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연구자료 제출 및 조회
제목 배추의 양적형질 유전자좌 탐색 결과를 통한 배추과작물의 구조적, 기능적 보존성에 대한 연구 날짜 2013-03-26
<배추의 양적형질 유전자좌 탐색 결과를 통한 배추과작물의 구조적, 기능적 보존성에 대한 연구>

- 충남대학교 임용표 교수-

Brassica rapa(2n=20, AA) 는 한국, 중국, 일본에서는 엽채류로, 인도, 캐나다 등에서는 유지류로, 유럽에서는 사료작물로써 널리 재배 및 생산되고 있는데 각기 다른 지리학적 여건 및 기후조건에 적응하여 진화한 배추, 박쵸이, 순무 등 형태적으로 다양한 아종들이 Brassica rapa에 포함된다. 지난 20여년간, 다양한 유전자원을 이용하여 분자마커 및 유전자 지도가 여러 연구진에 의해 개발되었으며 erucic acid, 글루코시놀레이트, 개화시기, 수량 및 병저항성 형질에 대하여 양적형질 유전자좌가 보고되었다. 또한 널리 재배되고 있는 배추과 작물간의 비교유전체 연구를 통하여 3종류의 이배체인 Brassica rapa (AA), Brassica nigra(BB), Brassica olearacea(CC) 게놈과 이들간의 교배로 생성된 3종류의 배수체인 Brassica juncea(AABB), Brassica napus(AACC)간에 동조염색체가 유전체 구조상 잘 보존되어 있음이 보고되었다. 더불어 Brassica와 애기장대 유전체간에 비교유전체 연구는 배추과 유전체가 애기장대 유전체를 평균적으로 세 개의 카피 (three copies) 가지고 있는 삼배체 특성을 나타냈다.

충남대학교 임용표교수는 농업적으로 중요성으로 유전체 염기서열 정보를 육종에 적용, 진화상 배수체 현상과 이로써 연관된 유전자의 기능을 연구하기 위하여 복잡한 Brassica 유전체의 전체 염기서열을 분석하고자 영국 John Innes CentreIan Bancroft와 함께 ‘Multinational Brassica Genome Sequencing Project' 설립을 주창하여 이를 2003년에 발족시킨바 있다. 이때 농업적으로 중요한 6종류의 재배종 중에서 첫 번째로 전체 염기서열 분석을 위한 표준 재료로써 유전체 크기가 가장 작은(529Mb, AA) 지부계 배추를 선택하여 국제적인 공동연구를 거처 유전체 초안을 2011년도에 보고하였다.

최근 염기서열 분석 기술의 발전으로(NGS) 단시간에 전체 유전체 염기서열 분석이 가능함에 따라 작물 육종에 있어서도 분자마커를 이용하는 분자육종에서 유전체 정보를 기반으로 하는 유전체육종의 개념이 대두되고 있다. 유전체 정보를 이용함으로써 농업적으로 중요한 형질에 관여하는 유전체 부위(양적형질 유전자좌) 탐색결과에 관여하는 후보 유전자 예측이 가능하며 유전자를 목표로 하는 분자마커 개발이 가능하여 육종에 직접적으로 사용될 수도 있게 되었다. Oleifera, sarson 의 유지류 타입의 Brassica rapa에서 종자의 수량 및 품질은 매우 중요한 형질이나 엽채류인 지부계에서는 잎의 형태적 형질, 수량에 대한 QTL은 보고되었으나 이러한 형질에 대한 연구 및 형질에 관여하는 유전자에 대한 연구는 아직 보고되지 않았다.

본 연구에서는 개화시기, 개화조건, 잎과 꼬투리의 모양, 종자 형질에 있어 현저한 차이를 나타내는 양친 계통으로 결구형 배추인 지부계와 생활환이 매우 짧으며 야생형인 RCBr을 이용하여 만든 CRF3 집단을 이용하여 분석하였다. Pearson의 상관계수 분석을 통해 잎형태 연관 형질간에서 상관관계성(r=0.53-0.92)밝혔고 꼬투리 연관 형질, 추대 및 개화시기, 잎의 형태에 관한 형질 또한 상관성이 있음을 확인하였다. 결과적으로 14종류의 형질을 조사한 결과 총 95개의 양적형질유전자좌를 확인할 수 있었으며 형질별로 4개에서 14개의 양적형질유전자좌를 확인할 수 있었다. 그 예로 초장에 연관한 형질 조사에서 총 7개의 QTL6개의 염색체(A2, A3, A5, A7, A9, A10)에서 검출하였고 이들은 R, J, E, H, A block에 해당함을 밝힌 바 있으며, 5가지 잎 연관 형질(잎과 중륵의 길이 및 폭, 엽병 길이)에 관여하는 QTL을 확인할 수 있었다. 추대형질에 관하여 10개의 QTL을 확인하였으며, 개화 시기 형질에서 춘화처리 없이 개화되는데 관여하는 12개의 QTL을 확인하였다. 꼬투리 길이 형질에서에 총 9개의 QTL을 꼬투리 폭 형질에서는 7개의 QTL을 확인한 바 있다.

QTL block에서 후보유전자를 선발하기 위하여 개화시기 및 추대, , 꼬투리 형질에 관한 QTL이 밀집한 A2 염색체의 R block에서 후보 유전자를 탐색하여 gibberellic acid(GA) oxidase 3(AtGA20OX3)cytokinin oxidase/dehydrogenase 5(AtCKX5), flowering locus C(FLC), GA-stimulated Arabidopsis(GASA4), constans-like(COL) gene familyorthologs를 찾아내게 되었다. 그 한 예로 Brassica homologs BraFLC, BraGA20OX3A2, A3, A10염색체의 R block에 위치함을 확인 할 수 있었으나 몇몇 paralogsBrassica 유전체에서 다른 위치에 존재함을 알 수 있었다.

