Accelerated generation of inbred lines through DH Technology VS conventional bred QPM germplasm: Inbred and hybrid performance for higher genetic gains

옥수수가 자라는 광활한 들판에서 육종가들은 시간과의 싸움을 벌이고 있습니다. 그들의 목표는 더 많은 식량을 생산하고, 질병에 저항하며, 변화하는 날씨 속에서도 잘 자라는 새로운 품종의 옥수수를 만드는 것입니다. 이를 위해 그들은 먼저 순수하고 균일한 부모 계통을 개발해야 합니다. 완벽한 케이크를 굽는다고 상상해 보십시오. 매번 일관된 재료가 필요합니다. 옥수수 육종에서 이러한 일관된 재료를 '인브레드 라인(inbred lines, 근친 교배 계통)'이라고 부릅니다. 전통적으로 이러한 계통을 만드는 것은 느리고 지루한 과정입니다. 육종가들은 식물을 교배시킨 후 여러 세대 동안 자가 수분을 강제해야 하며, 유전 물질이 안정적이고 예측 가능한 상태로 자리 잡을 때까지 수년을 기다려야 합니다. 그러나 최근 수십 년 동안 '더블드 해플로이드(doubled haploid, 배수체) 기술'이라 불리는 더 빠른 방법이 등장했습니다. 이 기술은 과학자들이 긴 기다림을 건너뛰어 단 한 세대 만에 완전히 순수한 계통을 만들 수 있게 해줍니다. 이러한 속도는 큰 장점이지만, 육종가들은 이 빠르게 만들어진 계통들이 전통적인 방식으로 만들어진 것들만큼 우수한지, 아니면 속도를 위해 품질을 희생한 것인지 궁금해해 왔습니다.

인도 옥수수 연구소(Indian Institute of Maize Research)의 연구팀은 이 두 가지 접근 방식을 나란히 놓고 비교함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 그들은 대규모 옥수수 계통을 수집했습니다. 50개는 현대적인 빠른 방식인 더블드 해플로이드 방법을 사용하여 만들어졌고, 나머지 50개는 특정 우수 형질을 다시 가져오기 위해 식물을 부모와 교배하는 '백크로싱(backcrossing, 역교배)'이라는 전통적인 기술을 통해 개발되었습니다. 과학자들은 이 100개의 계통이 각각 어떻게 수행되는지 확인하기 위해 인도의 루디아나(Ludhiana)와 카르날(Karnal)이라는 두 지역에서 재배했습니다. 그들은 식물의 키부터 개화 시기, 이삭의 크기, 알곡의 무게에 이르기까지 모든 것을 측정했습니다. 목표는 강력한 새로운 하이브리드(잡종)를 만들기 위해 서로 섞을 최적의 부모를 찾는 것이었습니다.

결과는 두 방법 모두 훌륭한 후보를 만들어냈지만, 각기 다른 강점을 가지고 있음을 보여주었습니다. 연구진은 전통적인 백크로싱 방식을 통해 만들어진 계통들이 개화 시기나 식물 높이와 같은 물리적 형질에서 더 넓은 다양성을 보인다는 것을 발견했습니다. 이러한 다양성은 특정 환경에 작물을 적응시키려 할 때 육종가들에게 더 많은 선택지를 제공한다는 점에서 가치가 있습니다. 반면, 훨씬 짧은 시간 안에 만들어진 더블드 해플로이드 계통들은 단독으로 재배되었을 때 중간값 기준으로 더 높은 곡물 수량을 보이는 경 경향이 있었습니다. 이는 빠른 방식이 최상의 유전적 형질을 신속하게 고정하는 데 매우 효과적임을 시사합니다. 연구진이 데이터를 분석했을 때, 두 그룹의 계통은 성능 면에서 상당 부분 겹쳤으며, 이는 어느 한 방법이 모든 면에서 절대적으로 우월하지 않음을 의미합니다. 두 접근 방식 모두 더 나은 옥수수를 만드는 데 사용할 수 있는 풍부한 유전적 자원을 제공했습니다.

