Colorand

GMO

58 BioSafety vol.13 no.2 2012

GMO ALL 바르게빠르게 컬러그리고GMO

상업화된 첫해 120만 ha에서 재배되기 시작한 GMO는 16년이 지난 지금 전 세계 1억 6천만 ha의 농지에서 재배되고 있으며

생산된GMO는우리의생활곳곳에서소비되고있습니다. 이렇게GMO의재배면적이꾸준히증가할수있었던까닭은GM작물이

생산성의증대와경작의편리를제공했기때문으로평가되고있습니다. 그러나GMO는이에머무르지않고특정 양성분이강화된

GM작물, 관상용GM작물등소비자에게도직접적인이익을가져다줄수있는GMO에대한연구개발이진행되고있습니다.

그대표적인예로 양성분이강화된컬러GM작물을예로들수있습니다. 최근들어건강에관심이높아지면서컬러푸드가주목을

받고 있는데 유전자변형기술을 이용하여 식물의 색을 만들어주는 기능성 양소인‘피토케미컬’(Phytochemical)을 생산하는

유전자를 발굴하고 이를 다른 작물에 도입하여 기능이 강화된 컬러 GM작물을 개발하는 것입니다. 컬러 GM작물은 특정 양소

강화를통해빈곤국의질병을예방하거나, 의약품의원료로의사용, 기능성사료의원료가되는등다양한분야에서활용될것으로

예상되고있습니다.

바이오세이프티이번호에서는국내연구진들이개발한컬러알팔파개발을통해컬러GM사료작물개발동향을알아보고, 현재상업

화가진행되고있는황금쌀프로젝트의추진현황을살펴보는자리를통하여컬러GM작물의미래를가늠해보는마련하 습니다.

컬러그리고GMO

비타민A 결핍을극복하기위한황금쌀프로젝트

비타민A 전구체인베타카로틴(β-carotene)을벼종자에서생산

하는 황금쌀 (GoldenRice) 개발이 스위스 연방공과대학의

Ingo Potrykus 교수와독일프라이브룩대학교 Peter Beyer

교수의공동연구로 2000년 사이언스지 1월호에발표되었다.

이런결과는쌀을주식으로하는아시아, 아프리카, 라틴아메

리카 등 최소한 26개국 이상의 나라, 특히 동남아시아의 5세

이하어린이의70%가비타민A 결핍증(avitaminosis A)에의해

고통을 받고 있다는 점에서 주목받았으며, 세계보건기구

(WHO)에따르면, 비타민A 결핍은전세계100여개국이안고

있는건강상의문제이고특히아프리카와동남아시아에서비타

민A 결핍으로예방조치를받지못한어린이들이시력을잃고

있으며, 이는심각한문제가아닐수없다. WHO는또한오늘날

세계에1억이넘는비타민A 결핍아동들이있다고밝히고있다.

해마다이들중25만에서50만에이르는아이들이시력을잃고

있고또한그들중절반가까이의아이들이일년안에죽음을

맞이하는것으로추정된다. 아시아및아프리카에서는거의60만

명에이르는비타민A 결핍여성들이출산과관련해죽는것으로

알려진다. 1998년필리핀에서실시된국립 양조사결과에따

르면,6개월에서5살정도되는어린아이들의8.2퍼센트와임산

부의7.1퍼센트가비타민A 결핍에시달리고있다고한다. 비타

민A 결핍증은인간의면역체계의손상으로일반적인감염증의

유발로 사망에 이르게 할뿐만 아니라, 빈혈, 조혈장애를 유발

하고철분및수송에지장으로임신중에있는임산부를사망

에이르게한다. 이러한문제를해결할수있는방안으로황금

쌀의베타카로틴함유량이쌀 100g당 200㎍정도라고볼때,

매일쌀 300g으로부터하루섭취권장량 (the recommended

daily allowance, RDA) 기준의 1/10 정도의 프로비타민A를

섭취하게되는것이다.

