11강. 교배육종법

1. 이론적 근거

2. 육종목표 설정, 교배친의 선정 및 교배방법

3. 계통육종법

4. 집단육종법

5. 1개체1계통법

6. 여교배육종법

11. 교배(교잡)육종법 Breeding by hybridization

의의: 재배식물의 품종간 또는 계통간 교잡(교배)을 통해서, 또는 비교적 근연의 종속

간교배를 통하여 희망하는 유용유전자를 재조합하거나 새로 도입함으로써 우량품종을 육성하는 것.→교배를 통한 변이의 도입 및 창성을 목적→계통, 집단, 파생계통, 1개체1계통, 여교잡 육종법

계통육종법

집단육종법

파생계통육종법

1개체1계통법

기 타교배친간의유전적거리

교배방식

선발/세대진전방식

품종간교배육종

종속간교배 육종 : 교배대상이 遠緣(원연)인 양친간

여교배 육종

보통교배

No. of

heteroz.

loci

No. of

homozygous

genotypes

in F2

No. of

different

genotypes

in F2

Minimum

population for

chance presence

of each

genotype

Ratio of

homozygous

genotypes

Kinds of phenotypes in F2 assuming

Full

dominance

No epistasis &

no dominance

n

1

2

6

10

15

20

21

30

50

2n

2

4

64

1,024

32,768

1,048,576

2,097,152

1,074 x 106

1,126 x 1012

3n

3

9

729

59,049

14,348,907

3,486,784,401

10,460,353,203

2,059 x 1011

7,178 x 1020

4n

4

16

4,096

1,048,576

1,073,741,824

1,099 x 109

4,398 x 109

1,153 x 1015

1,268 x 1027

(1/2)n

0.5

0.25

0.0156

0.00098

0.00003

- - -

2n

2

4

64

- - -

3n

3

91

729

- - -

○ Segregation of genotypes in F2

표. Numerical characteristics of F2 progeny produced between parents differing in n allelic pairs(Stoskoph, p.155)

○ Genetic composition (;proportion of homozygous or heterozygous loci)in inbred generations

{1+(2m-1)}n 이항 전개식의 계수where, m: No. of generations of selfing (Fg--> m=g-1)

n : No. of gene pairs involved (not-linked)예) F6, 4 loci

{1+(25-1)} 4 = (1 + 31)4

= 14 + 4(1)3(31) + 6(1)2(31)2 + 4(1)(31)3 + (31)4

모두이형 1쌍 동형 2쌍 동형 3쌍 동형 모두 동형

3쌍 이형 2쌍 이형 1쌍 이형AaBbCcDd AABBCCDD

AABBCCddAABBccDDaabbCCDDaabbccdd 등

비율(%) 0.00001 0.012 0.60 11.40 88.10F5, 4 loci

{1+(24-1)} 4= (1 + 15)4 = 14 + 4(1)3(15) + 6(1)2(15)2 + 4(1)(15)3 + (15)4

비율(%) 0.0001 0.09 2.06 20.60 77.25F3, 4 loci

{1+(22-1)} 4 = (1 + 3)4 = 14 + 4(1)3(3) + 6(1)2(3)2 + 4(1)(3)3 + (3)4

비율(%) 0.039 4.69 21.09 42.19 31.64F2, 4 loci

{1+(21-1)} 4 = (1 + 1)4 = 14 + 4(1)3(1) + 6(1)2(1)2 + 4(1)(1)3 + (1)4

비율(%) 6.25 25.00 37.50 25.00 6.25

{1-(1/2)m}n

1. 교배육종의 이론적 근거

(1) 조합육종 (combination breeding): 품종간(또는 근연의 종간)에 흩어져 있는 우량형질들을 조합하여 1개의 계통에

모음. --- genetic recombination 이용 --> 우량 gene의 combination 유도

교배친(parent) P x Qgenotype AAbbCCdd ↓ aaBBccDD

↓↓generation advance↓

L (고정계통)육성AABBCCDD

A B

Progeny of AxB

예) 병저항성의 집적도열병저항성 ⓐ x ⓑ 도열병감수성벼멸구감수성 ↓ 벼멸구저항성

↓ (도열병 + 벼멸구 동시저항성) 품종

고품질+저수량 x 저품질+고수량(도열병 race1) A x B (도열병 race2)

저항성 ↓ 저항성↓ 저항성+고수량 품종L (race 1과 2에 모두 저항성)

예) ‘팔달콩’의 육성

광교 Elf(미국)SS7005 SS79168 (팔달콩)

Patten(미) SS74185 PI171450(미)

