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서독의 '막스-플랑크,연구소는 1928년 설립이래 줄곧 감자의 육종재배를 연구하여 왔다. 최근에 들어서 전통적인 육종기술이 현대적인 유전공학과 손을 잡게됨으로써 감자의 육종기술에 있어서 새로운 장을 열었다.
 

이 연구소의 육종연구는 4개의 연구분과들이 서로 밀접한 연결을 가지면서 연구를 하고 있다.
 

우선 생화학 연구팀은 식물이 어떤 방어무기로써 외부의 공격에 의한 상처로부터 자기 자신을 방어하는가를 연구한다. 즉 식물의 유전자가 어떤 메카니즘으로 상처로 부터 자기방어를 하는지 연구하는 것이다.
 

둘째, 분자-식물 유전공학 연구팀은 식물의 소위 배반(肧盤) 유전자를 추출한 후 거기에 여러 조작을 가하여 단일한 유전자를 분리해내는 연구를 하고 있다. 예를 들어 이 연구팀은 식물의 어떤 유전자가 어떤 과정으로 단백질과 당류를 만들어 내며, 그것들이 병을 일으키는 것에 어떻게 저항하는가를 알아내려고 한다.
 

셋째, 식물육종에 있어서의 유전학적 기초 연구 분과에서는 땅속에 살고 있는 박테리아에 의한 유전자들의 전이 메카니즘을 연구한다.

마지막으로 식물육종과 수확생리학 연구분과에서는 병원체나 말라 죽게 하는 것과 같이 감자재배에 해로운 요소에 대해서 감자가 저항력을 갖게 하기 위해서 그동안 사용하여 왔던 고전적인 육종방법을 하나하나 점검하는 연구를 하고 있다.
 

이상과 같이 4개의 고전적인 혹은 현대적인 연구 분과가 서로 결합하여 식물육종의 길을 열게 되는 것이다.
 

감자의 병은 파이토프토라 균에 감염되어 생기는 부패병이 가장 문제가 된다. 이에 대해 이제까지는 저항력이 높은 감자의 재배, 균의 투입, 균제거 수단의 도입 등에 의해서 이러한 부패병의 치료를 해왔다. 즉 육종의 목적은 균에 대한 저항력을 강화시키는 것이다. 그런데 이것을 현대적인 유전공학적 입장에서 본다면 결국 육종이라는 것은 유전자와 유전자와의 관계로서, 결국 병을 일으키는 유전자와 식물유전자와 사이의 전쟁인 것이다.
 

시간이 흐름에 따라 식물육종가들은 감자에 점차로 새로운 저항 유전자들을 배치한 셈이 되었다. 그러나 정확하게 어떤 유전자가 그러한 저항에 관여하고 또 그들의 복합작용으로 어떻게 저항력이 얻어지는가에 대해서는 거의 연구되어있지 않았다.
 

이에 막스-플랑크 연구소 생화학 분과에서는 이 저항력에 관한 분자생물학적 기초를 연구한다. 과학자들은 감자-파이토프토라 감염 시스팀에 대한 연구에서, 병원균의 발생에 의해서 '페닐프로판'(Phenylpropan) 물질대사가 아주 급격히 증가되는 것을 발견하였다.
 

이러한 메카니즘이 유전학적으로 어떻게 작용하는가를 보이기 위해서 과학자들은 우선 페닐프로판 물질대사에 관여하는 한 효소의 RNA에 그들의 연구를 한정시킨다. 이 RNA분자는 DNA로 구성되어 있는, 세포핵 속의 유전자를 복제한다. 이렇게 RNA를 찾아낸 다음 세포핵 속에서 거기에 대응하는 DNA를 찾아내고 이것을 육종에 활용하게 되는 것이다.
 

감자의 세포핵 속에서 DNA를 추출하는 방법을 다음과 같다. 우선 감자를 아주 잘게 썬 다음 원심분리기에 넣고 돌린다. 원심분리가 된 용액에는 녹말과 세포핵과 같은 원형질을 포함하고 있다. 이것을 털로 된 붓으로 조심스럽게 섞으면 초록색의 현탁액이 된다. 이것으로 다시 원심 분리하면 녹말은 바닥에 가라앉고-원형질은 그 위에 뜨게된다. 이때 중간에 세포핵을 포함하고 있는 엷은 초록색 고리가 생기는데, 여기에 감자 DNA가 포함되어 있다.
 

