: F2 세대부터 계속 개체선발과 계통재배를 되풀이하면서 우량계통을 육성하는 방법

--- 교잡육종법의 기본

• 계통(line; pedigree): F3부터 전대(前代)에 선발한 1개체씩을 개체별로 1열씩

재배할 때 각 열을 계통으로 명명. 품종화 이전까지 계통으로 불림.

* line내의 개체간 유전조성

: 다름/비슷(초기세대) ～ (거의)동일(순계 pure line, 근교계 inbred line)

(1) 대상형질

: 질적형질이나 유전력이 높은 양적형질을 대상으로 육종시

(환경의 영향이 없거나 적어서 초기세대에서도 감별이 용이한 형질)

3. 계통육종법 (系統育種法; pedigree method)

ⅹ

특성검정

특성검정

특성검정

특성검정

생산력검정예비시험보통재배무반복

계통선발개체선발

조합선발개체선발

계통군선발계통선발개체선발

계통군선발계통선발개체선발

계통군선발계통선발개체선발

1년차

2년차

3년차

4년차

5년차

6년차

7년차

교배

F1 양성• 조합당 10개체

F2 집단재배• 1주 1본식• 조합당 2000개체

F3 계통재배• 1주 1본식• 조합당 100~200계통• 계통당 30~50개체

F4 계통재배• 1주 1본식• 조합당 10~20계통군• 1계통군당 5계통• 계통당 30~50개체

F5 계통재배• 1주 1본식• 조합당 5~10계통군• 1계통군당 5계통• 계통당 30~50개체

F6 계통재배• 1주 1본식• 조합당 2~5계통군• 1계통군당 5계통• 계통당 30~50개체

고정도조사

고정도조사

고정도조사

(2) 과정

특성검정

특성검정

특성검정

생산력검정본시험보통재배3반복

지역적응시험

보통재배3반복

계통선발개체선발

계통선발개체선발

계통선발개체선발

생산력검정본시험보통재배3반복

8년차

9년차

10년차

F7 계통재배• 1주 1본식• 조합당 1계통군

F8 계통재배• 1주 1본식

고정도조사

고정도조사

고정도조사

F9 계통재배• 1주 1본식

품종명 부여품종보호 또는 특허 등록

특성검정

지역적응시험

보통재배3반복

계통선발개체선발

11년차 고정도조사

F10 계통재배• 1주 1본식

• 계통 또는 재배• 품종 성능 유지• 육종가 종자 생산

* 계통 / 개체선발의뜻

개체선발Individual

계통 / 개체선발Line → Individual

계통군/계통/개체선발Family → Line → Individual F4

F3

F2

F4

F3

F2

F4

F3

F2

- 모본선정 및 인공교배(교배번호 부여 SR67110,..)

- F1: 개체별 재식, 자식개체 제거

개체별 F2 종자 채종/혼합--- 자식개체 구별,

양친이 완전 순계가 아닐 경우에는 F1개체별로도 차이 있음

- F2: 개체별 재식

조합선발 --- 여러 조합중 우량형이 분리되는 조합

개체선발 --- F2 재식개체의 10% 내외 (육종여건 또는 교배조합에 따라 변동)

* space planting---개체선발을 위해 개체별 재식거리를 일정하게 재배하는 것

- F3: 계통재배 --- F2에서 선발한 1개체를 F3에서 1열로(1계통으로)

고정도 조사, 특성검정 및 여러 농업형질 조사 (일부 잔여종자는 별도 특성검정)

품질, 내병, 내충, 내재해성,...

계통선발 후 개체선발 --- 선발계통당 몇 개체씩(계통의 유망도에 따라)

진행과정

- F4: 계통재배 --- F3 선발 1개체는 F4 1계통

고정도 조사, 특성검정 및 여러 농업형질 조사 (일부 잔여종자는 별도 특성검정)

계통군(family) 선발 --> 계통선발 ---> 개체선발

- F5 이후 : F4와 동일

- F5 or F6부터 고정도를 보면서 어느정도 고정된 계통은 생산력검정예비시험

(PYT) 실시 (1-2년, 보통 반복없이)

다른 한편은 계속 계통재배 --> 선발 ; 세대진전 계속 (이 종자로 YT, RYT 실시

---> 육종가 종자)

- PYT에서 선발계통은 생산력검정본시험(YT) 실시 (보통 3년, 반복)

- YT에서 선발계통은 시험장의 육성계통번호 부여하고 (S.330, Mil.54)

RYT or RCYT(Regional cooperative YT) 실시 (2-3년, 반복, 지역별)

- RYT(or RCYT) 선발계통은 농가실증시험 --- 생략?

