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문제 정의
- 90Mbp) 사이에 존재하는 것으로 보고되 었다. 따라서 본 실험에서는 이들 CAPS 마커들을 활용하여 마커 유전자형과 TYLCV 저항성 표현형 간 일치하지 않았던 3개의 품종들에 대해 마커와 저항성 유전자좌 사이의 재조합 가능성을 알아보았다. 분석에 사용한 CAPS 마커들에 있어 저항성 또는 이병성과 연관된 DNA 절편(밴드)의 크기에 대한 정보를 얻기 위해 Ty-1 유전자 도입(introgression) 계통인 ‘Gc9’와 Ty-3a 유전자 도입 계통인 ‘Gc171’를 비롯 하여 Ty-1, Ty-3 유전자를 지닌 내병성 F1 품종인 ‘FAVI-9’ (Park et al.
- 본 연구는 외국 종자 회사의 토마토 F1 품종들을 대상으로 토마토황화잎말림바이러스(TYLCV) 저항성 분자마커 분석과 포장병리검정을 통해 각 품종의 저항성 유전자형과 내병성 수준을 분석하고, 원예형질 특성평가를 통해 TYLCV 저항성 품종보급과 분리육종에 적절한 품종선발을 위해 수행되었다. 40개 공시품종의 분자마커 및 병리검정 결과, 대부분 저항성으로 표기된 품종들이 TYLCV 저항성 유전자인 Ty-1, Ty-3, 또는 Ty-3a유전자를 이형접합 또는 동형접합 으로 지니고 있으며, 표현형에서도 매우 낮은 발병률을 보였다.
- 본 연구에서는 해외에서 TYLCV 저항성 품종으로 개발 되어 시판되고 있는 F1 품종들에 대해 분자표지와 포장 병리검정을 통해 각 품종이 지니는 저항성 유전자형과 내병성 수준을 분석하고, 주요 저항성 품종을 대상으로 원예형질 특성평가를 통해 TYLCV 저항성 계통육성을 위한 분리육종에 적절한 품종선발을 목표로 수행되었다.
제안 방법
- TYLCV 접종은 Ji et al.(2009)과 유사한 방법으로 진행하였으며 온실 내에서 비병원성, 또는 TYLCV를 보독시킨 담배가루이를 반복당 2,000마리씩 총 3회 방사하였다. 1차 접종(2010년 5월 20일)은 경남 진주의 토마토 재배 농가에서 TYLCV에 감염된 개체 2-3주를 구하여 비닐하우스 내에 식재 후 보독되지 않은 담배가루이를 방사하여 자연발병과 유사한 형태의 감염을 유도 하였다.
- , 2011)를 이용하여 수행하였다(Table 3). 각 품종의 포장발병률은 보독된 담배가루이 방사 42일 후 각 반복당 전체 식물 개체수로부터 뚜렷한 병징을 보이는 식물 개체수의 비율을 조사하고, 3 반복에 대한 평균값으로 구하였다.
- , 2010)(Table 2). 마커 유전자형과 표현형이 일치하지 않는 품종의 경우 유전자-마커 간 재조합 가능성을 검정하기 위해 2차적으로 8개의 CAPS 마커(Verlaan et al., 2011)를 이용하여 수행하였다(Table 3). 각 품종의 포장발병률은 보독된 담배가루이 방사 42일 후 각 반복당 전체 식물 개체수로부터 뚜렷한 병징을 보이는 식물 개체수의 비율을 조사하고, 3 반복에 대한 평균값으로 구하였다.
- 분자마커 및 병리검정결과에서 발병률 3.3% 이하의 강한내병성을 보인 품종들에 대한 원예특성 및 수량 검정을 실시하였다(Table 4). TYLCV 내병성으로 선발된 대과종에 속하는 13개 품종 중 8 품종이 대비종과 동일한 반개장의 엽자세를 보였으며, 나머지 품종은 개장형이었다.
