The Cross Ability and the Phenotypic Characteristics of F₁ Hybrid in the Interspecific Crosses between Brassica napus and B. campestris, B. rapa

Brassica 속 식물 내 종간교잡에 따른 교잡효율 및 F₁잡종의 표현형질

Abstract

Interspecific crosses between rapeseed (Brassica napus L.) and chinese cabbage (B. campestris var. pekinensis Makino) and turnip (B. rapa L.) were made in order to examine the cross possibility and morphological phenotype of $F_1$ hybrid. The growth of pollen tube of cross between rapeseed and chinese cabbage was more rapid than cross between rapeseed and turnip. Silique formation and seed setting in silique were relatively high in the cross between rapeseed and chinese cabbage. The percentage of silique set from interspecific cross between rapeseed and chinese cabbage was 90.6% and higher 23.3% than the percentage of silique from interspecific cross rapeseed and turnip. The average number of seed per silique obtained from the cross rapeseed and chinese cabbage, and rapeseed and turnip reached 15.5 and 11.6, respectively. The morphological phenotypes of $F_1$ hybrid plants obtained from seeds in the cross between rapeseed and chinese cabbage resembled rapeseed mainly, but leaf length and leaf width were increased. The size, shape and lobation of leaves of $F_1$ hybrid plants from interspecific cross between rapeseed and turnip were intermediated between their parent species, but color of leaves was dark-green.

본 연구는 유채-MS를 이용하여 배추와 순무 등을 화분친으로 활용 잎의 모용이 없는 유채 잎에 배추와 순무의 엽색과 엽형을 도입하여 소비자가 선호하는 새로운 형질을 갖춘 엽채소의 작출 가능성을 검토하고자 실시하였다. 교배효율에 영향을 미치는 인공수분 후 주두 위에서의 화분발아나 화분관 신장은 유채-MS와 배추간 종간 교배 조합에서 유채-MS와 순무간 종간교잡보다 빠르게 진행되었으며, 유채-MS와 배추간 종간교잡에서의 결협율이 90.6%로 유채-MS와 순무의 교배 결협율 67.3% 보다 23.3% 정도 높게 나타났으며, 협당결실립수는 각각 15.5립, 11.6립으로 나타나 유채-MS와 배추간의 종간교잡 효율이 높았다. 유채-MS와 배추의 종간교잡 $F_1$ 잡종의 표현형질의 특성은 주로 모계인 유채와 비슷하였으며 엽색은 밝은 녹색으로 양친의 중간형을 나타냈고 모용은 적게 분포되어 있었으며 엽수는 10.2매, 엽장은 27.5 cm, 엽폭은 14.0 cm로 잎의 길이와 넓이가 유채에 비하여 커졌다. 유채-MS와 순무의 종간교잡 $F_1$ 잡종의 엽수는 9.6매, 엽장은 21.6 cm, 엽폭은 10.6 cm로 잎의 크기, 형태 및 결각 등은 양친의 중간형을 나타냈으며 엽색은 모본인 유채와 비슷하거나 좀 더 짙은 녹색이었고, 모용이 잎의 앞과 뒷면에 존재하였다.

서 언

십자화과(十字花科, Cruciferae)식물은 약 350속 3,500여종으로 구성되며, 그 가운데 Brassica 속에 포함된 식물들이 잎, 줄기, 꽃봉오리, 뿌리, 종실 등을 다양하게 이용할 수 있는 채소 또는 작물들이 많고 국내에서도 잎을 쌈이나 샐러드용으로 식용하는 엽채류가 많이 재배되고 있다(Cartea et al., 2011). 그 중 유채(B. napus)는 기름용, 경관용 및 채소용으로 이용되고 있어 품종에 따른 지방산의 변화나 개화 특성에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Lee et al., 2014a; 2014b). 최근 건강에 대한 관심이 높아짐에 따라 녹색 채소의 소비가 늘어나고 있고 이에 따라 잎을 이용할 수 있는 다양한 엽채류의 개발이 요구되고 있으나 품종 간 교잡을 통해서 소비자가 선호하는 다양한 엽채류 품종을 개발하는 데는 한계가 있다(Kapusta-Duch et al., 2012). 일반적으로 같은 종 내의 품종사이의 교잡은 결실률이 높고 잡종후대를 양성하기에는 용이하지만, 다양한 유전형질의 도입 및 획득에는 어려움이 있다(Zhang et al., 2004). 이에 비하여 근연종간교잡의 경우에는 양친의 염색체 수 등이 다르기 때문에 염색체가 서로 대합하여 유전자를 교환하기가 매우 어려워 잡종 종자의 획득이나 잡종후대를 양성하기가 어렵지만 (Hu et al., 2002), 특정 종 사이에는 비교적 쉽게 교잡이 가능하여 품종 간 교잡에서 얻을 수 없는 새로운 유전자형이나 유전 형질의 도입이 가능한 장점이 있다(Snowdon et al., 1997; Myers, 2006).