선발시 유의할 점

가. 표현형으로 유전자형 추정 --- 고도의 안목이 요구됨

- 형질의 유전성, 양적형질의 유전력, genotype x environment 상호작용 등

* 유전력이 높은 형질→ 초기세대 선발, 유전력 낮은 형질→ 후기세대 계통 선발

- 질적형질은 phenotype = genotype이지만 양적형질은 환경의 영향 때문에 정확한

유전자형을 선택하기가 곤란.

나. 환경변이(토양조건, 시비 등), 개체간 competition,

border effect(주변효과) 고려 →선발집단 주위에

번외품종 3~4열 재배

다. 선발강도: 초기세대(F2)에서는 약하게 10-20% 정도

후기세대(F5정도부터)에서는 강하게 1-5% 정도

라. 선발 절차 : F2 : 조합선발 → 개체선발

F3 : 계통선발 → 개체선발

F4 이후 : 계통군선발 → 계통선발 → 개체선발

마. 특성검정(병해충 저항성, 환경재해 내성, 품질 등) 결과를 토대로 선발한다

바. 선발시기 및 지역: 관심형질이 잘 발현되는 시기별 수회 선발, 품종을 재배할 지역에서 선발

사. DNA marker를 이용한 선발: 표현형선발이 어려운(cost, accuracy등) 형질(저항성, 수량 등)

을 선발시 목표형질 유전자 또는 가깝게 연관된 DNAS marker를 이용하여 간접선발.

(1) 대상형질

: 수량 등과 같이 다수의 유전자 또는 polygene이 지배하는 형질 즉 유전력이 낮

은 형질을 대상

* 유전력이 낮은 형질--- 환경의 영향을 크게 받으므로 초기세대에서의 선발은

효과적이지 못하며 homo성이 증가된 후기세대(F5-F6)세서 선발 →계통화

** 어느정도 고정되면 환경변이 구별 용이.

※ mass selection (집단선발법, 분리육종법) 과는 다름

∵ mass selection : 인공교잡 없음 ---> 집단개량

4. 집단육종법 (bulk method)

: F2 - F4 까지는 선발없이 집단재배하다가 homo성이 증가된 F5 - F6에서부터 개체

선발하고 계통화하여 우량계통을 육성하는 방법.

(2) 이론적 근거가. 세대진전에 따른 homo개체의 비율 증가 ---> 양적형질 평가 용이a. 독립적인 r쌍의 alleles

Mgr = { 1 - (1/2)g-1 }r

b. 두 유전자가 조환가 a로 연관되어 있다면2 g-2-1 a2+(1-a)2

Mg = [ + { }g-1 ]n

2 g-2 2 Mg : g 세대에서의 homo 개체 비율n : 염색체수 (조환가 a로 연관된 유전자가 있는)

* 원하는 유전자의 연관일 경우 육종효율 높아짐.** 불량-우량 유전자 간의 연관이면 homo화는 촉진되지만 재조환형을 얻기가

극히 어려워 독립적일 경우보다 상대적으로 육종효율 낮음.

* linkage drag (연관지체): unintentional introduction of undesired alleles which are linked to the target alleles due to the

나. 자연도태(natural selection)의 이용: F2 ～ F5-6 세대에서 선발하지 않고 집단재배시

ᆞ자연집단에서 생존력, 번식력이 큰 개체 우점되어 선발될 가능성 큼.ᆞ세대별 다양한 환경조건 (온도, 일장, 병해충 등)에 노출되고 →

가장 잘 적응되는 개체들이 우점되어 선발될 가능성 큼

F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

F8

Number grown Number selected

Plants Lines Plants Lines

50 50

5000 5000

5000 5000

5000 5000

5000 5000

250 15

15 4

4 1

(3) 과정

(Briggs & Knowles. Introd. to Plant Breed. p.149)

(4) 고려할 점

가. 집단재배 세대수: 불필요하게 연장시 경합에 의해 우량개체 도태 우려.→ F5 ～ F6 까지만 집단재배 실시

집단재배기간과 유전자형간 경합 실험

(보리)