형태적 및 수량 형질에 관여하는 유전자에 대한 특이적인 SNP 마커를 개발하기 위해 애기장대 및 배추에서 후보유전자의 염기서열을 이용하여 비교 분석하였다. 후보 유전자군 별로 하나부터 여러 개의 SNP를 확인 할 수 있었으며 엑손보다는 인트론에서 더 많은 변이를 볼 수 있었으나 A2, A10R block에 위치하는 BraGA20OX3A03J block에 위치하는 BraCKX1 경우에는 SNP가 존재하지 않았다. 실험으로 SNP를 입증하기 위해, SNP에 인접한 염기서열을 이용하여 12쌍의 프라이머를 디자인하여 양친과 분리집단에서 유전자형을 조사하였으며, 12쌍 중에서 다형성이 분명한 10쌍을 이용하여 유전자 지도에 표기해 본 결과 QTL 위치와 일치하여 표기되었으며 형질의 표현형 값과 연관성 분석에서도 상관성이 있음을 알 수 있었다. 몇 몇 잠정적인 후보유전자군의 코딩 부위에서 SNP는 아미노산 생성에 영향을 미치는 것으로 나타났고 이는 기능적인 역할에서 변화가 일어나 결과적으로 표현형의 차이를 유발할 가능성이 있음을 알 수 있었다. 따라서 이를 확인하기 위하여 semi-quantitative RT-PCR 분석으로 후보유전자들이 지부계와 RCBr에서 발현되는 정도의 차이를 분석 하였는데 식물의 성장과 잎, 꽃 발달단계에 영향을 미치는 것으로 알려진 gibberellin biosysnthesis and oxidase, cytokinin oxidases/dehydrogenases, growth-regulating factor gene families에서 지부계와 RCBr에서 발현정도가 차이가 있음을 확인 할 수 있었다. BraCKX5, BraCKX3a, BraCKX1a, BraCKX7a는 지부계에서 높이 발현됨을 나타낸 반면 RCBr에서는 발현 정도가 미비하거나 발현되지 않았지만 FLC, FT, COL, GA4와 같은 개화 조절에 관여하는 유전자군을 이용한 분석에서도 발현도의 차이를 보였다.

이러한 결과를 바탕으로 B. rapa에서 분리 동정한 찾은 QTL을 기타 배추과 작물인 B. juncea, B. napus에서 연구된 QTL과 비교하여 유전체에서 구조적, 기능적으로 보존된 영역이 있는지를 동정하였다. A, B, C 유전체 세 종류의 농업 및 수량 형질의 QTL 결과를 비교한 결과 총 4군데의 homologous/homoeologous groups(HGs)동정할 수 있었다. 첫 번째는 A2R block으로 개화시기, 식물의 키, 종자 형질들의 주동 유전자가 위치하였으며 두 번째 HGsA3R, J, F block으로 R block에는 종자무게, 수량, 개화시기 형질이 위치하였으며 J block에는 개화시기, 꼬투리 형질이, F block에는 식물의 키에 관한 형질 QTL이 분포하였다. 가장 중요한 HG7E block에는 식물의 키, SW, 개화시기, 꼬투리 수와 밀도, 꼬투리당 종자수에 관현 형질의 QTL이 분포하였다. A10에 위치하는 HG10에는 W, R block이 포함되었는데, W block은 꼬투리당 종자수, 꼬투리 길이 형질, 개화시기, 식물의 키, 잎 형질의 QTL이 분포하였다. R block에는 식물의 키, 측지수, 개화시기, 꼬투리 형질의 QTL이 분포하였다.

그림 1. 배추 유전체의 형태 및 수량 연관 양적 형질 유전자좌의 분포

그림 2. 형태 및 수량 연관 양적 형질 연관 후보 유전자들의 발현양 비교

 

결론적으로 염색체를 구분할 수 있는 BAC 클론을 이용하여 개발한 SSR 마커와 유전자에서 개발한 intron polymorphism(IP) 마커, EST염기서열에서 개발한 EST-SSR 마커를 사용하여 배추의 형태 및 수량형질에 관여하는 양적유전자좌(QTL)을 유전체에 표기하는데 성공하였다. 또한 차세대 염기서열 분석 방법으로 모본과 부본의 전염기서열을 분석한 정보를 이용하여 양적형질유전자좌에서 형질에 관여할 것으로 추정되는 후보유전자를 선발하고 이들을 이용하여 단일염기서열 수준에서 변이 역시 확인하였다. Brassica rapa에서 QTL이 분포하고 있는 유전체 부위를 Brassica juncea Brassica napus 유전체와 비교하였을 때 유사한 QTL이 위치함을 확인 할 수 있었는데 이는 A, B, C 유전체가 유전체 구조 뿐만 아니라 형질에 관한 기능면에서도 매우 보존적임을 의미하며 이들 결과는 B. rapa에서 개발한 형질 연관 후보 유전자 정보가 타 작물의 육종에도 적용이 가능함을 보여주는 중요한 연구 성과물이다.

 

Xiaonan Li, Nirala Ramchiary, Vignesh Dhandapani, Su Ryun Choi, Yoonkang Hur, Il Sup Nou, Moo Kyoung Yoon, Yong Pyo Lim. 2012. Quantitative trait loci mapping in Brassica rapa revealed the structural and functional conservation of genetic loci governing morphological and yield component traits in the A, B, and C sub-genomes of Brassica species. DNA Research doi:10.1093/dnares/dss029 First published online: December 7, 2012

 

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