(주요 특성의 조합과정)

광교: 다수, 광지역적응성, SMV강, SMV-N약Patten: 다분지직립형, SMV.SMV-N강, 흑색소립, 탈립성

S7005: 다분지직립형, SMV.SMV-N강, 립형.색 약간 개량, 倒伏약PI171450: 소분지 도복강, SMV . SMV-N강, 립.형색 양호

SS74185: 다분지직립형, SMV . SMV-N강, 도복중, 립형.색 개량Elf: 단경 내도복, SMV . SMV-N강, 소엽

SS79168: 내도복, 내병성, 다분지직립형, 소엽 ➔ 밀식적응성 (다수성)

*SMV-N : 괴저 virus SMV의 strain

표준품종 팔달콩* 수량성 단작 268(100) 407(152)(kg/10a) 이모작 267(100) 373(140)

(2) 초월육종 (transgression breeding): 양친에서 나타나지 않던 새로운 특성발현을 도모하는 것.

--- gene recombination을 이용 --> gene accumulation 또는inter-allelic gene interaction (epistasis) 결과로 초월분리.

한 개의 형질에 2개 이상의 유전자가 동시에 관여할 때 발생하는 현상.

교배친(parent) P x Qgenotype AAbbCCddee ↓ aaBBccDDEE

450kg ↓ 500kg/10a↓generation advance↓

L (고정계통)육성AABBCCDDEE 600kg/10a

A BProgeny

of AxB

AAbbCCaaBBcc

AABBCC

A B

Progeny

of AxB

Epistasis Gene accumulation

* Transgressive segregation(초월분리): 교배후대에서 양친의 표현형 범위를벗어나는 분리

예) • 개화일수 100일(조생) 100일(조생)P x Q

AABBCCddee ↓ aaBBCCDDee↓

L (AABBCCDDee) 양친의 유전자가 1개 계통으로 집적90일 --- 극조생 recombined --> 누적효과

• amylose 함량 30% x 30% : high amylose (Wxa, Wxb, ...)↓↓: 양친의 amylose함량 관여유전자들에 차이 있을때35%

• stem-base color Green x Green

AAcc ↓ aaCC↓

Purple (A_C_) : complementary gene action(inter-allelic gene interaction)

• 벼 종자의 Pericarp color

Pp Pb Pp PbPp Pb Pp Pbx

• 토마토의 과실크기와 충실도

야생종 재배종

육성종

2. 육종목표 설정, 교배친의 선정 및 교배방법(1) 육종목표(breeding objectives) 설정

① 육종목표형질이 명확해야 한다.- 다수성 (high yield) : 초형개량, ideotype ?

키, 경(stem)의 굵기 ?잎 장/폭/후, 잎각, 잎 갯수,..?이삭당 grain 갯수,크기,모양..?광합성 능력, 광호흡 축소, 양분전류효율,..?양분흡수 능력, 최적 생육기간, 생육속도(CGR), ...

→ 개체,군락단위 , 재배생태조건에 부합되게New plant type of rice suggested by IRRI

Low tillering capacity with 3-4 panicles per plant when direct-seeded

No unproductive tillers, 200-250 grains per panicle

90-100 cm tall, Sturdy stems, Vigorous root system

Multiple disease and insect resistance, 110-130 days growth duration

Harvest index of 0.6, 13-15 t/ha yield potential

- 안정성 (stability)비생물 환경: 온도 – 저온, 고온, 변온

수분 – 저습, 과습, 침수토양 – 비옥도, 산도, 염도,…바람 -→ 도복일장

* 내성의 정도는 어디까지가 목표?(내냉성--- 19oC or 17oC or 15oC )

생물 환경:병--- fungi, bacteria, viruses, nematode…해충잡초

* resistance의 breakdownpathotypes(races), biotypes 대상은?

- 품질(quality)고급화(high quality)

＇ 성분개량: 고protein, protein 조성, 필수 a.a. 함량 제고‘ 양식미

＇ 가공품 원료의 고급화다양화(diversification)

＇ 성분 변화: 저protein (PKU—phenylalanine), 특정 아미노산 함량 제고, starch함량.조성, lipid 함량.조성

' 가공용, 특수용도

* Tolerance (내성)Resistance (저항성)

파프리카 출하규격SS(100~120g) S(120~145g) M(145~180g) (일본)L(180~250)g) LL(250~300g)

② 육종목표는 단순화시켜서 설정하고 단계적으로 접근.1단계 2단계 3단계 4단계

다수성초형---> 병저항성 -----> 해충저항성 -----> 내냉성(종류별)A: race 1,2,3,..BC

: 여러 가지가 동시에 육종목표일 때모본의 선정과 교배 및 선발방법이 효율적으로 되어야 노력, 시간 단축

③ 목표형질의 유전양상을 숙지.qualitative cha.: 유전자 몇 개? 그글간 상호작용? 어느 연관군?