(벼)(IRRI)

➔

유전자형의경합력과수량과는일치하지않고도리어반대방향

(경합력이 다른여러 유전자형이 혼재시생존비율 시뮬레이션)

*유전자형간 경합력이 5%씩단계적으로 다를 때

Briggs & Knowles p.152 Fig.12-2

나. 집단의 크기

- 육종여건에 따라 조절. 클수록 우량형 출현 보장

- 육종목표형질에 관여하는 유전자를 추정하여 결정

예) 독립 10개 유전자 관여형질

' F6에서 homo비율 0.071%(1만개중 7개 homo)

' 실제는 연관이 있어서 homo비율이 높아짐.

다. 선발시 --> 계통육종법과 동일

계통육종법 집단육종법

- 대상형질 질적형질 양적형질유전력 높은 양적형질

- 인위선발시기 초기세대(F2)부터 후기세대(F5-F6)부터

- 우량형 선발방법 인위도태 초기세대 : 자연도태후기 " : 인위도태

- 생산력검정 시기 F5-F6부터 F7-F8부터

- 장점 육종연한 短 우량개체 상실염려 적다小면적 (∵초기세대 no 선발)

- 단점 우량개체 상실염려 육종연한 길고 大면적

* 참고: 계통육종법과 집단육종법의 비교

5. 1개체 1계통법 (single seed descent (SSD)method)

: 세대촉진(rapid generation advance: RGA)을 동원한 집단육종법- Bulk 재배 세대를 세대촉진 온실에서 실시 (온도, 일장처리)- 진행과정은 집단육종법과 동일 but 세대진전시 종자 취급법 상이

Field1000 or more

RGA(Greenhouse)

: 육종연한의 대폭 단축

우량형의 소실 우려 (∵소집단 취급)

자연도태 효과 없음--단지 homozygosity 증가 효과 의의

(∵세대단축온실 조건 재배)

* SSD로 RILs (Recombinant inbred lines)를 만듬.

: F1 --> F2 --- (SSD) → F8/F9 RILs : 유전분석 재료로 이용

➔ 최종적으로 육성된 RILs population에서는

single gene의 분리비는 1:1

독립적인 2개 유전자면 1:1:1:1

(≒ no heterozygotes)

→ 계속해서(세대를 거듭해서) 사용할 수 있고,

집단 유지가 용이함.

AAbb(P1) aaBB(P2)

F1: AaBb

AAbbAabb

aaBBaaBb

aabbAABBAABbAaBBAaBb

X

F2:

선발없이 모든 개체에 대해 집단으로세대 진전, F7~8 또는 그 이상

AABB AAbb aaBB aabbRILs:

1 : 1 : 1 : 1

Year Seasonb)

Pedigree method RGAc)

Anther cultureOne

generationper year

Two generations

per yearCondition A Condition B

1DS Cross Cross Cross Cross Cross

WS F1 F1 F1 F1 F1

2DS

F2～F5

Greenhouse

Anther culture

WS F2 F2 F2

3DS F3

F3～F6

Greenhouse

DH lines

WS F3 F4 F6 Yield evaluation

4DS F5 F7

WS F4 F6 F7 Yield

5DS F7

WS F5 Yield Yield

6DS

WS F6

7DS

WS F7

8DS

WS Yield

Comparison of time required to obtain advanced lines from the pedigree method, rapid generation

advance (RGA), and anther culturea) in rice breeding

a) The generation grown in each season in each year after making the cross is shown. For the pedigree and RGA methods, it is assumed that F7 lines are grown in the pedigree nursery before lines are selected for yield trials. For this example, it is assumed that the cross is made in the dry season and the F2 is grown only in the wet season.

b) DS = dry season, WS = wet season. c) Condition A = F2 generation grown in the field and only WS nurseries can be grown in the field. Condition B = F2

generation grown in the RGA greenhouse and two generations per year can be grown in the field. (Mackill et al, 1996)

* 참고: 육종연한 비교 (IRRI)

Comparison of breeding period of time required to conduct YT (yield trial) after crossing among breeding methods in Korean rice cultivars released in 1997 and 1998