Brassica종 작물의 종간교잡은 U(1935)에 의한 양배추(B. oleracea)와 배추(B. campestris) 사이의 인공교배를 통해 유채(B. napus)를 인공적으로 육성한 초기 보고 이후, 유전형질의 다양화를 통한 수량 및 내병성의 증진, 지방산 개량, 화형 및 화색 개량 등을 목표로 하여 아종간 교잡으로 B. campestris ssp. chinensis와 B. campestris ssp. pekinensis 사이의 교잡 연구(Inomata, 1976)가 있었으며, 종간교잡에 대한 연구는 B. napus와 B. oleracea (Chiang et al., 1981; Ollson and Ellerstron, 1980), B. napus와 B. campeatris (Aslam-Yousuf and Bechyne, 1984; Gowers, 1982), B. napus와 B. jucea (Chang et al., 2007), B. oleracea와 B. rapa (Malek, 2007; Ozminkowski and Jourdan, 1994), B. juncea와 B. oleracea(Weerakoon, 2011) 및 B. allotetraploids와 B. fruticulosa (Chen et al., 2011) 등의 연구가 진행되었다. 이와 같이 Brassica 종 사이의 다양한 종간교잡 연구를 통해 종과 종사이의 교배능 및 교잡불화합성 등을 밝혔고, 종간교배를 통해 생산된 잡종 식물체의 외부 형태 및 핵형분석 등에 대한 다양한 연구가 진행되었다.

본 실험은 Brassica 속 내의 작물인 유채, 배추 및 순무 대상으로 하여 종간교잡을 통해 유전적인 다양성을 높이고, 소비자의 기호에 적합한 새로운 F1 hybrid 엽채류의 개발을 목표로 세포질 유전자적 웅성 불임계(cytoplasmic genic male sterility line) 유채인 ‘목포–CGMS’를 종자친으로 이용하고, 화분친으로는 순무와 배추를 이용하여 인위적으로 종간교배를 실시한 다음, 수분 후의 화분관 신장여부, 종간교배효율 및 교잡 후 생산된 종간잡종 F1의 발현 형질 등을 조사하였다.

 

재료 및 방법

시험재료

본 연구에 사용한 시험재료로 모본(종자친)은 농촌진흥청 국립식량과학원 바이오에너지작물센터에서 개발한 꽃가루가 형성되지 않는 유채(Rape, Brassica napus L. AACC, 2n=38) 웅성불임 계통인 ‘목포−CGMS’ (Cytoplasmic Genetic Male Sterility)를, 부본(화분친)으로는 배추(Chinese cabbage, B. campestris var. pekinensis Makino, AA, 2n=20)와 순무(Turnip, Brassica rapa L. AA, 2n=20)를 사용하였다.

