조·만생종 단감 과실의 발육 단계별 주요 형질 및 전사체 비교 분석 Comparative analysis of traits and transcriptome for early and late ripening sweet persimmon fruits at different developmental phases원문보기
본 연구는 완전단감 품종 중에서 만생종인 ‘부유’와 조생종인 ‘조추’의 과실 발육 단계 별 주요 형질과 과실 내 발현되는 전사체의 비교 분석을 통해, 만생종과 조생종 간 숙기가 조절되는 유전적 메커니즘을 이해하고자 수행하였다. 2016년부터 2년간 개화 후 6주부터 ‘조추’는 개화 후 18주까지, ‘부유’는 24주까지, 과실 횡경은 1주 간격으로, 과중, 경도, 과피색, 탄닌 함량, ...
본 연구는 완전단감 품종 중에서 만생종인 ‘부유’와 조생종인 ‘조추’의 과실 발육 단계 별 주요 형질과 과실 내 발현되는 전사체의 비교 분석을 통해, 만생종과 조생종 간 숙기가 조절되는 유전적 메커니즘을 이해하고자 수행하였다. 2016년부터 2년간 개화 후 6주부터 ‘조추’는 개화 후 18주까지, ‘부유’는 24주까지, 과실 횡경은 1주 간격으로, 과중, 경도, 과피색, 탄닌 함량, 유리당 함량은 3주 간격으로 조사한 결과, 조사된 모든 형질의 변화 패턴은 ‘조추’의 과실 성숙이 ‘부유’보다 이른 시기에 시작됨을 보여 주었다. 과실 횡경과 과중은 두 품종 모두 전형적인 2중 S자형 생장곡선을 그리면서 발육했고, ‘부유’에 비해 ‘조추’에서 발육 제2기가 짧고, 제1기에서 제3기로 빠르게 이행되었다. 과실 경도는 개화 후 15주부터 ‘조추’에서 크게 감소하여 품종 간 차이가 급격하게 커졌고, 색도는 ‘부유’에 비해 ‘조추’에서 과피 착색이 빠르게 진행되었고, 개화 후 18주에 두 품종 간 차이가 현저하게 드러났다. 가용성 탄닌 함량은 개화 후 12주 이후에 두 품종 모두 크게 감소했고, 불용성 탄닌 함량은 발육 초기에 급격히 줄어든 후, 완만하게 감소하는 추세를 보였는데, ‘조추’에서 감소폭이 컸다. 과실 내 유리당 함량을 조사한 결과, ‘조추’의 서당 감소 시점이 ‘부유’에 비해 약 9주 빨랐다. 두 품종의 과육 전사체 분석은 개화 후 9주부터 18주까지 3주 간격으로 수행하였다. 전사체의 GO term 분석에서는 세포와 세포소기관에서 대사과정과 발육을 조절하는 촉매작용과 수송 관련 유전자, 그리고 KOG 분석과 KEGG pathway 분석에서는 신호전달과 핵산구조, 전분과 당 대사에 관한 pathway 유전자가 주를 이루었다. DEGs 분석은 각 품종의 개화 후 9주의 과육 샘플을 대조구로 하여 이후 18주까지 3주 간격의 샘플을 처리구로 비교한 DEGs set Ⅰ과 각 단계별로 ‘부유’를 대조구로 하고 ‘조추’를 처리구로 비교한 DEGs set Ⅱ로 분석하였다. DEGs set Ⅰ의 발현량을 분석한 결과, 3가지 비교조합 중에서 ‘부유’는 개화 후 18주에, ‘조추’는 15주에 대조구에 비해 처리구에서 up-regulation된 유전자의 개수가 가장 많았다. DEGs set Ⅱ에서는 ‘부유’에 비해 ‘조추’에서 개화 후 12주에 down-regulation되는 유전자가, 15주에는 up-regulation되는 유전자가 많았다. KEGG 분석으로 확인한 결과, 모든 단계에서 2차 대사물질의 생합성과 탄수화물 대사에 관련된 유전자들의 gene count가 많았는데, 특히 개화 후 12주에는 ‘조추’에서 이들 pathway에 관련된 유전자의 down-regulation이, 15주에는 up-regulation이 월등히 많은 것으로 나타났다. DEGs set별로 시간의 흐름에 따라서 같은 패턴으로 변화하는 유전자를 하나로 cluster로 묶어서 clustering 분석을 수행한 결과, 주로 cytoplasm에서 transport 기능을 하며, 분자적으로는 nucleotide binding에 관련된 유전자 중, 성숙을 촉진하는 유전자들의 up-regulation과 성숙을 방해하는 유전자들의 down-regulation을 ‘조추’에서 확인할 수 있었다. 과실 형질 관련 후보유전자의 발현량을 형질변화와 비교 분석한 결과, 탄수화물 대사에 관련된 UGPase-1과 AGPase-1, 탄닌 생합성 경로의 DkLAC1, 카로티노이드 생합성 경로의 CRTISO와 PDS, 에틸렌 생합성 경로의 ACS와 ACO는 ‘조추’의 조기 과실 성숙을 유도하는 유전자로 추정되었다. Transcription factor(TF)로는 ethylene responsive gene의 promoter에 결합하는 ERF3와 ACS의 promoter에 결합하는 MADS-box TF인 RIN, AGL, FUL, 그리고 climacteric type의 성숙을 조절하는 NAC가 ‘부유’, ‘조추’ 단감의 성숙 조절에 핵심적 역할을 하는 것으로 추정되었다. 이들 12개 유전인자간 긴밀한 cascade 형성과 상호 보완적 작용이 단감 성숙기를 결정짓는 것으로 추론되었다.