Breedingmethod

Cultivar nameGeneration

of YT

Breeding period from crossing

to YT

Year ofrelease

Pedigreemethod

SurabyeoGwanganbyeoAndabyeoUndubyeoHoanbyeoDongjinchalbyeoChoonhyangbyeoInwolbyeoMananbyeoNampyeongbyeoYounghaebyeoGuroobyeoSangjuchalbyeoHeugnambyeoMean

F7F6F8F6F6F6F6F6F6F7F5F7F6F7

76866666665665

6.1

19981998199819981998199819981998199819971997199719971997

RGA ( bulkmethod withrapidgenerationadvance )

WonhwangbyeoSangmibyeoNamgangbyeoMean

F6F5F8

546

5.0

199819981997

Anther culture

HwabongbyeoHwadongbyeoHwamyoungbyeoAranghyangchalbyeoMean

A4A3A3A3

5544

4.5

1998199719971997

Total 21 cultivars

* 참고: 육종연한 비교 (식량과학원)

6. 여교배 육종법 (backcross method): 자손과 양친중 한쪽을 재차 교배함으로써 특정 우량형질을 집중적으로도입하는 방법

(1) 적용가. 동일 또는 다른 genome으로부터 단순한 우량형질(유전자) 이전시 --- 내병충성 등나. 세포질 도입 또는 핵치환다. 다수 품종의 형질 수렴 --- 한 계통으로라. 양적형질 관여유전자의 집적 --- 양친품종에 분산된 우량유전자들을 집적하여

새 계통을 만들 때 선발효율을 높이기 위하여

(2) 이론적 근거

가. 특정(희망)형질의 육종집단내 고정속도가 빠르다.

나. 자식의 경우와 비교하여 선발효율이 높다.

X

X

X

X

Step 1(Initial cross)

Step 2(Backcross recurrentparent to F1 progeny)

Step 3(Discard homoz. recessive in BC1F1, Repeat BC of recurrent P. to selected progeny)

Step 4(Discard homoz. recessive in BC2F1, Repeat BC of recurrent P. to selected progeny desired No. of times)

tt TT

Tt

Tt

Tt

tt

tt

tt

tt

tt

tt Tt

BC1

BC1F1. BC2

BC2F1. BC3

BCnF1

최종적으로 T 유전자가도입된 A 품종육성

A B

50%

75%

87.5%

~100%

선발하여계통육종과동일한 방법 적용

A: 반복친(recurrent parent)연속하여 교배하는친

B:1회친(공여친; donor parent)특정 형질(유전자)를제공하는친

100%

(3) 과정a. 우성유전자 도입시 : 도입할 형질(유전자)을 검정하면서 세대마다 여교배

b. 열성유전자 도입시: : 2회 교배후 F2 전개하여 선발하고 다시 여교배

DD ddx

Dd DDx

DdDD

DdDD dd DDx

Dd DDx

DdDD

DdDD dd DDx

F1 BC1

BC1 F1

BC1 F2 BC2

BC2 F1 BC3

BC3 F1

BC3 F2 BC4

나. 세포질 도입 또는 핵치환

* 위에서 CGMS이라면 Q친의 임성회복 유전자 구성은 ??

다. 여러품종에 산재한 형질 수렴 (1개 계통으로): 단순유전자 관여 우량형질들 여러 개를 1개 품종으로 집적

라. 양적형질에 관계하는 복수유전자 또는 polygene의 집적:양친이 극도의 원연일 경우 목표 양적형질에 관여하는 유전자들을 집적할 때

마. 유전분석 재료 육성에 효과적

▷ NILs(Near-isogenic lines) 육성 : 특정 유전자 외에 다른 유전자(genetic

background) 는 동일한 계통들.

* 특정 형질(유전자) 도입 여교배의 결과

- 원품종 A

- T 유전자 도입 A

예) 벼멸구저항성유전자의 NILs

Bph1, Bph2, Bph3, . .

: 이 유전자를 가진 품종을 donor parent로 특정 반복친으로 여교배하여 육성

→ 유전자의 분리, 유전자의 영향(효과) 평가에 이용

▷ BILs (Backcrossed inbred lines) 육성

: BC1F1 --> BC1F2 --> .... --> BC1F8 ~ F9 : 선발없이 RILs 육성시와 동일하게 진

행. 이 경우에는 야생종과 재배종을 교배하여 후대에서 분석집단을 만들고자 할 때

주로 사용. (∵야생종과 재배종을 교배한 F1, F2 등의 후대는 매우 불임이 심하여 집단

을 확보할 수 어렵다)

서로 NILs임.