이런개발의첫걸음은1997년광합성능력이없고베타카로틴

등의 카로티노이드(carotenoid)가 전혀 생성되지 않는 식물

조직에서프로비타민A인베타카로틴을합성하기위해수선화

에서분리된phytoene 생합성효소(PSY)를암호화하는유전자

를쌀의배유에발현시킨결과, 종자에서대량의 phytoene이

검출된보고에서시작되었다. 3년후같은그룹에의해이수선화

PSY 유전자에미생물 Erwinia uredovora 유래의 phytoene

불포화 효소 유전자인 CrtI를 추가하여 쌀에 이중 형질전환

시킴으로써벼종자의색깔이황금색으로변한1세대황금쌀이

개발된것이다. 그후임상실험으로텍사스아동병원의부교수로

KBCH 59

황금쌀프로젝트추진현황상업화전망을중심으로

국립농업과학원분자육종과농업연구관서석철

C

60 BioSafety vol.13 no.2 2012

GMO ALL 바르게빠르게 컬러그리고GMO

재직중인그루색(Michael A. Grusak) 박사의연구팀은5명의

건강한성인(남자2명, 여자3명)에게특별한-표식을붙인황금

쌀(deuterium-labeled [2H] β-carotene)을 일정량 섭취하게

한후, 비타민A인레티놀의혈중농도를측정하여황금쌀에포함

된 베타카로틴의 4개 단위가 인간에서 1개단위의 비타민A로

변한다는사실을사람을대상으로한연구를통하여증명하 다.

또한 미국 Baylor 의과대학(www.bcm.edu)과 Tufts 대학의

연구팀이2009년5월13일자로공개된미국임상 양학회지를

통해발표한연구논문에따르면, 소위“황금쌀”이라고불리는

유전자변형작물에함유된베타카로틴 (beta-carotene)이인간

에서비타민A로효율적으로전환된다고한다.

이렇게개발된황금쌀에대한연구는 2003년마이크로소프트

회사의 Bill & Melinda Gates 재단의 후원으로 4년간 약

5,000만불의연구비가지원되는다국적HarvestPlus 과제로

발전되었고, 2004년에는전세계적으로연간약백만명에이

르는어린이들이기아에의한비타민A 결핍질병으로고통을

받고 있는 현실을 해결하고자 세계 유수의 생명공학 회사인

Syngenta의참여로인도주의적의도를바탕으로한“Golden

Rice-The Way Forward"라는 타이틀을 걸고 Humanitarian

Board를결성하 다. 이들은2002년선발된황금쌀크린이벤

트가 2004년미국루이지에나를비롯한전세계에서첫필드

수확되는기쁨을누렸다. 황금쌀의베타카로틴함량을높이려는

연구도계속진행되어 2005년 4월Nature Biotechnology지

에서1세대황금쌀에비해베타카로틴함량이23배나증가되어

쌀100g당최고3.7㎎의베타카로틴이축적된제2세대황금쌀

이 보고되었다. 이 연구를 주도한 신젠타 연구팀은 수선화

PSY 유전자대신벼, 옥수수, 토마토, 고추유래의 PSY 유전

자를이용한결과중에서옥수수PSY 유전자가도입된형질전환

벼에서이런괄목할만한결과를도출해내었으며, 이는1세에서

3세 어린이의 비타민A 하루 섭취 권장량이 300㎍ 정도임을

감안할때, 매일2세대황금쌀72g 정도면충분한프로비타민A

섭취가가능하게된것이다.

세계각국의황금쌀개발과상업화추진현황

황금쌀은 1990년 스위스의 과학자인 포트리쿠스(Ingo

Potrykus) 박사에 의해 인디카 벼 IR64의 형질을 전환시켜

동남아시아대부분에적응할수있는새로운벼품종을만들어

낸것으로안구건조증등의풍토병을앓고있는빈곤지역사람

들의 양성시각상실을예방할수있을정도의필요한비타민

A를주식인쌀을섭취함으로써얻을수있을것이라고기대를

받았었다. 황금쌀의 실용화를 위한 첫 번째 걸음으로 필리핀

농무부는농민들의소득증가와주민들의건강에미치는위험을

줄이기위해GM작물특히황금쌀(Golden Rice)의상업화계획

을지속적으로추진하 다. 농무부생명공학프로그램실행팀

(Biotechnology Program Implementing Unit; BPIU)의

팀장인Candida Adalla는GM작물을재배하면농민들은소득

이 증가하고 정부에게는 양실조와 다른 질병을 예방할 수

1세에서 3세어린이의비타민A 하루섭취권장량이 300㎍

정도임을감안할때, 매일2세대황금쌀72g 정도면충분한

프로비타민A 섭취가가능하게된것이다.