다른 농업형질과의 연관?quantitative cha.: 유전력? 다른 농업형질과의 연관?

* 목표형질의 유전양식을 모를 경우 --> 유전분석을 육종과 병행 또는 별도 진행.

(2) 교배친(crossing parents)의 선정방법: 기본적으로 육종목표형질 보유, 초월분리 잠재성(과거실적 검토, 육성계보 참조)

있어야① 특성조사성적 이용

: germplasm 평가 성적 또는 해당지역에서 재차 형질조사 후--> 원하는 목표형질을 보유하면서 나머지 형질도 가급적 우수한 품종을 親으로* 재배품종 P와 야생종 Q가 동일한 목표형질(예;저항성) 보유시 P를 친으로

② 유전자분석결과 이용: 육종목표형질의 유전분석이 되어있는 경우 계획적 육종 가능

* 동일형질에 대해서도 품종간에 유전양식이 달라질 수 있으므로(다른 유전자,심지어 질적,양적 혼동) 가급적 유전양식이 명확한 것을 선택.

③ 주요품종의 선택: 현재 재배되고 있는 품종을 한쪽 친으로 사용해야 우량품종 육성 가능성 높다.

④ 과거실적 검토: 과거에 어떤품종이 교배친으로 사용하여 얻어진 결과를 참조-- 후대에 우량계

통 배출실적 survey * 예) 벼품종 IR36: 복합저항성, high-yielding

Mil.23: 良食味, high-yielding

⑤ 근연계수(coefficient of relationship) 이용: 동일조상에서 유래한 유전적 혈연관계 --- genetic distance로 표기( 0: 100% 다름 ～ 1:identical )근연친간 교배 --> 후대에 양친과 유사한 것들만 출현, gene recomb.정도만 기대.원연친간 교배 --> 새로운 우량조환형 나올 가능성 크다. transgressive segr. 기대* wild sp.의 이용한다면 결과는 어떨까?

a. 양친과 자식과의 평균 근연도 (Rpo): Relationship between parent & offspring

(1x2) + (1/2 x 4)Rpo = = 1/2

8

양 친

AABB aabb

자 손

AABB 1 0

AAbb 1/2 1/2

aaBB 1/2 1/2

aabb 0 1

b. 동일 교배에서 생긴 자매계통(sister line)간 평균근연도(R∞) = 1/2 ~ 1* 자매계통(sister line): 같은 양친으로부터 유래된 계통들

① AaBb의 자식 후대에서 유래되었을 경우유전적 유사성 = ½

(1x4) + (1/2 x 8)Rpo = = 1/2

16

AABB AAbb aaBB aabb

AABB 1 1/2 1/2 0

AAbb 1/2 1 0 1/2

aaBB 1/2 0 1 1/2

aabb 0 1/2 1/2 1

AABBCC AABBcc AAbbCC AAbbcc

AABBCC 1 2/3 2/3 1/3

AABBcc 2/3 1 1/3 2/3

AAbbCC 2/3 1/3 1 2/3

AAbbcc 1/3 2/3 2/3 1

② AABbCc의 자식 후대에서 유래되었을 경우 평균 유전적 유사성 = 2/3

: 고(후기)세대에서 파생된 자매계통일수록 근연도 (유전적 유사성)가 커진다(∵homo화 증대)

- 계통육성중 Fn세대에서 동일계통에서 子息으로 분리된 자매계통간 평균근연도는(R∞, Fn) = 1 -(1/2

n-1)F3 ---> 1-(1/23-1) = 0.75F5 ---> 1-(1/25-1) = 0.9375 으로 세대가 진전될수록 커진다.

(즉 자매계통간 유전배경이 점점 유사해진다.--> 최종적 동일)* 따라서 육성세대수를 모를 경우 자매계통간 평균근연도는 : 0.5～1

c. 친품종의 계통분리에 의해 신계통이 육성되었을때도: 친품종과 분리계통간의 평균근연도는 : 0.5～1

예) AABbCc 에서유래된 고정 계통간유전적 유사성

d. 마커를 이용하여 근연도 (유전적유사성; genetic similarity) 측정

GS = (같은 마커 갯수)/(검정한 총 마커 갯수)

GS(A-B) = 6/10 = 0.6GS(A-C) = 4/10 = 0.4GS(A-D) = 3/10 = 0.3. . . . .

