).

(FAO, 2010, PLANT GENETIC RESOURCES FOR FOOD AND AGRICULTURE)

한국 농업유전자원정보센터 보유 식물유전자원

식량작물

벼 40,788

잡곡 15,650 옥수수 8741, 수수 3402, 메밀 604, 기장 1119, 조1618, 기타잡곡 166

서류 179 감자 173, 고구마 4, 기타서류 2

맥류 60,451 보리 24656, 밀 23240, 귀리 9767, 호밀 1420, 트리티케일 1368

두류 40,271 콩 26550, 강낭콩 3137, 녹두 2562, 동부 1017, 완두 799, 팥 5046, Vigna 125, 기타두류 1035

<소계> 157,339 점

원예작물

엽채 6,810

과채 15,574

과수 251

근채 2,546

인경채 1,852

화훼 537

<소계> 27,570

특용작물

유료 18,045

향신료 348

약용 1,646

섬유 1,367

기타특용 843

<소계> 22,249

합계 210,761 점기타작

물3,603

(농업유전자원센터, 2016.6.)

미국내 식물 유전자원 보유기관

미국 Colorado주 Fort Collins에 있는National Center for Genetic Resources Preservation

Regional Stations Clonal Repositories Crop Collections Genetic Stocks

NC-7, Iowa Brownwood, Texas Arctic Plants, Alaska Barley, Idaho

NE-9, New York Corvallis, OregonArid Land Plants,California Maize, Illinois

S-9, Georgia Davis, California Clover, Kentucky Peas, Washington

W-6, Washington Geneva, New York Cotton, Texas Tomato, California

Special Hilo, HawaiiDesert Legumes,Arizona

National SeedStorage, Colorado

Mayaguez, PuertoRico

National Arboretum,DC

Plant Quarantine,Maryland

Miami, Florida Potato, Wisconsin

Riverside,California

Soybean, Illinois

Small Grains, Idaho

Tobacco, NorthCarolina

미국내 유전자원 저장고

센 터 명 (영명) 소 재 지 설립 연도 보유자원수 주 대상작물

국제열대농업센터 Colombia,Cali

1967 64,446 벼, 카사바, 목초, 콩, Beans

(CIAT)국제감자연구소 Peru, Lima 1970 15,046 감자, 고구마, Andean roots

(CIP)

국제밀․옥수수연구소 Mexico,Mexico

1966 173,571 밀, 옥수수, 보리, 귀리, Triticale(CIMMYT)

국제건조농업연구소 Syria,Aleppo

1975 132,793 보리, 렌틸, 밀, 칙피, 사료작물(ICARDA)

국제반건조농업연구소 India,Andhra P.

1972 118,882 수수, 진주조, chick pea, Groundnut(ICRISAT)

국제열대농업연구소 Nigeria, Ibadan

1967 27,596 카사바, 옥수수, 마, 콩Cowpea, 벼(IITA)

국제축산연구소 Kenya, Nairobi

1974 18,763 목초 (화본과 및 두과)(ILRA)

국제바나나연구소 France, Montfellie

1984 1,207 바나나, 플란테인(INIBAP)

국제미작연구소 Philippine, Laguna

1960 109,161 벼, 야생종벼(IRRI)

아프리카쌀연구소 Cote'd Voire 1970 21,527 벼, 야생종벼(ARC)

계 - - 741,319 -

(2) 국제농업연구센터보유유전자원현황 (2008)

아시아채소개발센터(AVRDC)

Taiwan 1971 56,222 토마토, 고추, 콩, 녹두

*SGSV:Svalbard Global Seed Vault노르웨이정부, 2008설립현재 70만점 중복보관.

(FAO, 2009)

Mission

Bioversity undertakes, encourages and supports research and other activities on the use and conservation of agricultural biodiversity, especially genetic resources, to create more productive, resilient and sustainable harvests.

Major objectives:

to promote the greater well-being of people, particularly poor people in developing countries, by helping them to achieve food security, to improve their health and nutrition, to boost their incomes, and to conserve the natural resources on which they depend.

* Bioversity works with a global range of partners to maximize impact, to develop capacity and to ensure that all stakeholders have an effective voice.