0

L

KBCH 61

있는최선의수단이라고하여필리핀에서황금쌀이상업화되

어야하는 당위성을 주장하 다. Adalla는 황금쌀의 유전자는

지역에서많이재배되는프로비타민A의생화학적대사경로를

활성화시키는데필요한모든유전자를가지고있는Psb Rc82

품종에 쉽게 도입될 수 있다고 설명했다. 농무부는 황금쌀을

생산하기위해PhilRice(Philippine Rice Research Institute;

PRRI), 농무부 BPIU, 국제쌀연구소(International Refugee

Rights Initiative; IRRI)등여러연구소들이협력하 고, 그밖

에도 Helen Keller International, Bill and Melinda Gates

Foundation, Rockefeller Foundation, Us Agency for

International Development등여러기관들이황금쌀개발에

기여하 다. ISSA의설립자이자현의장인Clive James 박사

는 농무부-필리핀 쌀 연구소(DA-PhilRice)와 국제쌀연구소

(IRRI)가 공동으로개발한 1세대황금쌀의시험재배가 2008년

에이루어졌고2세대품종인GR2의시험이수행되었으며2013

년에는안전성심사에통과할수있는시험자료가확보될것이

라 말하 다. IRRI는 2013년 인도에서 상업적 재배를 위해

황금쌀의 출시를 준비 중에 있으며 현재 필리핀, 방 라데시,

인도, 인도네시아, 베트남의토착벼품종들과교배중에있어

생산량과병충해에대한저항성및환경에미치는 향이여타

다른작물들과비교하여도손색이없도록개량중에있다.

인도에서황금쌀의개발은3단계로구분할수있는데첫째로는

2003년 카로테노이드 유전자가 함유된 Taipei 309를 도입

하 지만 마커제거 재료가 이용 가능하므로써 황금쌀 연구가

잠시중단되었다가다시2004년높은카로테노이드함유재료

가포함된Tapei 309와 IR64 여교잡1)이수행되는연구가진행

되었다. 현재는 2006년 확보된 Kaybonnet와 2010년 말에

IRRI에서IR36과IR64 통해서개발된GR2R을사용황금쌀을

개발하여현재포장시험연구를수행중이다. 확보된황금쌀과

교배실험으로는 침수에 강한 품종, 세균병인 흰빛잎마름병에

강한품종그리고철분성분이강화된품종을사용하여상업화를

위한개발연구를진행하고있다.

방 라데시에서의 황금쌀 개발은 먼저 필리핀 소재 국제미작

연구소(IRRI)가 방 라데시에서 가장 생산성이 높은 BRRI

Dhan 29벼품종에옥수수에서유래한베타-카로틴합성유전

자를 도입해 개발하 고, IRRI에서 포장시험을 성공적으로

마무리하 다. 방 라데시는이렇게개발된비타민A가강화된

황금쌀의포장시험을진행하고있고올해내로GM작물인황금

쌀의상업화를위한모든필요한시험을마칠수있을것이라

하 다. 황금쌀은현재대량양산체제에들어가기전에온실과

포장시험을수행중에있으며이러한일이순조롭게진행된다면,

방 라데시는앞으로4년내로국민들이가장많이먹는식품인

쌀을매개로 양분이강화된황금쌀을개발하여출산을앞둔

임산부와어린이들의비타민A 결핍증에대처할수있게될것

이다. 방 라데시 미작 연구소(Bangladesh Rice Research

Institute; BRRI) 연구진들은 농업경제성 평가, 생물안전성,

알레르기 관련 실험들, 그리고 황금쌀 내 비타민A 유용성에

관한몇가지실험이진행되면, 황금쌀의제한적재배가정부의

01) 여교잡(Backcross) : 퇴교잡이라고도함.

잡종제일대와 처음 교잡에 사용한 어느

한쪽의교잡.

62 BioSafety vol.13 no.2 2012

GMO ALL 바르게빠르게 컬러그리고GMO

승인을거쳐가능해질것이라고말했다. Joydebpur 소재방

라데시 미작 연구소(BRRI)의 선임 식물유종가인 Alamgir

Hossain은세계보건기구(WHO) 발표한전세계적인비타민A

결핍증과관련된자료에의하면, 방 라데시에서는취학전아동

다섯명중한명이비타민A 결핍증이며23%의임산부들도고통

을 받는데 황금쌀 시판이 될 경우 하루 150g의 섭취만으로도

이러한문제를해결할수있다하여현재실용화연구에박차를

가하고있다.

