본 연구는 감자에 하나 이상의 유전자를 동시에 도입하는 co-transformation 기술을 이용하였다. Erwinia herbicola로부터 분리한 유전자들과 Patatin promoter를 동시에 도입하여 총 카로티노이드와 베타카로틴의 함량을 대폭 늘렸다. 또한, 카로티노이드를 보다 많이 저장할 수 있도록 공간을 제공하는 전략과 Zep 유전자의 anti-sense 단편을 도입하여 카로티노이드와 zeaxanthin의 함량을 늘렸다. 마지막으로, Dxs 유전자를 도입하고 Crt B를 과발현시켜 카로티노이드 종류들의 함량을 증가시켰다.
<h1>감자의 괴경 내 특정카로티노이드를 집적시키기 위한 전략</h1> <p>특정 카로티노이드를 감자의 괴경에 특이하게 집적시키기 위하여 다양한 전략이 사용되었다. 첫째는 특정 유전자를 과 발현시키는 방법으로 \( D x s \) 와 \( C r t B \) 유전자를 감자의 괴경에 특이하게 발현을 유도하는 Patatin promoter와 완두에서 분리한 rbc \( \mathrm{S} \) transit peptide를 이용하여 감자의 괴경내 색소체에 카로티노이드가 집적되도록 하였다. 그 결과 \( D x s \)유전자를 도입한 감자에서 phytoene이 집적되는 것을 확인하였으며 (Morris et al. 2006a), \( \mathrm{Crt} B \) 를 과 발현시켜 \( \beta \)-carotene, lutien, violaxanthin, Anteraxanthin의 함량이 증가된 것을 확인하였으며 특히 lutein의 경우 비형질전환체에 비하여 19 배나 증가하였다고 보고하였다 (Ducreux et al. 2005).</p> <p>두 번째 전략은 anti-sense유전자를 도입하여 특정 유전자의 발현을 down-regulation시키는 방법을 사용하였다.Diretto 등 (2006; 2007b)은 Lcy-e와 Chy유전자의 anti-sense 단편을 Patatin promoter에 연결하여 도입한 결과 전자의 경우에는 총 카로티노이드의 함량이 \( 2.5 \) 배까지 증가함과 동시에 \( \beta \)-carotene의 함량이 14 배 증가하였다고 보고하였으며, 후자의 경우에는 총 카로티노이드의 함량이 \( 4.5 \) 배까지 증가하고 \( \beta \)-carotene의 함량이 38 배까지 증가하는 획기적인 연구결과를 보고하였다. 이러한 결과는 \( \mathrm{a} \)-carotene 의 생산을 위한 분지과정의 첫 단계에 관여하는 Lcy-e 유전자와 \( \beta \)-carotene의 hydroxylation과정을 통하여 그 아래 단계의 zeaxanthin, violaxanthin, antheraxanthin등의 합성을 저해한 결과 전구물질들이 집적된 것으로 사료된다. 이와 유사하게 \(Zep\) 유전자의 anti-sense 단편을 감자에서 분리 한 granule-bound starch synthase 유전자 \((GBSS)\)의 promoter에 연결하여 도입한 결과 총 카로티노이드의 함량이 \( 5.7 \) 배 증가하였고, zeaxanthin의 함량이 4 에서 130 배 증가하였다고 보고하였다 (Römer et al. 2002).</p> <p>다음으로는 하나 이상의 유전자를 동시에 도입하는 co-transformation기술을 도입한 것으로 Erwinia herbicola로부터 분리한 \( Crt B\) , \( Crt I\) , 그리고 \( C r t Y\) 유전자를 Patatin promoter를 이용하여 동시에 감자에 도입한 결과 총 카로티노이드의 함량이 20 배까지 증가함과 동시에 \( \beta \)-carotene의 함량이 3,600 배까지 증가하였다고 하였다 (Direto et al. 2007a). 이 결과는 현재까지 알려진 연구결과로는 가장 성공적인 결과로 밝혀졌다. 뿐만 아니라 황금감자 (golden tuber)라고 불리는 형질전환계통을 대상으로 감자의 괴경내 carotenoid의 함량을 극대화시키면서 다른 유전자의 전사활동 또는 생합성대사과정에 영향을 미치지 않고 농업적 특성을 변화시키지 않는 최적의 계통을 구명하기 위한 추가적인 연구결과도 발표하였다 (Diretto et al. 2010). 한편 \(RNAi \) 기술을 이용하여 \( C C D 4 \) 를 감자에 도입하여 down-regulation 시킨 결과 괴경 내 총 카로티노이드의 함량이 4 배 증가하였으며 특이하게도 violaxanthin의 함량이 4 배까지 증가하면서 노란색 속살을 가진 감자를 생산하였다고 보고 하였다 (Campbell et al. 2010). 뿐만 아니라 잎, 줄기, 뿌리 등에서는 카로티노이드의 함량에 변화가 없었으나 petal에서 특이하게 카로티노이드의 함량이 증가하여 노란색으로 변화하였다고 보고하였다.</p> <p>마지막으로 카로티노이드 등의 화합물을 저장할 수 있는 공간을 보다 많이 제공함으로서 보다 많은 카로티노이드가 집적될 수 있도록 하는 전략이다. 최근에 발표된 연구결과에 의하면 \( O r \) 유전자를 \( G B S S \) promoter에 연결하여 도입한 결과 총 카로티노이드 함량이 6 배까지 증가하였을 뿐만 아니라 phytoene, phytofluene와 같은 카로티노이드 합성과정의 전구물질이 축적된 것을 보고 하였다 (Lopez et al. 2008; Van Eck et al. 2010). 그러나 잡색체 또는 엽록체의 분화 및 소멸과정 등의 분자생물학적 조절 기작에 관하여 아직은 보다 많은 연구가 이루어져야 하며 특히 빛이 없는 땅속에서 발육하는 감자의 괴경 조직 내에서 \( \mathrm{Or} \) 유전자의 발현과 관련된 생리생화학적인 연구결과가 집적되어야 할 것으로 사료된다.</p>