Biodiversity International 국제생물다양성연구소(http://www.bioversityinternational.org)

Founded in 1992, Rome (Italy)

5. 유전자원 관련 쟁점○ 유전자원 및 품종 보호관련 규정

* 국제식물신품종보호동맹 (The International Union for the Protection of New Varieties of Plants) : 품종보호 , 우리나라 2002년 1월 7일자 가입

* 무역관련 지적소유권 (WTO/TRIPS: Trade Related Intellectual Property Rights ): 무역장벽을 없앰, 지적재산권의 효과적인 보호, 지적재산권의 합법적 무역에 장벽방지

○ 유전자원 및 이익 공유 협약* 생물다양성협약 (Convention on the Biological Diversity: CBD): 생물

다양성의 보존, 자원의 지속적 활용, 이익의 공유 --- 1993.12 발효(우리나라1995.1)

- 나고야의정서(Nagoya Protocol): 유전자원에 대한 접금 및 이의 이용으로발생하는 이익의 공정하고 공평한 공유 (2010.10)

* 생물다양성 2011년-2020년 전략계획을 채택 : 유전자원 및 전통지식에 대한책임기관 통한 접근, 금전적 비금전적 이익공유 협약 체결, 사전통보 승인 및 절차이행 모니터링

- 강원선언문 (제12차 생물다양성협약 당사국총회 고위급회의, 2014.10.15-16): 16개항 2011년-2020년 전략계획 구체화

* FAO의 식량 및 농업유전자원에 관한 국제규약 (International Treaty on the

Plant Germplasm Resources for Food and Agriculture: ITPGRFA): 식물유전자원

원의 보존 및 지속적 이용, CBD와의 조화상태에서 이익공유

○ 기타 유전자원 권리 주장 관련 내용들

* 농부권 (Farmer's Right): 개도국 원산의 모든 유전자원은 그들 농민과 고유사회

가 기여했음이 인정돼야 하고 보호되어야 하며, 이익의 공평한 분배를 통해서 보상

되어야 한다."고 되어 있으나 유전자원의 원산지 규명이 쉽지않고 현실적으로 농민

의 권리를 보장하기에는 지적 소유권과 상충

* 자원주권(Soverign Right): "국가는 그들의 유전자원에 대해서 개발하거나 이로

인한 이익, 이에 부수되는 어떤 이익에도 배타적 주권을 가진다."고 되어 있는데 대

체로 협약 체결시까지 보유한 자원에 대해서 인정하는 방향으로 흘러 가고 있으나

명확한 구분에는 어려움이 많음

* 전통지식 (Indigenous Knowledge) : 원주민과 지역사회가 과학적으로 증명되지

않았어도 이들의 지식과 기술을 지소권 수준으로 보호하자는 논의가 활발하고 대상

은 동식물 자원, 전통치료법, 건축, 토양, 물관리 기술의상 및 염색법, 문화, 예술에

이르기까지 광범위하고 정부등록과 당사국회의에서 인정하는 것으로 합의

구 분 설립년도

가입국가

수(2017현재)

목 적

UPOV 1961 75 • 식물품종보호 (품종의 상업적 권리)

WTO/TRIPS 1994 164• 무역장벽을 없앰• 지적재산권의 효과적인 보호• 지적재산권의 합법적 무역에 장벽방지

CBD 1992 196

• 생물다양성의 보존• 자원의 지속적 활용• 이익의 공유(나고야의정서, 2010)•가입국: 196개국 및 유럽연합

ITPGRFA 2001 127• 식물유전자원의 보존 및 지속적 이용• CBD와의 조화상태에서 이익공유

유전자원 및 품종 관련 국제조약

TRIPS : Trade Related Intellectual Property Rights (무역관련 지적재산권협정)CBD : Convention on the Biological Diversity (생물다양성협약)ITPGRFA: International Treaty on the Plant Germplasm Resources for Food and Agriculture

(FAO의 식량 및 농업유전자원에 관한 국제규약)

참고자료(1) CBD (Convention on the Biological

Diversity) (생물다양성협약) https://www.cbd.int/

○가입국: 196개국 및 유럽연합

○ 채택 및 발효 1992.5.22. 채택, 1993.12.29. 발효 (우리나라 1994.10.3. 비준, 1995.1.1. 발효)

○ 목적: 1) 생물다양성의 보전(the conservation of biological diversity)2) 그 구성요소의 지속가능한 이용(the sustainable use of the components of

biological diversity)3) 유전자원의 이용으로부터 발생하는 이익의 공정하고 공평한 공유 (the fair

and equitable sharing of the benefits arising out of the utilization of genetic resources)

• Conference of the Parties (COP) 당사국총회

: Convention’s governing body, 2년마다 정기적 회의• Subsidiary Body on Scientific, Technical and Technological Advice (SBSTTA)• Subsidiary Body on Implementation (SBI)• Working Group on Article 8( j)• Working Group on Protected Areas• The Working Group on the Review of Implementation of the Convention (WGRI)• Open-ended Ad Hoc Intergovernmental Committee (ICNP) for the Nagoya Protocol on ABS

○ 구성

ABS(Access to Genetic Resources and the Fair and Equitable Sharing of Benefits Arising from their Utilization): 유전자원 접근 및 이익 공유

MAT (Mutually Agreed Terms): 상호합의조건PIC (Prior Informed Consent): 사전통고승인

(PIC)

(MAT)

환경부 국립생물자원관, ABSCH 유전자원정보관리센터http://www.abs.go.kr

나고야 의정서: 2010년 10월 29일 일본 나고야에서 열린 제10차 CBD당사국총회에서 채택되었으며, 2014년 10월 12일 발효됨.