그러나황금쌀개발에서얻는교훈과문제점은GMO제품개발

에서 출시까지 소요되는 막대한시간과 비용 때문에 공공부문

이나중소기업에서투자하기어려운데그결과재정적여력이

있는소수대기업에서GM제품을사실상독점하는현상이나타

나게된것이다. 특히개발도상국에서, 그리고소외된작물에서

수많은공공GMO 프로젝트가진행되고있지만, 상품화하기는

어려운상황이다. 이러한상황으로인해GMO 개발프로젝트를

진행할수없는가난한국가에서는생명과후생이라는측면에

서 피해가 발생하고 있으며, 또한 지나친 사전예방적 원칙에

근거하여 전 세계적으로 마련된 GMO규제 시스템은 과학적

근거가 부족하여 공공 이익을 위해 GM작물개발에 걸림돌이

된다고말할수있다. 지나친사전예방적규제를지속하는한,

유전공학기술은개발목표에도달하기어렵다. 규제에대한예를

들면인도와중국에서는규제와규제비용에대해조사가진행

되었는데그결과규제에필요한비용이너무많이들어이는

소비자에게전가될수있음을시사하고있음을 알수있다.

황금쌀의향후추진전망

쌀은전세계인구중약35억이섭취하는주된주곡이며대부

분이아시아에서경작되고주식으로이용된다. 국제식량농업

기구인 FAO(Food and Agriculture Organization)의

2012~13년전망보고서에서올해전세계적으로생산벼는전년

대비1.7% 증가한약7억3천2백만톤, 도정쌀4억8천8백만

톤에이르며한국, 일본및중국에서생산되는쌀의양은헥타르

당6톤가량이생산되고있으나아프리카에서는헥타르당1톤

에도못미치는것으로보고하고있다. 개발도상국에서의식량은

아직까지도몇몇주곡에의존하고있으며그에따라주 양소

및 무기염류 등의 부족으로 양의 불균형을 이루고 있다.

예로써쌀의경우지방과단백질, 비타민, 무기염류등의부족

R

G

KBCH 63

으로인해쌀만을주로섭취하는개발도상국에서는 양불균

형으로인한 양실조가심각한질병과기아로이어지고있다.

전세계적으로약2억5천만이상의아이들이심각한비타민A

의결핍에처해있고매년50만명의아이들이비타민A 결핍에

의한각기병에고통받고있다. 뿐만아니라100만명에가까운

사람들도해마다비타민A 결핍과 양부족으로사망에이르고

있다. 이러한다수나라에서쌀은주요식량이며, 하루칼로리의

80% 이상을 차지하고 있다. 가장 대중적으로 소비되고 있는

쌀인백미는베타카로틴또는다른형태의비타민A 전구체를

함유하고있지못하며, 뿐만아니라철이나아연과같은다른

미세 양성분에대한 양공급원으로써의역할도제공하지못

한다. 특히도정된쌀은베타카로틴혹은그전구체를가지고

있지않기때문에최근까지쌀에비타민A를생산한다는것은

불가능한일이었으나2세대황금쌀배유에생산된베타카로틴

은쌀약100g 정도면아이들의하루섭취권장량에충분한양

으로서인체내에서비타민A로전환시킬수있기때문에매우

안전하고효과적인비타민A 공급원이될것이다.

황금쌀, 베타카로틴을더많이함유한유전자변형쌀인황금쌀

은 10년여 동안 필리핀과 방 라데시에서 안전성시험을 위해

계속노력하고있다. 앞에서언급하 듯이국제쌀연구기관인

국제미작연구소(IRRI)는황금쌀의형질을가진IR64의품종을

이용하여 필리핀의 변종 PSBRc82와 방 라데시의 BRRI

Dhan 29을포함한아시아거대변종을개발하는데성공했다.

2011년에는필리핀쌀연구기관(PhilRice)은황금쌀의형질을

가진 PSBRc82에 대해 한정된 현지 시험 재배를 실시했다.

IRRI 과학자들은 GR형질을 가진 방 라데시 변종을 방 라

데시 미작 연구소(BRRI)와 한정된 현지 시험재배를 함께 할

계획이다. 이러한일련의현지시험재배와안전성규정을수

행하기위한시험들은 2013년 필리핀정부에, 2015년 방 라

데시 정부에 각각 심사서를 제출하여 상업화를 위한 승인을

진행 중에 있다. 2013/14로 전망되는 필리핀의 유전자변형

황금쌀승인은중국과베트남그리고방 라데시에서이작물

의확산전망과연계하여생산물평가결정차원에서신중하게

고려되고있다.