- 시험한 품종들의 원예형질 특성조사는 국립종자원 품목별 특성조사요령(토마토)에 근거하여 엽자세는 주축과 연결된 소엽의 자세를 직립(서다), 반개장(수평), 개장(처지다)의 3가지로 분류하였으며, 엽장 및 엽폭은 6월 14일 최대 엽의 길이를 실측하였고, 절간장은 1단-4단까지의 길이를 실측하여 환산하였다. 수량은 6월 1일부터 7월 27일까지 일주일에 2회 수확하여 상품 및 비상품으로 구분 조사하여 주당 상품과 수 및 1과중을 환산하였으며, 과실 경도는 7월 7일에 수확한 과실을 SMS P/3 모델의 물성측정기로 test speed 2.0 mm･s-1, post test speed 5.0mm･s -1, distance 10mm, force 20g 의 조건으로 측정하였고, 당도는 Brix 당도계를 활용하였으며, 산도는 pH 8.3으로 적정하여 구연산 계수로 환산하였다.
- 수집된 품종의 TYLCV 저항성마커 검정은 1차적으로 SCAR 마커인 ‘Ty-seminis’(연관 유전자: Ty-1), ‘TO302’(연관 유전자: Ty-2), ‘P6-25’(연관 유전자: Ty-3 또는 Ty-3a)를 이용하여 수행하였다(Park et al., 2010)(Table 2).
- 시험한 품종들의 원예형질 특성조사는 국립종자원 품목별 특성조사요령(토마토)에 근거하여 엽자세는 주축과 연결된 소엽의 자세를 직립(서다), 반개장(수평), 개장(처지다)의 3가지로 분류하였으며, 엽장 및 엽폭은 6월 14일 최대 엽의 길이를 실측하였고, 절간장은 1단-4단까지의 길이를 실측하여 환산하였다. 수량은 6월 1일부터 7월 27일까지 일주일에 2회 수확하여 상품 및 비상품으로 구분 조사하여 주당 상품과 수 및 1과중을 환산하였으며, 과실 경도는 7월 7일에 수확한 과실을 SMS P/3 모델의 물성측정기로 test speed 2.
- 경남농업기술원 온실 내에서 2010년 2월 육묘용상토와 50공 트레이를 사용하여 한 반복당 각 품종별 10립씩 파종하였으며 본 잎 5-7엽기에 난괴법을 이용하여 2010년 4월 품종 간 거리 10cm를 두고 16cm 좌우 교차 정식(주간거리 32cm)하였다. 정식은 실험간의 오차를 줄이기 위하여 세개의 비닐하우스를 이용하여 3반복으로 하였으며, 정식 후관비용 양액(140L/일, 1000L/주, 요소 1540g 질산칼륨 2600g･1000L-1)을 제조하여 두상관수하였다.
대상 데이터
- TYLCV 저항성 평가를 위해 내병성이라고 표기된 시판종 34품종과 표기가 확인되지 않는 4품종, 그리고 이병성으로 알려진 대비종 2품종을 포함한 총 40품종이 사용되었다 (Table 1). 또한, TYLCV 저항성 연관 분자마커 검정을 위한 표준식물재료로서 저항성 계통인 ‘Gc9’(Ty-1, Ty-3 보유), ‘Gc171’(Ty-3a 보유), ‘Gc2711’(Ty-1, Ty-3 보유), 그리고 저항성 F1 품종인 ‘FAVI-9’이 사용되었으며(Table 2), 이병성 대비종 계통으로 ‘TTC04’를 사용하였다.
- 경남농업기술원 온실 내에서 2010년 2월 육묘용상토와 50공 트레이를 사용하여 한 반복당 각 품종별 10립씩 파종하였으며 본 잎 5-7엽기에 난괴법을 이용하여 2010년 4월 품종 간 거리 10cm를 두고 16cm 좌우 교차 정식(주간거리 32cm)하였다. 정식은 실험간의 오차를 줄이기 위하여 세개의 비닐하우스를 이용하여 3반복으로 하였으며, 정식 후관비용 양액(140L/일, 1000L/주, 요소 1540g 질산칼륨 2600g･1000L-1)을 제조하여 두상관수하였다.
- 또한, TYLCV 저항성 연관 분자마커 검정을 위한 표준식물재료로서 저항성 계통인 ‘Gc9’(Ty-1, Ty-3 보유), ‘Gc171’(Ty-3a 보유), ‘Gc2711’(Ty-1, Ty-3 보유), 그리고 저항성 F1 품종인 ‘FAVI-9’이 사용되었으며(Table 2), 이병성 대비종 계통으로 ‘TTC04’를 사용하였다.