본 연구는 완전단감 품종 중에서 만생종인 ‘부유’와 조생종인 ‘조추’의 과실 발육 단계 별 주요 형질과 과실 내 발현되는 전사체의 비교 분석을 통해, 만생종과 조생종 간 숙기가 조절되는 유전적 메커니즘을 이해하고자 수행하였다. 2016년부터 2년간 개화 후 6주부터 ‘조추’는 개화 후 18주까지, ‘부유’는 24주까지, 과실 횡경은 1주 간격으로, 과중, 경도, 과피색, 탄닌 함량, 유리당 함량은 3주 간격으로 조사한 결과, 조사된 모든 형질의 변화 패턴은 ‘조추’의 과실 성숙이 ‘부유’보다 이른 시기에 시작됨을 보여 주었다. 과실 횡경과 과중은 두 품종 모두 전형적인 2중 S자형 생장곡선을 그리면서 발육했고, ‘부유’에 비해 ‘조추’에서 발육 제2기가 짧고, 제1기에서 제3기로 빠르게 이행되었다. 과실 경도는 개화 후 15주부터 ‘조추’에서 크게 감소하여 품종 간 차이가 급격하게 커졌고, 색도는 ‘부유’에 비해 ‘조추’에서 과피 착색이 빠르게 진행되었고, 개화 후 18주에 두 품종 간 차이가 현저하게 드러났다. 가용성 탄닌 함량은 개화 후 12주 이후에 두 품종 모두 크게 감소했고, 불용성 탄닌 함량은 발육 초기에 급격히 줄어든 후, 완만하게 감소하는 추세를 보였는데, ‘조추’에서 감소폭이 컸다. 과실 내 유리당 함량을 조사한 결과, ‘조추’의 서당 감소 시점이 ‘부유’에 비해 약 9주 빨랐다. 두 품종의 과육 전사체 분석은 개화 후 9주부터 18주까지 3주 간격으로 수행하였다. 전사체의 GO term 분석에서는 세포와 세포소기관에서 대사과정과 발육을 조절하는 촉매작용과 수송 관련 유전자, 그리고 KOG 분석과 KEGG pathway 분석에서는 신호전달과 핵산구조, 전분과 당 대사에 관한 pathway 유전자가 주를 이루었다. DEGs 분석은 각 품종의 개화 후 9주의 과육 샘플을 대조구로 하여 이후 18주까지 3주 간격의 샘플을 처리구로 비교한 DEGs set Ⅰ과 각 단계별로 ‘부유’를 대조구로 하고 ‘조추’를 처리구로 비교한 DEGs set Ⅱ로 분석하였다. DEGs set Ⅰ의 발현량을 분석한 결과, 3가지 비교조합 중에서 ‘부유’는 개화 후 18주에, ‘조추’는 15주에 대조구에 비해 처리구에서 up-regulation된 유전자의 개수가 가장 많았다. DEGs set Ⅱ에서는 ‘부유’에 비해 ‘조추’에서 개화 후 12주에 down-regulation되는 유전자가, 15주에는 up-regulation되는 유전자가 많았다. KEGG 분석으로 확인한 결과, 모든 단계에서 2차 대사물질의 생합성과 탄수화물 대사에 관련된 유전자들의 gene count가 많았는데, 특히 개화 후 12주에는 ‘조추’에서 이들 pathway에 관련된 유전자의 down-regulation이, 15주에는 up-regulation이 월등히 많은 것으로 나타났다. DEGs set별로 시간의 흐름에 따라서 같은 패턴으로 변화하는 유전자를 하나로 cluster로 묶어서 clustering 분석을 수행한 결과, 주로 cytoplasm에서 transport 기능을 하며, 분자적으로는 nucleotide binding에 관련된 유전자 중, 성숙을 촉진하는 유전자들의 up-regulation과 성숙을 방해하는 유전자들의 down-regulation을 ‘조추’에서 확인할 수 있었다. 과실 형질 관련 후보유전자의 발현량을 형질변화와 비교 분석한 결과, 탄수화물 대사에 관련된 UGPase-1과 AGPase-1, 탄닌 생합성 경로의 DkLAC1, 카로티노이드 생합성 경로의 CRTISO와 PDS, 에틸렌 생합성 경로의 ACS와 ACO는 ‘조추’의 조기 과실 성숙을 유도하는 유전자로 추정되었다. Transcription factor(TF)로는 ethylene responsive gene의 promoter에 결합하는 ERF3와 ACS의 promoter에 결합하는 MADS-box TF인 RIN, AGL, FUL, 그리고 climacteric type의 성숙을 조절하는 NAC가 ‘부유’, ‘조추’ 단감의 성숙 조절에 핵심적 역할을 하는 것으로 추정되었다. 이들 12개 유전인자간 긴밀한 cascade 형성과 상호 보완적 작용이 단감 성숙기를 결정짓는 것으로 추론되었다.
The present study was conducted to understand genetic mechanism that controls fruit growth and development by comparing major fruit traits and transcriptome at different developmental phases between a late-ripening cultivar ‘Fuyu’ and an early-ripening cultivar ‘Soshu’ in PCNA persimmon (Diospyros k...
The present study was conducted to understand genetic mechanism that controls fruit growth and development by comparing major fruit traits and transcriptome at different developmental phases between a late-ripening cultivar ‘Fuyu’ and an early-ripening cultivar ‘Soshu’ in PCNA persimmon (Diospyros kaki Thunb.). Fruit diameter, weight, firmness, peel color, soluble/insoluble tannin concentration, and sugar concentration were observed at every 1 or 3 week until 18th weeks after full bloom (WAB) for ‘Soshu’ and 24th WAB for ‘Fuyu’ in 2016 and 2017. The results indicated that fruit ripening started earlier in ‘Soshu’ compared to ‘Fuyu’. Fruit diameter and weight showed