황금쌀이주목받는까닭은소비자에게곧바로혜택이돌아가기

때문이다. 지금까지나온많은GM작물은사실공급자중심으로

개발됐다. 제초제나해충에잘견디게만들어재배를쉽게하

거나생산량을늘려공급자가더많은이익을얻게했다. 이에

비해황금쌀은비타민A가부족해야맹증이나빈혈 양실조등

여러질병에시달리는사람들에게직접적인도움을줄수있다.

최근의 황금쌀 품종은 기존 황금쌀 품종들과 더불어 가난한

사람들사이에서비타민A 결핍을극복하는데있어도움을줄수

있는새로운도구로기대를모으고있다. 이러한황금쌀개발

노력은아직까지GMO에대해부정적인일반인들의의식변화

에 큰 향을 끼침과 동시에 최초의 양강화 GM식품으로써

생명공학 기술을 기아해결 및 질병예방을 위한 전 세계적인

평화운동으로진일보시킨큰업적임을믿어의심치않게한다.

M O황금쌀은 비타민A가 부족해 야맹증이나 빈혈 양실조 등

여러 질병에 시달리는 사람들에게 직접적인 도움을 줄 수

있다.

64 BioSafety vol.13 no.2 2012

GMO ALL 바르게빠르게 컬러그리고GMO

1. 생명공학기술을이용한사료작물연구동향

최근세계적인유전자변형생물체(GMO) 개발추세에맞춰, 우리

나라에서도생명공학기술을이용한형질전환사료작물개발에

관한분자육종연구가활발하게추진되고있다. 사료작물의분

자육종방법은조사료2)의생산성(수확량)을향상시키고생산효

율을증진할수있는잠재력을가지고있다. 또한사료작물분

자육종을 위한 필수적인 조직배양기술, 형질전환 기술, 새로운

선발마커개발및유용유전자개발등은미래농업분야의핵심

기술이되고있다.

사료작물의분자육종방법은전통육종방법에의해진행되어오던

농업분야에새로운개념의육종방법을제시할수있으며, 전통

육종과 분자육종 기반기술의 접목을 통한 육종의 효율 증진을

통해 앞으로 사료작물의 품질개선과 생산성 증대에 획기적인

전기를마련해줄것으로기대된다.

생명공학기술을이용한신품종사료작물개발을위해서는조직

배양기술과형질전환기술의확립이필수적인요소이다. 사료

작물의조직배양기술은우량종묘생산, 유용물질생산, 유용유

전자도입을통한저항성및기능성신품종개발등의목적으로

널리이용되고있다. 유용유전자도입에의한사료작물형질전

환기술은고온, 냉해, 가뭄, 병충해등환경재해저항성및기타

유용형질도입을통한신품종개발을가능하게한다.

미국, 캐나다, 호주등을비롯한축산선진국에서는목초및사료

작물 육종 목표를 소화율 향상, 병저항성, 환경재해 저항성에

두고이에관한활발한연구가진행되고있으며또한최근에는

특수형질강화 기능성 품종 개발을 위한 많은 연구가 활발하게

진행되고 있다. 국내에서는 목초 품종개발 연구를 농촌진흥청

국립축산과학원을 중심으로 1970년대부터 시작하여 지금까지

축적된전통육종기반기술정보를활용하여다양한특성의우량

육종모재 선발 및 신규계통 합성을 통해 국내기후에 적합하고

속성과사료가치가높은목초신품종개발에관한연구가활발

하게진행되고있다. 최근에는기존의관행육종법으로기대하기

어려운리그닌대사조절을통한가축의소화율향상, 특정 양

성분강화및기능성물질생산작물개발등을위하여분자육종

기술을 병행하여 고부가가치 유용물질 생산 목초 개발을 통해

동물항생제대체와가축질병예방조사료자원으로활용하고자

하는연구가활발히진행되고있다.

향후 생명공학 기술을 이용한 사료작물 분자농업(Molecular

farming) 기술은풀사료만먹으면가축의질병을예방하고사료

작물을이용하여바이오의약품생산및기능성소재생산등이

가능하게되는획기적인전기를가져다줄것이다.