- 마커는 저항성이지만 생물검정에서 이병성을 보인 품종에 대한 교차분석을 위한 마커 검정에는 Ty-1, Ty-3(3a) 마커 이외에 최근 정밀 유전자지도 작성을 통해 Ty-1과 Ty3(3a) 유전자좌에 더욱 근접한 마커들로 보고된 8개의 CAPS 마커 (Verlaan et al., 2011)를 사용하였다. 이들 CAPS 마커는 저항성 유전자좌가 위치하는 6번 염색체의 물리적 지도로 볼때 약 26.
- 본 연구에서 활용한 Ty-1, 2, 3, 3a 연관 마커 들인 ‘Ty-seminis’, ‘TO302’, 그리고 ‘P6-25’는 실제 유전자로부터 근접한 위치의 마커들로서 마커와 유전자간 재조합이 일어날 가능성이 있다(Hanson et al., 2006; Hoogstranten et al., 2005; Ji et al., 2007a).
- 분석에 사용한 CAPS 마커들에 있어 저항성 또는 이병성과 연관된 DNA 절편(밴드)의 크기에 대한 정보를 얻기 위해 Ty-1 유전자 도입(introgression) 계통인 ‘Gc9’와 Ty-3a 유전자 도입 계통인 ‘Gc171’를 비롯 하여 Ty-1, Ty-3 유전자를 지닌 내병성 F1 품종인 ‘FAVI-9’ (Park et al., 2010), 그리고 이병성인 국내 고품질 완숙형 계통 ‘TCC04’과 ‘TT346’(EN8)을 대비종으로 사용하였으며, 재조합 검정대상으로 ‘Bacus’(EN16), ‘HNS12860544’(EN17), ‘80087’(EN25)를 사용하였다.
이론/모형
- Genomic DNA 추출은 Park et al.(2010)의 방법을 이용하여 유묘기에 진행하였다. 수집된 품종의 TYLCV 저항성마커 검정은 1차적으로 SCAR 마커인 ‘Ty-seminis’(연관 유전자: Ty-1), ‘TO302’(연관 유전자: Ty-2), ‘P6-25’(연관 유전자: Ty-3 또는 Ty-3a)를 이용하여 수행하였다(Park et al.
성능/효과
- 40개 공시 품종에 대한 생물검정 및 1차 마커검정 결과 (Table 1), TYLCV 이병성 대비품종 ‘Rafito’(대과)와‘Red Yoyo’(소과)에서는 저항성 유전자 연관 마커가 발견되지 않았으며, 발병률도 각각 53.3%와 23.3%로 비교적 높았다.
- 품종들을 대상으로 토마토황화잎말림바이러스(TYLCV) 저항성 분자마커 분석과 포장병리검정을 통해 각 품종의 저항성 유전자형과 내병성 수준을 분석하고, 원예형질 특성평가를 통해 TYLCV 저항성 품종보급과 분리육종에 적절한 품종선발을 위해 수행되었다. 40개 공시품종의 분자마커 및 병리검정 결과, 대부분 저항성으로 표기된 품종들이 TYLCV 저항성 유전자인 Ty-1, Ty-3, 또는 Ty-3a유전자를 이형접합 또는 동형접합 으로 지니고 있으며, 표현형에서도 매우 낮은 발병률을 보였다. 반면, 중간 저항성으로 표기된 4 품종 중 3 품종은 18.
- 8개의 CAPS 마커 중 MSc05732-4를 제외한 모든 마커에서 저항성, 이병성 대비종 간 다형성 밴드가 관찰되어 Ty-1와 Ty-3 유전자 특이적 밴드들을 유추할 수 있었다(Fig. 1). 두 이병성 대비종 계통은 모든 마커에서 유전자형이 동일하게 나왔으며, 저항성 계통인 ‘Gc171’은 cLEG-31-16(30.
- 3% 이하의 강한내병성을 보인 품종들에 대한 원예특성 및 수량 검정을 실시하였다(Table 4). TYLCV 내병성으로 선발된 대과종에 속하는 13개 품종 중 8 품종이 대비종과 동일한 반개장의 엽자세를 보였으며, 나머지 품종은 개장형이었다. 엽장과 엽폭에 있어 ‘EXP9173’이 각각 가장 높은 55.
- TYLCV 내병성으로 선발된 소과종에 속하는 10개 품종 중 3품종이 대비종(Red Yoyo)와 동일한 직립의 엽자세를보였으며, 개장형의 ‘EXP8731’을 제외하고 나머지 품종은 모두 반개장형이였다.