품종DNA 마커

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

A 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1

B 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1

C 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0

D 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1

E 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1

(1= 같은 것, 0=다른 것)

예) 85개의 SSR 마커를 사용하여 자포니카 10개 벼 품종간 유전유사성 비교

** geographic diversity 이용 --- 다른 방법으로 친간 근연도 또는 GS를 추정하기가 어려울 때

⑥ 교배후 초기세대에서의 능력을 토대로 (early generation testing): F1 or F2에서 조합의 performance를 조사후 모본 및 조합 선택(F1 or F2이 우수하면 후대에서 우량계통 출현가능성이 크다.)---> F1 or F2의 mean 또는 F2의 variance를 근거로

a. 조합능력 검정 (combining ability test)의 이용조합능력: 어떤 친이 F1에서 잡종강세를 일으킬 수 있는 능력

(but hetero상태에서만 일어남--- 주의)

* 일반조합능력이 큰 품종특정조합능력이 큰 조합 선택

b. 선발효과의 추정에 의한 방법Y = MP + I √ 2(VF2-VP or VF1)

Y: 기대 선발효과(예상수량)MP: 양친의 평균치I: selection intensity의 상수(=k)VF2-VP or VF1: 유전분산

→ Y가 크기 위해서는 ‘ MP, VF2가 클 것 --- 친 에 따라 달라짐. ‘ I가 클 것

**그러나 F2에서는 우성효과(D; 고정 불가능함)가 크고, 경합 등 개체선발 어려워서 문제

→ Y값을 그대로 후대에 적용키는 어렵다. but 참고.

Top, diallel, line x tester crosses, ...

⑦ 기타 방법: haploid method, vector analysis 방법

(2) 인공교배(artificial mating) 가. Crossing methods① Single cross : A x B

Germplasm 50% 50% (contribution to the new hybrid)

② Three-way cross : ( A x B ) x CGermplasm 25% 25% 50%

③ Successive crosses: { ( A x B ) x C } x DGermplasm 12.5% 12.5% 25% 50%

④ Double crosses: ( A x B ) x ( C x D )Germplasm 25% 25% 25% 25%

⑤ Multple crosses: [ { ( A x B ) x C } x ( D x E ) ] x FGermplasm 6.25% 6.25% 12.5 12.5 12.5 50%

⑥ Backcross : ( A x B ) x A A B 1st BCGermplasm 25% 25% 50% (Total) 75% 25%

{( A x B ) x A} x A A B 2nd BCGermplasm 12.5% 12.5% 25% 50% (Total) 87.5% 12.5%

[{( A x B ) x A} x A ] x A (Total) 93.7% 6.3% 3rd BC

* ①～⑤ ːDivergent(or recombination) breeding⑥ : Convergent breeding

문) A//B/C*2 또는 A//B/C2

교배조합에서 육성된 품종들에 대해각 친의 평균 기여도는?

⑦ 기타 교배방식* Diallel crosses (二이면교배): 여러개의 품종간에 모든 가능한 교배를 하는 방식.

Full-diallel crossesHalf-diallel " ( = All-possible crosses)→ 세포질효과, 친들의 조합능력 검정, 유전분석 가능

* Reciprocal cross (정역교배) : 양친의 교배방향을 바꾸어서 교배하는 것→ 세포질효과 검정 가능

(A’)A x (B’)B --> (A’)AB (A’), (B’) 는 세포질(B’)B x (A’)A --> (B’)AB

* Line x Tester crosses→ 친들의 조합능력 검정, 유전분석 가능

A B C D

A s AxB AxC AxD

B BxA s BxC BxD

C CxA CxB s CxD

D DxA DxB DxC s

O P Q R

A BxO AxP AxQ AxR

B BxO BxP BxQ BxR

C CxO CxP CxQ CxR

D DxO DxP DxQ DxR

나. Crossing practices --- 실습시간에(작물생명과학실험실습)Emasculation (제웅)Pollination (수분)

S0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

벼 인공교배 과정(IRRI 자료)

1. 교배친 준비

2. 절영

3. 제웅

4. 봉지씌우기

5. 확인

6. 화분친 준비

7. 수분

8. 교배완료

9. F1 포장

1

2

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벼 인공교배 과정(IRRI 자료)

1. 교배친 준비

2. 절영

3. 제웅

4. 봉지씌우기

5. 확인

6. 화분친 준비

7. 수분

8. 교배완료

9. F1 포장