종간교배

유채, 배추 및 순무 종자를 2012년 9월말에 바이오에너지작물센터 시험포장의 묘상에 종자를 파종하여 11월 말까지 육묘한 후 온도 조절이 가능한 비닐하우스에 이식한 다음 세대촉진을 위하여 월동기간인 12월 초부터 2013년 2월 중순까지 야간온도는 8 ± 2℃로 조절하여 자연일장 하에서 생육시켰다. 유채와 배추, 순무 사이의 인공교배는 비닐하우스 내에서 꽃이 피기 시작하는 시기인 2013년 3월 초에 실시하였으며, 부본으로 사용할 배추와 순무 꽃봉오리는 교배 전에 다른 꽃가루로부터 오염을 차단하기 위하여 이미 개화한 꽃은 핀셋을 이용하여 제거하고 유산지 봉투로 밀봉하였다. 모본으로 사용한 유채−MS (목포−CGMS)는 수술이 퇴화되어 꽃가루가 만들어지지 않기 때문에 교배 하루 전에 개화 직전의 꽃봉오리를 핀셋을 이용하여 꽃잎을 제거하고 다른 꽃가루로부터 오염을 방지하기 위해 곧바로 유산지 봉투를 이용하여 밀봉 하였다. 인공교배는 매일 오전에 모본인 유채의 화뢰에 순무와 배추의 화분을 채취하여 뇌수분으로 실시하였다.

화분활력조사

꽃가루의 활력을 조사하기 위해 화분 발아시험을 실시하였다. 화분 발아배지는 Gul and Ahmad (2006)의 방법에 따라 증류수 1 L에 sucrose 15%, boric acid 100 ㎎/L, calcium nitrate 300 ㎎/L을 첨가하고 pH를 5.5로 조정한 후 1%의 한천을 첨가하여 멸균하였다. 배지를 1회용 배양접시에 분주한 후 상온에서 2시간 동안 배지를 응고시킨 후 배지가 완전하게 굳은 다음, 꽃가루를 치상하고 25℃에서 화분발아 실험을 하였다. 수분 후 화분관 신장 여부를 관찰하기 유채와 배추, 유채와 순무를 인위적으로 수분 시킨 후 20분, 40분, 1시간, 4시간, 8시간, 12시간, 24시간에 각각 자방을 채취하여 FAA용액에 24시간 동안 고정시키고 alcohol을 이용하여 탈수과정을 통해 조직을 탈수하였다. 탈수된 재료는 파라핀 포매(paraffin embeding)과정을 거친 다음 미세절편기(microtome)를 이용하여 15 ㎛로 두께 자른 뒤 절단된 박편을 56~58℃ 증류수 위에서 펼친 다음, slide glass 위에 올려놓고 30℃ hot plate에서 24시간 동안 건조시키면서 관찰할 조직이 slide glass에 잘 부착되도록 하였다. 관찰조직이 부착된 slide glass는 다시 xylene−alcohol series로 파라핀을 제거한 후 0.01% aniline blue (10% w/v glycerol, 0.1 M K3PO4, 0.1% aniline blue)와 iron−hematoxylin에 1차 염색한 다음 재차 safranin fast green에 염색하고 관찰하였다.

종간교배효율 및 F1 식물체 표현형질 조사

종간교배효율은 유채와 배추, 유채와 순무 사이의 인공수분 50일 뒤에 협형성율 및 협당 결실립수 등을 조사하였으며, F1 종간잡종의 표현형질 특성을 조사하기 위하여 결실 후 수확한 종자를 25℃에서 2일간 발아시킨 후에 종자를 펄라이트와 피트모스를 1 : 3으로 혼합한 상토로 채운 50공 육묘상자에 심어서 본엽 2매시기에 10℃ 저온의 광조건(2000 lux)에서 2주간 저온 처리하고, 본엽이 4매 정도 전개되었을 때 피트모스(1) : 황토(1)의 상토로 채운 화분에 이식하였다. 이식 5일 후 N–P2O5–K2O = 15–8–8 ㎏/10a를 시용하였다. 재배 시 하고현상을 줄이고 병충해를 방지하고자 차광막과 한랭사를 치고 통풍이 잘되는 곳에서 생육시켰으며, 관수는 2∼3일마다 1회씩 실시하여 30일간 재배 후 F1 잡종 식물체의 엽형, 엽수, 엽장, 엽폭 등의 표현형질 을 조사하였다.