- 각 종자회사에서 TYLCV 저항성을 지니는 것(P)으로 표기된 28 품종에서는 ‘Ty-Mamoru’와 ‘TC30882’가 Ty-1 유전자 마커를 이형접합으로 지니지만, 발병률에서는 각각 0.0%와 67.8%로 매우 상반된 결과를 보여주었다.
- 경도는 대과종에서와 유사한 경향을 보여 대비종(913)과 비슷한 ‘EXP8731’을 제외하고 모든 품종이 1,000 이상으로 경도가 높았다.
- 나머지 22 품종들은 모두 Ty-1과 Ty-3, 또는 Ty-3a 유전자 마커를 동시에 이형접합 또는 동형접합으로 지니는 것으로 분석되 었는데, 발병률 또한 ‘HNS12860544’(40%)과 ‘80087’(30%) ‘TC30882’(67.8%)를 제외하고는 비교적 낮은 수준(0.0-3.3%) 으로 관찰되었다.
- 3%의 발병률을 보였으며, 마커형이 이병성이었다. 내병성이 확인된 F1품종들을 대상으로 원예형질 특성조사 결과, 유럽형 TYLCV 저항성 대과종 품종은 국내 선호 대비 종보다 비교적 수량이 높고 당도 및 당산도도 크게 떨어지지 않아 국내용 품종 육성재료로 적합하였지만, 높은 과실 경도의 문제점이 있었다. 반면, 소과종 품종들은 수량, 당도 등에서 국내 선호 품종보다 낮고 절간장도 길어 이들을 활용한 고품질 TYLCV 저항성 품종 육성을 위해서는 대과종에 비해 많은 시간과 노력이 소요될 것으로 판단되었다.
- 3%로 비교적 높았다. 높은 저항성(H)으로 표기된 두 품종(EN2, 3)에서는 모두 Ty-1과 Ty-3a 유전자 연관마커가 이형접합으로 발견되었으며, 발병률은 0%와 3.3%로 매우 낮았다. 중간 저항성(M)으로 표기된 5품종(EN 1,4,5,6,7) 중 ‘TT443’을 제외한 4품종은 18.
- 당도는 전체적으로 소과종에서 대과종보다 높았으나, 대비종(5.2°Brix)보다는 약간 낮은 경향을 보였다.
- 두 이병성 대비종 계통은 모든 마커에서 유전자형이 동일하게 나왔으며, 저항성 계통인 ‘Gc171’은 cLEG-31-16(30.90Mbp) 에서부터 하위에 위치하는 3개의 마커에서 이병성 계통과다형성으로 나와 유전자가 MSc05732-4(30.60Mbp)과 cLEG31-16(30.90Mbp) 사이로 범위가 더욱 좁아질 수 있는 가능성을 제시하였다.
- 마커형과 표현형을 비교해 볼 때 전반적으로 Ty-1, Ty-3, 또는 Ty-3a 대립유전자 마커 중 하나의 마커만 지녀도 발병률이 7.0% 이하로 이병성 대비종(23.3%)에 비해 매우 낮고, 저항성 마커가 관찰되지 않는 품종들에 있어서는 발병률이 전반적으로 이병성 대비종과 비슷하거나 높은 수치를 보여 마커와 표현형간의 일치성을 확인할 수 있었다. 하지만‘HNS12860544’(Seminis), ‘80087’(Enza zaden), ‘TC30882’ (Syngenta) 세 품종은 저항성 유전자 마커를 지님에도 불구하고 이병성 대비종과 비슷한 경향의 발병률을 보였고, Syngenta 사의 ‘TC32957’과 ‘TC33069’은 저항성 마커가 관찰되지 않았지만 이병성 대비종에 비해 매우 낮은 수준의 발병율을 보여 마커-표현형간 일치하지 않는 것으로 관찰되었다.
- 모든 공시품종에서 Ty-2 유전자에 대한 마커가 발견되지 않아 사용된 대부분 유럽 품종의TYLCV 저항성은 모두 Ty-1과 Ty-3 또는 Ty-3a 유전자를 지니는 S. chilense로부터 유래 하였을 것이라 유추된다. 실제 Ty-2 유전자의 경우 이스라엘과 대만에서 저항성 재료로 사용해온 S.