GM 사료작물개발과안토시아닌생산기술

국립축산과학원축산자원개발부이상훈한국생명공학연구원바이오소재연구소김차

C

KBCH 65

Species Current name Genebank number CDS(bp) Protein(aa)

Arabidopsis thaliana PAP1 AF325123 747 248

Arabidopsis thaliana PAP2 NM_105310 750 249

Solanum lycopersicum ANT1 AY348870 825 274

Petunia hybrida AN2 EF423868 768 255

Capsicum annuum A AJ608992 789 262

Vitis vinifera VvMYB1a AB242302 753 250

Zea mays P AF292540 1131 376

Oryza sativa C1 Y15219 819 272

Ipomoea batatas IbMYB1 AB258985 750 249

Antirrhinum majus ROSEA1 DQ275529 663 220

Gerbera hybrid GMYB10 AJ554700 753 250

Picea mariana MBF1 PMU39448 1167 388

Malus domestica MdMYB10 EU518249 729 243

Malus domestica MdMYB1 DQ886414 732 243

Malus sylvestris MsMYB10 EU153573 732 243

Cydonia oblonga CoMYB10 EU153571 738 245

Eriobotrya japonica EjMYB10 EU153572 741 246

Mespilus germanica MgMYB10 EU153574 738 245

Pyrus communis PcMYB10 EU153575 735 244

Pyrus pyrifolia PpyMYB10 EU153576 735 244

Pyrus x bretschneideri PbMYB10 EU153577 735 244

Prunus armeniaca ParMYB10 EU153578 732 243

Prunus insititia PiMYB10 EU153579 732 242

Prunus domestica PdmMYB10 EU153580 714 237

Prunus avium PavMYB10 EU153581 735 244

Prunus cerasus PcrMYB10 EU153582 678 225

Prunus cerasifera PcfMYB10 EU153583 732 243

Prunus dulcis PdMYB10 EU155159 678 225

Prunus persica PprMYB10 EU155160 675 224

Prunus salicina PsMYB10 EU155161 732 243

Fragaria x ananassa FaMYB10 EU155162 702 233

Fragaria vesca FvMYB10 EU155163 705 235

Rosa hybrida RhMYB10 EU155164 750 249

Rubus idaeus RiMYB10 EU155165 654 217

표1.안토시아닌생산조절유전자(BMC Plant Biology, Lin-Wang et al. 2010, 10:50)

O

유용유전자도입에의한사료작물형질전환기술은고온, 냉해, 가뭄, 병충해등

환경재해저항성및기타유용형질도입을통한신품종개발을가능하게한다.

2) 조사료 [ roughage , 粗飼料 ] : 목초, 건초, 사일리지, 옥수수, 파, 씨있는과일의껍데기등섬유질〔(조섬유) 함량이높다〕로, 에너지

함량(가소화양분함량)이적은사료. 가축, 특히초식동물의사료

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2. 생명공학기술을안토시아닌생산연구현황

많은 식물의 기관과 조직들은 안토시아닌(anthocyanin)이나

카로티노이드(carotenoid)와같은색소(pigment)의합성과축적

으로여러가지색을나타낸다. 식물에서수백종이상이발견

되고 있는 안토시아닌은 수용성의 플라보노이드(flavonoid)계

식물색소의 일종으로 식물체의 꽃, 과실, 줄기, 잎, 뿌리 등에

함유되어있다. (표1)

식물성 천연색소인 안토시아닌은 세포질 혹은 액포 내에 배당

체로존재하고있으며세포액의산성농도, 색소화합물의화학적

구조, 여러 금속이온들과의 결합 상태 등에 의해 자색, 적색,

청색등의다양한색을발현하는색소이다. 또한항노화, 항균,

항돌연변이, 항콜레스테롤, 항궤양, 항산화, 시력보호등다양

한생리활성기능이있는것으로알려지고있는데, 특히항산화

(antioxidant) 활성의경우비타민계열, 카로틴계열및셀레늄

등의 항산화제 중에서 최고의 효과가 있으며 천연 항산화제인

토코페롤보다 5~7배의 강한 항산화 활성을 나타내는 것으로

알려져있다. 현재안토시아닌은그것의갖는여러생리활성으로

인하여건강기능성식품, 화장품, 의약품, 천연염료등에도활용

되는것으로알려져있다. 지금까지안토시아닌이용에관한연구

는 주로 색을 자유자재로 변화시키려는 화훼나 과수분야에서

주로이루어져왔지만, 최근에는기능성작물에대한관심이높아

지면서식량작물과채소분야는물론나아가잔디나사료작물에

서도연구가행해지고있다.