나고야 의정서에 따른 ABS 체계 및 절차

○ 나고야 의정서에 따르는 ABS 절차 체계 설명

- 유전자원 이용자가 유전자원에 접근하고자 할때는 해당 유전자원의 제공국이정한 절차에 따라 사전통보승인(PIC)을 받아야 하며,

- 이익의 공유는 유전자원의 제공국과 이용자 간에 체결한 상호 합의조건(MAT)에따라 실시해야 한다.

- 유전자원의 “이용”은 유전자원의 유전적 또는 생화학적 구성성분에 대한연구개발을 수행하는 것을 말한다(나고야 의정서 제2조 다호). 유전자원에 대한단순한 증식·채종·재배 등은 나고야 의정서상에서 의미하는 이용에 해당되지않는다. * 64개 식량/사료작물 보류

<예>우리나라 기업이 중국의 유전자원을 이용하여 신품종을 개발하는 경우

- 연구개발 및 신제품 개발 등의 목적으로 중국의 유전자원을 이용하는 경우에는중국의 국가연락기관를 통해 유전자원에 대한 접근 및 이용절차를 확인한 후, 국가책임기관을 통해 PIC와 MAT를 체결해야 한다.

- 이러한 절차를 통해 중국의 유전자원을 국내로 들여온 뒤 신제품 개발을 위해연구개발을 하더라도 개발에 성공하지 못하거나 상업화에 실패하여 이익을창출하지 못하는 경우, 이 역시 ABS를 할 필요가 없다.

- 신제품을 개발하고 이를 상업화하는 데 성공한 경우에는, 여기서 발생하는이익을 유전자원 제공국인 중국과 공유하여야 한다. 이것이 나고야 의정서를통해 실행하고자 하는 ABS의 핵심이다. 이때 우리나라 기업이 중국과 공유하게되는 이익의 배분방식은 사전에 체결한 MAT에 따라 결정되며, MAT의 합의내용에 따라 이익공유는 금전적 이익과 비금전적 이익을 포함할 수 있게 된다.

○ 제10차 당사국총회(日나고야)에서 채택(2010년 10월) → 우리나라서명(2011년 9월) → 50번째 국가 비준(2014년 7월) → 발효*(2014년10월 12일) → 유전자원법 제정(2017년 1월 17일) → 우리나라비준(2017년 5월 19일) → 유전자원법 시행(2017년 8월 17일)

우리나라 CBD 가입 및 관련 현황

구분 근거 소관부처 주요기능

연락기관 유전자원법제7조

환경부, 외교부 유전자원 이용자와 CBD에 정보 제공

책임기관 제8조 환경부, 미래부, 농식품부, 해수부, 보건복지부

국내 유전자원 접근 신고수리 등 (외국인대상)

점검기관 제13조 책임기관 + 산업부 국외 유전자원 이용의 의부 준수 여부 점검 (자국민 대상)

- ITPGRFA:

• FAO가 주관하는 조약• recognizing the enormous contribution of farmers to the diversity of crops that feed

the world;• establishing a global system to provide farmers, plant breeders and scientists with

access to plant genetic materials;• ensuring that recipients share benefits they derive from the use of these genetic

materials with the countries where they have been originated.

- ITPGRFA에서 유전자원의 접근은 식량과 농업을 위한 연구개발과 신품종 육성 및

교육훈련을 목적으로 하는 것에만 허용되고, 나고야 의정서처럼 사전통보승인(PIC) 및

상호합의조건(MAT) 등의 절차가 필요하지 않다.

- ITPGRFA의 다자체제는 동 조약의 부속서 1에 속한 64개 종의 식량농업식물유전자원에

대해 표준물질이전협약(Standard Material Transfer Agreement: SMTA) 방식으로 ABS가

이루어지도록 하고 있다. ITPGRFA를 통한 ABS 대상은 체약국의 공공부문이 관리하는

식량농업식물유전자원과 FAO 산하 국제농업연구센터(IARC)에서 현지외(ex situ) 수집으로

보존하고 있는 유전자원이다.

- 대상작물: 64작물 (식량 35작물, 사료 29작물)

- 농부권(farmer’s right) 포함

(2) ITPGRFA에 의한 ABS 절차 및 체계(International Treaty on the Plant Germplasm Resources for Food and Agriculture)FAO의 식량 및 농업유전자원에 관한 국제규약

• Plant quarantine restrictions

• Intellectual property rights

• Bio-safety (GMO) concerns

• Bio-piracy claims

Growing Restrictions in

Seed Exchange

Dr. Norman E. Borlaug, 2003