그러나 진정한 시험은 부모 계통이 단독으로 어떻게 자라는가가 아니라, 다른 계통들과 교배되어 하이브리드를 만들었을 때 어떻게 수행되는가였습니다. 연구팀은 두 개의 표준 검정 식물(tester plants)과 부모 계통을 섞어 87개의 새로운 하이브리드 조합을 만들었습니다. 그들은 어떤 조합이 가장 많은 곡물을 생산하는지 확인하기 위해 동일한 두 지역에서 이 하이브리드들을 재배했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 가장 높은 수량을 기록한 하이브리드들은 전통적인 백크로싱 방식으로 개발된 계통들로부터 나왔습니다. 세 가지 특정 하이브리드가 두 지역 모두에서 최고의 성적을 냈는데, 주목할 점은 이 세 가지 모두 백크로스 집단에서 유래했다는 것입니다. 백크로스 부모와 검정 식물을 교배하여 만든 한 하이브리드는 헥타르당 111.6 퀸탈의 곡물을 생산했습니다. 또 다른 백크로스 부모 유래 하이브리드는 헥타르당 111.4 퀸탈을 기록했고, 세 번째는 111.2 퀸탈에 도달했습니다. 이 수량들은 비교 대상으로 사용된 상업용 대조군보다 현저히 높았습니다.

흥 흥미롭게도, 이 우승 하이브리드들을 만들어낸 부모 계통들은 단독으로 재배되었을 때 반드시 가장 좋아 보이는 모습은 아니었습니다. 예를 들어, 한 최고 성적의 부모는 혼자 자랄 때는 보통 수준의 수량을 보였으나, 적절한 파트너와 교배되었을 때 챔피언 하이브리드를 만들어냈습니다. 이는 육종의 핵심 원리를 강조합니다. 즉, 최고의 부모는 반드시 스스로 가장 강해 보이는 개체가 아니라, 다른 개체와 가장 잘 결합하는 개체라는 것입니다. 이 연구는 더블드 해플로이드 방식이 시간을 절약하고 균일한 계통을 만드는 강력한 도구임을 확인시켜 주었지만, 전통적인 백크로싱 방식 역시 독특한 힘을 보유하고 있음을 입증했습니다. 백크로싱은 공여 식물(donor plants)로부터 특정 고성능 형질을 육종 풀에 도입하는 데 특히 효과적인 것으로 보이며, 그 결과 가장 빠르게 개발된 계통들마저 능가하는 하이브리드를 만들어냅니다.

연구진은 식물 높이, 이삭 크기, 개화 일수와 같이 측정한 다양한 형질 간의 복잡한 관계를 이해하기 위해 통계적 도구를 사용했습니다. 그들은 이러한 형질들이 서로 연결되어 있다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 키가 큰 식물은 더 긴 이삭과 더 많은 알곡을 갖는 경향이 있었습니다. 이러한 연결 고리를 분석함으로써, 그들은 서로 다른 육종 방법이 최종 결과에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있었습니다. 연구는 두 방법 모두 현대 육종가의 필수적인 도구라고 결론지었습니다. 더블드 하플로이드 기술은 속도와 유전적 순도를 제공하며, 백크로싱은 깊은 유전적 다양성과 특정 형질을 미세하게 조정하는 능력을 제공합니다. 이들은 함께 증가하는 인구를 먹여 살리기 위해 필요한 고수량 옥수수 품종을 개발하는 강력한 전략을 제공합니다. 이 연구는 육종에 있어 단 하나의 '마법의 탄환'은 없으며, 오히려 특정 작업에 맞는 적절한 도구를 사용하는 것, 즉 현대 기술의 속도와 전통적 방식의 입증된 깊이를 결합하는 것이 가장 성공적인 접근 방식임을 보여줍니다.