생명공학기술의발전을통하여안토시아닌의신규생리활성구

명, 안토시아닌 생합성에 관련된 유전자의 분리 및 기능 구명,

식물체로부터 안토시아닌의 분리 방법에 관한 연구가 활발히

진행되고있다. 그결과식물체의색소합성조절메커니즘구명을

통해 식물체에서 원하는 색소를 대량으로 생산하는 것이 가능

하게되었다.(그림1)

분자농업의발달로다양한식물유전자원의조직배양과현탁배양

등을통해서안토시아닌(anthocyanin), 베타시아닌(betacyanin)

및시코닌(shikonin) 등천연색소에관한연구가활발하게진행

되고있다. 게다가안토시아닌색소에관한연구는색소정제법의

발달과 핵자기공명분광법(nuclear resonance spectroscopy,

NMR), 질량분석법(mass spectrometry, MS) 등을이용한기계

분석의발전과안토시아닌구조분석및관련유전자메커니즘의

그림 1.플라보노이드(flavonoid)계 생합성경로L

KBCH 67

연구가 진행되고 있어 안토시아닌에 관한 연구 분야는 원예,

식품, 작물육종등의분야에이르기까지폭넓은연구가진행되

고있다. 현재안토시아닌에관한기능성작물개발연구는새

로운시대에접어들었다고볼수있는데색소대량생산을위해

서는안정된색소를얻을수있는생산공정, 색소추출, 정제등

에관한연구가좀더체계적으로이루어져야한다.

3. 생명공학기술을이용한안토시아닌생산컬러알팔파사료작물개발

식물에서 안토시아닌 대량 생산 시스템을 구축하기 위하여

다양한작물로부터안토시아닌생합성유전자를분리하여모델

식물인담배를이용하여안토시아닌생산을조사하 다. 다양한

식물유래의R2R3 유형MYB 전사인자의과발현에의한담배

잎에서안토시아닌생성여부를조사한결과, 고구마및토마토

유래의 MYB 전사인자는 안토시아닌 합성을 증가시켰지만,

감자, 애기장대및포도유래의MYB 전사인자는안토시아닌

합성을 증가시키지 못하 다.(그림 2) 또한 고구마 유래

IbMYB1a 유전자의 담배 일시적 발현을 통하여 안토시아닌

생합성관련유전자발현증가및안토시아닌색소생성을유도

함을 관찰 하 다(Kim et al., Physiologia Plantarum 139:

229-240, 2010). 이처럼식물유래R2R3 유형MYB 전사인자

의안토시아닌색소생성여부의차이는아마도안토시아닌생합

성 조절에 관련된 co-activator 전사인자 bHLH (MYC)의

의존성 때문인 것으로 생각된다. 고구마 유래의 IbMYB1a 및

토마토 유래의 SlANT1 전사인자는 담배 식물체에서 bHLH

co-ativator 전사인자비의존성으로MYB 전사인자단독발현

으로안토시아닌생합성을유도할수있음을보여준다. 따라서

분자육종을위한관점에서볼때IbMYB1a 및SlANT1 전사인

자와같은유전자의사용이안토시아닌생합성조절을위해더

욱유리함을알수있다.

그림2. 식물유래의MYB 전사인자의과발현에의한안토시아닌생성여부조사

1. Control (pCAMBIA2300)

2. 35S-IbMYB1a(고구마)

3. 35S-StAN6(감자)

4. 35S-AtPAP1(애기장대)

5. 35S-VrMYB5a(포도)

6. 35S-SlANT1(토마토)

O R

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안토시아닌색소합성유전자가도입된담배개체에서색소합성

에관련한구조유전자의발현이어떻게변화되었는지를살펴

보기위해서, 비형질전환대조구와IbMYB1a 유전자가도입된

형질전환담배식물체의잎조직을이용하여총 RNA를분리

하여 cDNA를 합성하여 담배 식물체에서 안토시아닌 생합성

관련유전자를대상으로RT-PCR를수행하 다. 3가지종류의

프로모터 조절하에서 IbMYB1a 유전자의 과발현에 의하여

담배 안토시아닌 생합성 주요 관련 유전자들 (CHS, ANS,

DFR)의 발현이 대조구에 비해 크게 증가됨을 알 수 있었

다.(그림 3) 이러한 실험결과를 바탕으로 고구마 유래

IbMYB1a 유전자 발현이 담배 안토시아닌 생합성 유전자인

CHS, ANS, DFR 등을 전사적 수준(transtriptional level)

에서 조절함으로써 담배에서 안토시아닌 생성을 증가시키는

것으로생각된다.