(4) DNA marker(표지)의 이용 (이전 목표형질의 유지시)(marker: A gene with a known location on a chromosome and a clear-cut

phenotype used as a point of reference )- 우성유전자일지라도 저항성, 내재해성, 품질 등 특성검정이 어려운 형질을

이전할 때- 열성유전자 관여 형질- 소수유전자가 관여하는 양적형질

(방법)a. 목표유전자와 가깝게 연관된 DNA marke의 탐색.

: SSR, STS, SNP marker 등b. BCnF1개체들의 특성을 검정하는 대신 DNA를 분석하여 연관된 marker를

이용 간접선발c. 간접선발된 개체들에 대해 BC* 주의: 가깝게 연관되지 않은 marker를 이용하여 간접선발할 경우 이전형질의 소실 우려

(5) 성공적이기 위한 구비조건가. 만족할만한 반복친이 있어야 한다. : BC육종법은 실용품종의 한두가지

결함 형질개량에 효과적. 주로 결함이 적은 우량품종을 반복친으로 사용.나. BC 과정중 이전형질의 특성유지가 가능해야 한다.: 이전 목표형질은 소수의 유전자가 관여하는 형질, 감별이 용이한 형질이 적합.

다. 여교잡 후 반복친의 유전배경(genetic background)를 회복할 수 있어야 한다.* ind, jap 의 품질, 초형 관계 ?

(6) 기타 고려사항

가. 교배방향 (F1과 반복친 중 어느것을 자방친으로 사용할 것인가?)

a. 세포질유전 형질의 유지를 위해 최소 1회는 반복친을 자방친으로 사용.

b. 보통 반복친을 자방친으로 사용

- 교배의 성공여부 판정 용이 (특히 이전코자 하는 형질이 우성인 경우)

* 열성형질일 경우도 반복친은 유전적으로 고정된 것이기 때문에 selfing여부

쉽게 판정 가능. but F1을 자방친으로 사용하여 교배 실수시 F2가 되고

이것은 교배된 것인지 아닌지 구별이 어려움.

- F1 한 개의 꽃으로 다수의 교배종자를 얻을 수 있다. (∵ BCnF1은 숫자가 제한)

- 교배를 위한 개화기 조절이 용이하다.--(반복친은 대량취급이 가능하므로)

c. F1을 자방친으로 할 경우

: F1의 불임이 심한 경우 (불임의 대부분 원인은 화분불임)

--- remote cross시에

벼 jap x ind → F1 (불임극심)

무우 x 배추 → F1 (완전불임)

나. BC 횟수- 반복친의 유전구성을 회복할 때까지

* 보통 4-6회 면 충분 (2-10회) ∵ 연관 때문에 조기 회복* 목적형질 도입과 동시에 반복친과 유사하면서도 보다 우량한 재조환형을얻고자 하는경우에는 횟수 줄임.

- BCnF2를 재배하여 선발(이전형질 보유하면서 반복친과 유사한 개체)하면 더욱 효과적: BC 2-3회의 효과

다. BCnF1 집단의 크기 (얼마나 많은 교배종자가 필요한지?) : 목표형질의 유전특성에 좌우

𝑛 ≥log(1 − 𝑃)

log(1 − 𝑓)P = 희망 개체를 얻고자 하는 확률f = BCnF1에서 heterozous 개체의 출현 비율

예) 단순유전자(우성) 도입시 BCnF1 집단에서Rr : rr = 1:1 분리한다.99% 확율로 Rr 개체를 얻고자 하면

➔ 최소 7개 이상 교배해야

𝑛 ≥log(1−0.99)

log(1−0.5)=6.64

품종수 평균년수*

계통육종법 61 6.4

계통육종법 + RGA 36 4.4

집단육종법 + RGA 22 4.4

약배양 11 3.6

여교배육종법 5 7.2

돌연변이육종법 5 5.9

순계분리육종법 2 3

집단육종법 3 6.7

계 145 5.3

우리나라 벼 품종 육성시 사용한 주요 육종 방법 및 소요연한 (작물과학원, 1995~2007)

RGA: 최소 1회 이상 년 2세대 경고할 수 있도록 세대 촉진하였음.* 최초 교배 또는 육종조작 처리 후 최초 생산력 검정까지의 소요년수