16.16: 형질전환 식물

형질전환이라고 불리는 재조합 DNA 기술은 종종 유기체에서 외래 유전자를 추가하거나 해로운 유전자를 제거하는 데 사용됩니다. 이러한 유전자 변형 유기체를 형질전환 유기체라고 합니다.

최초의 형질전환 식물은 1983년에 개발된 담배 식물로 담배 모자이크 바이러스에 대한 저항성을 보였습니다. 이후, 작물의 농업적, 관상적, 원예적 가치를 향상시키기 위해 많은 형질전환 식물이 개발되어 상품화되었습니다. 형질전환 식물은 경제적으로 중요한 대사물질이나 단백질을 생산하기 위한 생물반응기로도 사용될 수 있습니다.

유전자를 식물에 전달하는 물리적 방법

외래 유전자를 식물 원형질체로 전달하기 위해 전기천공법 및 미세투사체 폭격과 같은 많은 방법을 사용할 수 있습니다. 전기천공 중에 장치는 원형질체 현탁액에 고전압 펄스를 전달합니다. 이는 원형질체의 투과성을 증가시켜 외래 DNA가 세포 안으로 들어가 식물 게놈에 통합되도록 합니다.

대조적으로, 미세발사체 충격 또는 생물학적 방법 동안, 텅스텐 또는 금으로 만들어진 구형 입자(미세발사체)는 관심 유전자를 운반하는 플라스미드로 코팅됩니다. 코팅된 입자는 입자 총이라는 장비를 사용하여 300~600m/s로 가속됩니다. 이 장비는 고압 헬륨 가스를 사용하여 플라스미드로 코팅된 입자가 식물 세포벽을 관통하는 데 도움이 되는 추진력을 제공합니다. 관심 있는 유전자가 세포 내부로 들어가면 식물 게놈에 통합됩니다. 이 방법은 캘러스 배양, 분열 조직, 미성숙 배아, 식물 세포 현탁액 등에 DNA를 도입하는 데 사용할 수 있습니다.

형질전환 식물의 응용

재조합 DNA 기술은 해충 및 바이러스 저항성 식물을 개발하는 데 널리 사용됩니다. 이 기술은 종자의 지질, 전분, 단백질 함량을 변경하는 데에도 도움이 됩니다.

예를 들어, 황금쌀은 영양가가 향상된 유전자 변형 벼입니다. 이 형질전환 쌀은 비타민 A의 전구체인 베타카로틴을 생산하여 황금색을 띕니다. 이는 아그로박테리움 매개 DNA 형질전환에 의해 생산되는데, 여기서 파이토엔 합성효소, 파이토엔 불포화효소, 리코펜 베타시클라제 효소를 암호화하는 세 가지 유전자를 운반하는 재조합 DNA가 표적 쌀 배아의 게놈에 삽입됩니다. 그러면 배아는 베타카로틴을 생산하는 식물로 성장합니다. 황금쌀은 개발도상국의 비타민 A 결핍을 해결하기 위해 개발되었습니다.

Bt 목화와 같은 일부 다른 형질전환 식물은 토양에서 발견되는 그람 양성 박테리아인 바실러스 튜린겐시스 박테리아에서 분리된 유전자를 삽입하여 변형되었습니다. 이러한 형질전환 식물은 해로운 곤충을 죽이는 결정 또는 "울음" 단백질을 생산하여 식물을 곤충에 저항하게 만듭니다.

형질전환 식물은 식물의 게놈에 외래 유전자를 도입하여 생산됩니다. 이러한 식물은 바이러스 또는 해충 저항성, 더 높은 수율 또는 치료용 단백질 생산을 포함한 다양한 이유로 개발될 수 있습니다.

형질전환 식물을 생산하기 위해, 관심 유전자와 그 프로모터를 폴리에틸렌 글리콜을 함유한 배지에서 둘 다 배양하여 세포벽이 없는 식물 세포인 식물 원형질체에 도입합니다.

재조합 원형질체는 성장 조절제와 영양분이 있는 상태에서 무균 배지에서 배양됩니다.

원형질체의 세포는 무한정 성장하여 굳은살이라고 하는 미분화 세포 덩어리를 생성합니다. 전분화능 세포(totipotent cell)라고 하는 굳은살의 일부 세포는 새로운 싹과 뿌리를 만들어 완전히 새로운 식물로 자랄 수 있습니다.

형질전환 식물은 토양에서 발견되는 그람 음성 박테리아인 Agrobacterium tumefaciens라는 박테리아를 사용하여 만들 수도 있습니다. 이 박테리아는 일반적으로 식물에서 질병을 일으키는 병원체이며 식물 세포 게놈에 통합될 수 있는 Ti-플라스미드를 포함합니다.

Ti 플라스미드는 숙주 세포 게놈에 삽입할 수 있는 T-DNA 또는 전달 DNA 영역과 숙주 세포로의 T-DNA 전달을 돕기 위해 독성 영역이라는 두 가지 관심 영역을 가지고 있습니다.

이 플라스미드는 T-DNA 영역에 원하는 유전자와 항생제 내성 유전자를 삽입하여 플라스미드 함유 유기체의 선택적 증식을 가능하게 함으로써 변형됩니다. 그런 다음 재조합 플라스미드를 전기 펄스를 가하여 박테리아에 삽입하여 세포 투과성을 높이고 플라스미드가 박테리아로 흡수될 수 있도록 합니다.

재조합 플라스미드를 운반하는 Agrobacterium tumefaciens는 항생제를 함유한 배양 배지에서 성장합니다.

토마토 식물의 자엽 마디와 같은 식물 부분은 박테리아가 포함된 배지에서 절단되어 배양됩니다.

줄기 노드의 가장자리에 있는 상처 입은 식물 세포는 박테리아를 유인하는 화합물을 방출합니다. 박테리아는 식물을 감염시키고 재조합 플라스미드를 방출한 다음 외부 유전자를 식물 세포 게놈으로 전달합니다.

재조합 DNA와 항생제 내성 유전자를 가진 형질전환된 세포만이 항생제를 함유한 배지에서 살아남습니다.

형질전환된 세포는 이제 굳은살을 형성하고 전이유전자를 운반하는 새로운 형질전환 식물로 발달합니다.