비형질전환대조구및형질전환담배식물체 (d35S-IbMYB1a

-OX, SPO-IbMYB1a-OX 및 SWPA2-IbMYB1a-OX)를

대상으로총안토시아닌의함량을분석하 다. 비형질전환대조

구및각각의형질전환담배식물체 3개씩의식물체를샘플링

하여 안토시아닌을 추출하 고, 안토시아닌 함량을 흡광광도

계를 이용하여 분석한 결과 대조구에 비해 안토시아닌 색소

합성 유전자 IbMYB1a가 도입된 담배 개체의 잎에서 d35S-

IbMYB1a-OX 라인, SPO-IbMYB1a-OX 라인 및 SWPA2-

IbMYB1a-OX 라인은각각265배, 620배및 485배의안토시

아닌이증가하 다. 이로써안토시아닌색소합성유전자가도입

된 형질전환 담배 식물체가 안토시아닌을 대량생산함을 확인

하 다.(그림4)

고부가가치유용물질생산목초개발을통해가축질병예방및

항생제대체조사료자원으로활용하기위하여대표적인두과

목초인알팔파에안토시아닌대량생산형질전환알팔파를개발

하 다. 담배식물체를이용해안토시아닌생산기능이검정된

고구마 유래 IbMYB1a가 도입된 식물 발현벡터(pCambia

2300)를제작하여형질전환알팔파식물체를개발하 다. 선발

된 각각의 형질전환된 알팔파 식물체는 비형질전환 대조구와

비교하여유식물체에서는외형적인표현형의차이가크게나타

났다. IbMYB1a 유전자가 도입된 알팔파 식물체의 경우에는

잎, 줄기, 뿌리등에서안토시아닌색소의축적을눈으로확인

할수있었다.(그림5)

그림3. IbMYB1a 유전자의 과발현에 의한 안토시아닌 합성 관련 구조 유전자

발현조사(RT-PCR). 35S, CaMV 35S promoter; SPO, sweetpotato sporamin promoter;PA2, sweetpotato anionic peroxidase2 promoter

그림4. IIbMYB1a 형질전환담배식물체의잎에서전체안토시아닌함량분석

G

KBCH 69

개발된안토시아닌생산형질전환알팔파식물체3개씩의식물

체를샘플링하고 안토시아닌을추출하여각시료의전체안토

시아닌 함량을 측정한 결과, 안토시아닌 색소합성 전사인자

유전자가도입된d35S-IbMYB1a-OX 알팔파개체에서는개체

간의차이는있으나대조구대비약74-129배정도많은안토

시아닌을대량생산함을확인하 다.(그림 6) 또한개발된안토

시아닌생산컬러알팔파는재배되는환경에따라다양한환경

조건에따라보라색, 검은색, 붉은색계통의칼라색깔을나타

내었다. 따라서안토시아닌생합성IbMYB1a 유전자는환경위

해성및인체위해성논란이되고있는미생물유래의항생제및

제초제 저항성 선발마커 유전자 등을 대체할 수 있는 친환경

색소선발마커로활용할수있으며, 나아가실험동물및가축

급여 실험 등 향후 실용화 연구를 통해 기능검정 후 조사료

신소재자원으로활용함은물론, 경관이나특수전시등의어메

니티(amenity) 자원과천연염색제, 천연첨가제등으로활용

할수있을것으로기대된다.

다음세대의GMO 사료작물은단순한환경재해및제초제저항

성을넘어서서특정 양또는기능성을향상시켜부가가치를

증가시킨신품종이지속적으로개발되고상업화될것이다.

그림5. 안토시아닌생산형질전환알팔파개발과정및배양

그림6. IIbMYB1a 형질전환알팔파식물체의잎에서전체안토시아닌함량분석 OM

안토시아닌생산알팔파개발

안토시아닌생산알팔파캘러스

안토시아닌생산알팔파증식

안토시아닌생산알팔파캘러스현탁배양