 

결과 및 고찰

종간교배 시 화분관 신장

유채–MS와 배추 및 순무사이의 종간교잡을 위한 수분 전에 배추와 순무의 화분활력을 검토하기 위해 개화당일 오후 2시에 화분을 채취하여 인공적 발아시켰다. 화분의 발아는 배지에 치상한 후 약 30분 후 부터 발아가 시작되었으며 대비로 발아시켰던 유채(탐미유채) 화분과 비교해볼 때 배추가 순무보다 화분발아 속도가 다소 빠르게 진전되고 있음을 알 수 있었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 화분발아율에는 큰 차이는 없이 배추, 순무 및 유채 모두 90% 이상 발아하여 꽃가루의 상태가 수분과 수정을 통한 결실률에 영향을 미치지 않을 것으로 생각되었다.

Fig. 1.Comparision of pollen viability and germination in B. campestris ssp. pekinensis (A), B. rapa (B), and B. napus ‘Tammiyuchae’ (C).

유채–MS와 배추, 유채–MS와 순무 사이에 인공수분을 실시한 후 종자친 주두에서의 화분발아 및 화분관의 신장과정을 살펴본 결과, 수분 후 약 8시간 후 부터 주두 위의 화분의 발아가 시작되었으며, 수분 실시 후 12시간이 경과되면서 발아된 화분의 화분관이 신장하여 주두 속으로 침투하기 시작하였고(Fig. 2), 유채–MS와 배추간의 교배 조합이 유채–MS와 순무간의 교잡보다 화분발아와 화분관 신장이 약간 빠르게 진행됨을 확인하였다. Shivanna and Sawhney (1997)는 타 종과의 교배 시 주두위에서 화분이 발아되지 않거나, 화분관의 성장이 정지되거나 화주 및 자방 이외의 방향으로 이상 신장에 의해서 수정 전 장벽 (pre–fertilization barrier)이 생긴다고 하였으며, Paramod et al. (2012)의 유채와 근연 종속간의 교배연구에서 자가수분에 비하여 종속간 교배 시 화분의 발아율이 낮아지고 발아시간도 지연될 뿐만 아니라 암술에서의 화분관의 비정상적인 신장이 관찰되었는데 이러한 원인이 종간교배 시 교배효율이 낮아지는 한 요인이라 하였다.

Fig. 2.Pollen tubes penetrated the stigma after 12 hours from cross- pollination between B. napus Mokpo-CGMS and B. campestris ssp. pekinensis (A), and B. napus Mokpo-CGMS and B. rapa (B).

종간교배 효율

유채–MS에 배추와 순무를 종간교배하여, 수분 40일 뒤에 협형성율, 협장 및 협당결실립수 등을 조사하여 유채–MS와 유채(탐미유채)사이의 교배와의 교배효율을 비교하였다(Table 1). 수분 후 협이 발달하는 협형성율은 유채–MS와 ‘탐미유채’ 사이의 종내 교배에서는 98.7%로 나타났으며, 유채–MS와 배추 사이의 종간교배에서 90.6%, 유채–MS와 순무간 종간교배에서 67.3%로 나타나, 종내 인공교배보다는 협형성율이 낮았으며, 유채와 배추와의 교배가 순무와의 교배에서 결협율이 23.3% 높게 나타났다. Ayotte et al. (1987)은 유채(B. napus)와 양배추 (B. oleracea)의 교잡연구에서 유채의 종내 인공교배에 의한 협형성율이 98.8%이며 양배추와의 종간교잡 시 결협율이 88.5%라고 보고하고 있어 종간교잡 시 협형성율은 유사하였고, Ahn et al. (1986)이 복2배체(AABB, 2n=36)인 B. juncea와 배추의 종간교잡에서 협형성율은 정역교잡, 유전조합 및 수분시기에 다소 차이는 있으나 평균 94%로 대단히 높다고 보고한 결과와도 비슷한 경향임을 나타내고 있었다. 그러나 Paul et al. (1995) 는 유채와 갓과의 종간 교잡 시 교배효율이 품종에 따라 3~12%였고, Weerakoon (2011)은 갓(♀)과 양배추(♂)의 종간 인공교배에서의 협형성율은 25%로 낮다고 보고하여 종간교배 시 종에 따른 교배조합에 의한 협형성율에 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 형성된 협 안의 종자수를 나타내는 협당 결실립수는 유채–MS와 배추간 종간교잡이 평균 15.5립이었고, 유채–MS와 순무간 종간교잡이 평균 11.6립으로 배추를 화분친으로 한 교잡에서 3.9립 정도 종자수가 많았으나, 유채와 유채간 종내 교배의 약 21.8개보다는 6.3~10.3개 정도 적게 나타났다. 인공교배한 후 52일간 생육시킨 다음 이들 협내에 착생된 결실 정도를 비교한 결과, 유채–MS와 순무간 교잡에서 배주가 결실되지 않고 퇴 화된 것들이 많이 관찰되는 것으로 보아(Fig. 3), 복이배체종 (AACC, 2n=38)인 유채–MS에 B. campestris. 종(AA, 2n=20) 인 배추와 B. rapa 종(AA, 2n=20)인 순무가 화분친으로 사용된 경우에 배추가 순무보다 유채와의 교잡친화력이 더 높다는 것 을 알 수 있었다.