a typical dual S growth curve in both cultivars, while in ‘Soshu’ the 2nd growth phase was shorter and the shift from the 1st to 3rd growth phase occurred faster compared to ’Fuyu’. Fruit firmness drastically decreased from 15 WAB in ‘Soshu’ and caused significant difference between cultivars. Fruit peel coloring progressed faster in ‘Soshu’ than ‘Fuyu’, and difference in color between cultivars appeared to be remarkable at 18 WAB. Soluble tannin concentration decreased rapidly at 12 WAB in both cultivars, while insoluble tannin concentration decreased slowly after sharp decrease at early growth stage. For sugar concentration in fruit, reduction point of sucrose started 9 weeks faster in ‘Soshu’. Transcriptome analysis was carried out for fruit flesh at every 3 weeks during 9-18 WAB. GO term analysis of the transcriptome indicated that catalytic or transport genes involved in controlling metabolism and growth in cells and cellular organelle were mainly expressed, while in KOG and KEGG analysis, the majority of expressed genes were related to signal transduction, nuclear structure, and starch and sucrose metabolism pathway. The DEGs analysis was conducted for DEGs set I in which fruit samples of every 3 weeks until 18 WAB were compared as treatment to the samples of 9 WAB as control, and for DEGs set II in which fruit samples of ‘Soshu’ were compared as treatment to ‘Fuyu’ as control at each WAB. For DEGs set I containing three comparison combinations, the number of up-regulated genes in treatment sample was highest at 18 WAB in ‘Fuyu’ and at 15 WAB in ‘Soshu’. For DEGs set II, the number of down-regulated genes and the number of up-regulated genes were higher in ‘Soshu’ compared to ‘Fuyu’ at 12 WAB and 15 WAB, respectively. In KEGG analysis, gene expression level for second metabolite biosynthesis and carbohydrate metabolism was detected at high level throughout the growth stages, and especially these genes in ‘Soshu’ were mostly down-regulated at 12 WAB, while they were mostly up-regulated at 15 WAB. In addition, cluster analysis of genes showing a similar expression pattern at each WAB indicated that genes for transportation in cytoplasm and nucleotide binding were up-regulated in ‘Soshu’, but down-regulated in ‘Fuyu’. In comparison of the expression pattern of fruit trait-related candidate gene to the phenotypic changes in traits, UGPase-1 and AGPase-1 for carbohydrate metabolism, DkLAC1, for tannin biosynthesis, CRTISO and PDS for carotenoids biosynthesis, ACS and ACO for ethylene biosynthesis were considered as the genes that may induce early fruit ripening in ‘Soshu’. In addition, as transcription factors(TFs), the ERF3 binding to the promoter of ethylene responsive gene, the MADS-box TFs RIN, AGL, and FUL, and the NAC controlling climacteric type fruit ripening were considered to play a key role for controlling fruit ripening in ‘Fuyu’ and ‘Soshu’. The formation of cascade and complementary action among these 12 genes may control the time for fruit ripening in PCNA persimmon.