'식물육종에 있어서의 유전학적 기초' 연구분과에서는 식물조직의 형성에 관여하는 파라틴(Paratin) 유전자를 추출하는데 성공하였다. 파라틴은 감자의 덩굴줄기에 있는 가장 중요한 저장 단백질이다. 이 연구팀은 이러한 유전자를 분리해낼 뿐만이 아니라 이것을 식물의 조직배양에서 이 유전자를 이식시키는데에도 성공하였다. 이로써 지금까지의 육종에서 얻은 것보다도 더욱 양질의 단백질을 얻는 것이 그다지 어렵지 않게 되었다.
 

이외에도 연구팀은 배반(肧盤)유전자의 치환에 의한 육종을 연구하고 있다. 배반 유전자는 아직 확정된 염색체가 들어 있지 않은 유전자 조각으로서 다른 유전자를 치환시켜 집어 넣음으로써 그 작용을 바꿀 수 있게 할 수 있다.
 

물론 위와 같이 해서 얻은 파라틴 유전자와 같은 것을 유전공학적으로 이용하기 위해서는 이러한 유전자를 하나의 특정한 식물세포속에 DNA 유전자 조각들을 다시 집어 넣는 문제가 남아 있다. 예컨대 현재 이것은 박테리아의 도움으로 가능하다. 특정한 박테리아들은 유전자들을 식물세포 속에 끼워넣게 한다.

고전적 식물육종법과 유전공학적 방법의 비교 7대1의 게임
 

식물육종법은 종종 도박의 기술과 비유된다. 특정한 종류의 식물에서 새로운 특질을 교배를 통해 얻어내기 위해서는 평균 7년의 세월이 걸린다. 현대의 분자 생물학의 도움으로 이러한 도박놀이는 단축되게 된다. 마치 유전공학이란 첨단학문이 포커놀이의 조커로 작용한 셈. 한 예를 들어보자. 수확량이 많은 한 재배종 감자는 병원균에 감염되기 쉽다. 반면에 수확량이 적은 어떤 야생종 감자는 병원균에 대한 저항력이 강한 것이 알려져 있다. 이 두종의 감자를 교배하면 재배종과 야생종의 유전자는 서로 반반 정도 섞이어 나타나게 된다. 이렇게 얻은 감자는 저항력은 다소 증강되나 수확량에 있어서 원 재배종의 50%정도 밖에는 안된다. 따라서 수확량을 높이기 위해서는 또다시 이것을 재배종 감자와 교배하지 않으면 안된다. 2차 교배후 나타나는 신품종은 재배종의 75%의 유전질을 포함하게 되며 저항 유전자도 포함한다. 결국 수확량이 높은 재배종의 유전질을 약 98% 이상 포함하고 저항유전자를 간직하는 새로운 품종을 얻어내기 까지는 약 7년이 걸린다.
 

이러한 고전적인 역교배 방식은 많은 시간이 걸린다는 단점이 있다. 여기에 육종학의 조커인 유전공학이 이것을 단축시키게 된다. 만약 우리가 저항유전자를 분리해내고 그것을 식물에 직접 이식시킬 수만 있다면 우리는 단 1년만에 원래의 재배종의 우수한 형질과 함께 원하는 저항유전자를 동시에 가지게 되는 식물을 만들어 낼 수 있는 것이다.
 

그 방법은 다음과 같다. 우선 감자의 조각을 얇게 썰어 그것을 인공 배양을 한다. 여기에 야생종에서 추출해낸 저항유전자를 삽입시킨다. 이 과정은 박테리아의 도움을 받을 수도 있고, 유전물질인 DNA를 원형질에 직접 첨가하는 방법도 있다.
 

그런데 모든 감자 조각의 세포에 고루 저항 유전자가 들어 갔는지를 확인하기 위해서 이러한 조작을 가한 후, 실험적으로 병원균을 주입해 보아야 한다. 만약 저항유전자를 받아들였다면, 그 감자 조각은 건강할 것이요, 그렇지 못한 감자조각은 병들어 죽을 것이다. 결국 여기서 얻어낸 새로운 품종의 감자는 수확성도 좋고 저항력도 강한 것이 되게 된다.