Table 1.zValues are mean ± standard deviation.

Fig. 3.Comparision of setted seeds in the silique after 50 days from cross-pollination between B. napus Mokpo-CGMS and B. campestris ssp. pekinensis (A), and B. napus Mokpo-CGMS and B. rapa (B).

종간교배 F1의 형질발현

유채–MS와 배추 및 유채–MS와 순무간의 종간교배를 통해 생산된 F1 잡종의 농업적인 형질을 조사하기 위해, 획득한 F1종자를 50공 육묘상자에 심어 발아 시킨 후 본엽 2매시기에 10℃의 광조건(2000 lux)에서 14일간 저온처리를 한 다음에 본엽이 4매 정도 전개 되었을 때 화분에 이식하여 30일 간 재배 후 농업형질을 조사하였다. 종간교배를 통해 만들어진 F1잡종의 발현된 농업적 형질을 조사한 결과, 유채–MS와 배추의 종간교잡 F1 의 특성은 외형적으로 보아 잎의 형태 및 결각은 종자친인 유채와 비슷하였고, 잎의 표면과 뒷면에 유채와는 다르게 모용(毛茸, trichome)이 발생하였으나 화분친인 배추에 비하여 모용의 수는 적게 발생하였고, 잎색은 연녹색이나 밝은 녹색을 띠고 있어 부본인 배추와 가까웠고, 잎의 폭이 모본보다 약간 넓은 특징을 보이고 있었다(Fig. 4). 유채–MS와 배추사이의 F1 잡종의 엽수는 10.2매, 엽장 27.5 ㎝ 및 엽폭 14.0 ㎝로 교배 양친과 비교하여 엽수와 엽장은 유채와 가까웠고, 엽폭은 배추에 가까운 특성을 나타냈다(Table 2).

Fig. 4.Morphological differences in leaves of B. napus Mokpo-CGMS (A), B. rapa (C) and their’s F1 hybrid (B).

Table 2.z,y,xValues are mean ± standard deviation.

유채–MS와 순무 사이의 종간교잡 F1은 잎의 결각과 잎의 크기 등 전반적인 잎의 형태는 모친식물인 유채와 비슷하였으나 잎색이 매우 진한 녹색이며, 잎 표면이 광택이 있는 혁질이며, 모용이 발생하여 부본인 순무와 비슷하였다(Fig. 5). 유채MS와 순무간의 교잡 F1의 엽수는 9.6개로 모친식물인 유채와 비슷하였고, 엽장(21.6 ㎝)과 엽폭(10.6 ㎝)은 양친의 중간형을 나타내었다(Table 2). Chiang et al. (1977)은 유채와 양배추의 교잡을 통해 생산된 잡종의 표현형이 양친의 중간형을 나타내거나, 모친에 가까운 형질을 보인다고 하였으며, Zhao et al. (2008)은 B. napus와 Orychophragmus violaceus의 속간 교잡에서 생산된 잡종의 형태적인 표현형이 모계인 유채에 가깝다고 보고하였는데, 본 연구의 결과에서도 생산된 종간잡종의 형태학적인 표현형이 양친의 중간형이거나 모계 쪽에 좀 더 가까운 형태를 나타내었다.

Fig. 5.Morphological differences in leaves of B. napus Mokpo-CGMS (A), B. campestris ssp. pekinesis (C) and their’s F1 hybrid (B).