The present study was conducted to understand genetic mechanism that controls fruit growth and development by comparing major fruit traits and transcriptome at different developmental phases between a late-ripening cultivar ‘Fuyu’ and an early-ripening cultivar ‘Soshu’ in PCNA persimmon (Diospyros kaki Thunb.). Fruit diameter, weight, firmness, peel color, soluble/insoluble tannin concentration, and sugar concentration were observed at every 1 or 3 week until 18th weeks after full bloom (WAB) for ‘Soshu’ and 24th WAB for ‘Fuyu’ in 2016 and 2017. The results indicated that fruit ripening started earlier in ‘Soshu’ compared to ‘Fuyu’. Fruit diameter and weight showed a typical dual S growth curve in both cultivars, while in ‘Soshu’ the 2nd growth phase was shorter and the shift from the 1st to 3rd growth phase occurred faster compared to ’Fuyu’. Fruit firmness drastically decreased from 15 WAB in ‘Soshu’ and caused significant difference between cultivars. Fruit peel coloring progressed faster in ‘Soshu’ than ‘Fuyu’, and difference in color between cultivars appeared to be remarkable at 18 WAB. Soluble tannin concentration decreased rapidly at 12 WAB in both cultivars, while insoluble tannin concentration decreased slowly after sharp decrease at early growth stage. For sugar concentration in fruit, reduction point of sucrose started 9 weeks faster in ‘Soshu’. Transcriptome analysis was carried out for fruit flesh at every 3 weeks during 9-18 WAB. GO term analysis of the transcriptome indicated that catalytic or transport genes involved in controlling metabolism and growth in cells and cellular organelle were mainly expressed, while in KOG and KEGG analysis, the majority of expressed genes were related to signal transduction, nuclear structure, and starch and sucrose metabolism pathway. The DEGs analysis was conducted for DEGs set I in which fruit samples of every 3 weeks until 18 WAB were compared as treatment to the samples of 9 WAB as control, and for DEGs set II in which fruit samples of ‘Soshu’ were compared as treatment to ‘Fuyu’ as control at each WAB. For DEGs set I containing three comparison combinations, the number of up-regulated genes in treatment sample was highest at 18 WAB in ‘Fuyu’ and at 15 WAB in ‘Soshu’. For DEGs set II, the number of down-regulated genes and the number of up-regulated genes were higher in ‘Soshu’ compared to ‘Fuyu’ at 12 WAB and 15 WAB, respectively. In KEGG analysis, gene expression level for second metabolite biosynthesis and carbohydrate metabolism was detected at high level throughout the growth stages, and especially these genes in ‘Soshu’ were mostly down-regulated at 12 WAB, while they were mostly up-regulated at 15 WAB. In addition, cluster analysis of genes showing a similar expression pattern at each WAB indicated that genes for transportation in cytoplasm and nucleotide binding were up-regulated in ‘Soshu’, but down-regulated in ‘Fuyu’. In comparison of the expression pattern of fruit trait-related candidate gene to the phenotypic changes in traits, UGPase-1 and AGPase-1 for carbohydrate metabolism, DkLAC1, for tannin biosynthesis, CRTISO and PDS for carotenoids biosynthesis, ACS and ACO for ethylene biosynthesis were considered as the genes that may induce early fruit ripening in ‘Soshu’. In addition, as transcription factors(TFs), the ERF3 binding to the promoter of ethylene responsive gene, the MADS-box TFs RIN, AGL, and FUL, and the NAC controlling climacteric type fruit ripening were considered to play a key role for controlling fruit ripening in ‘Fuyu’ and ‘Soshu’. The formation of cascade and complementary action among these 12 genes may control the time for fruit ripening in PCNA persimmon.
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