- 내병성이 확인된 F1품종들을 대상으로 원예형질 특성조사 결과, 유럽형 TYLCV 저항성 대과종 품종은 국내 선호 대비 종보다 비교적 수량이 높고 당도 및 당산도도 크게 떨어지지 않아 국내용 품종 육성재료로 적합하였지만, 높은 과실 경도의 문제점이 있었다. 반면, 소과종 품종들은 수량, 당도 등에서 국내 선호 품종보다 낮고 절간장도 길어 이들을 활용한 고품질 TYLCV 저항성 품종 육성을 위해서는 대과종에 비해 많은 시간과 노력이 소요될 것으로 판단되었다.
- 본 마커들에 대해 3개의 F1 품종을 검정한 결과 마커와 유전자위 사이에 염색체 재조합(교차)이 일어났을 가능성을 찾을 수는 없었다(Table 3 and Fig. 1). 모든 F1 품종들이 Ty-1, 또는 Ty-3유전자 연관마커를 이형접합으로 지니고 있었다.
- 수량에서는 가장 높은 ‘AGN19’(3150.8g)을 비롯하여 6품종에서 대비 종(2412.0g)보다 높았다.
- 0cm)보다 길 었다. 수량은 모든 품종이 대비종(1196.6g) 보다 낮았는데, 이는 낮은 주당 과실수에 기인하는 것이었으며 실제 과실당 무게는 대부분 품종이 대비종보다 높아 국내에서 선호하는 과크기보다는 비교적 큰 것으로 나타났다. 당도는 전체적으로 소과종에서 대과종보다 높았으나, 대비종(5.
- 엽장과 엽폭에 있어 ‘EXP9173’이 각각 가장 높은 55.8과 49.6cm로 대비종(47.4와 46.3cm)에 비해 높게 관찰되었으며, ‘JNT53’품종에서 39.3과 35.3cm으로 가장 낮게 나타났다.
- TYLCV 내병성으로 선발된 소과종에 속하는 10개 품종 중 3품종이 대비종(Red Yoyo)와 동일한 직립의 엽자세를보였으며, 개장형의 ‘EXP8731’을 제외하고 나머지 품종은 모두 반개장형이였다. 엽장의 경우 모든 품종이 대비종 (45.2cm)보다 짧았으며, 엽폭에서도 두 품종을 제외하고 대비종보다 짧아 소형의 엽크기를 보였다. 절간장은 ‘TC31583’ (10.
- , 2011), 재조합이 일어났다 하더라도 저항성표현형에는 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다. 이상의 마커검정 결과로 볼 때, 3개의 F1 품종 모두 Ty-1 또는 Ty-3 유전자를 지니고 있는 것으로 판단되었지만, 표현형 검정에서 이병성으로 나온 이유는 보독된 담배가루이 집단의 밀도가 이들 품종군에서 예외적으로 높아 다수 개체에서 저항성이 무너졌을 가능성이 있다. Lapidot et al.
- 저항성이 표기되지 않은(-) 3품종 중 두 품종에서는 저항성 마커가 관찰되지 않았는데, 발병률에 있어서는 ‘TT346’과 ‘Top1184’가 각각 60.0%, 86.7%로 이병성 대비종에 비해 높은 발병률을 보였으나, ‘TOP1199’는 마커와 발병률(0.0%) 모두 저항성으로 관찰되었다.
- 절간장은 대비종(8.2cm)에 비해 ‘EXP9173’에서 10.1cm로 가장 길었으며, ‘Ty-mamoru’에서 6.1cm로 가장 짧았다.
- 종합적으로 판단할 때 유럽형 TYLCV 저항성 대과종 품종은 국내 선호 품종보다 비교적 수량이 높고 당도 및 당산도도 크게 떨어지지 않아 국내용 품종 육성재료로 적합하리라 판단되지만, 높은 과실 경도는 해결되어야 할 문제로 판단된다. 반면에 소과종 품종들은 수량, 당도 등에서 국내 선호 품종보다 낮고 절간장도 길어 이들을 활용한 고품질 TYLCV 저항성 품종 육성을 위해서는 대과종에 비해 많은 시간과 노력이 소요될 것으로 판단된다.
- 중간 저항성(M)으로 표기된 5품종(EN 1,4,5,6,7) 중 ‘TT443’을 제외한 4품종은 18.1-33.3%의 발병률을 보였으며, 마커검정에서도 저항성 유전자를 지니지 않는 것으로 나타났다.
- 신미를 결정짓는 당산비는 ‘JN153’ 이 14로 가장 높았으며, ‘TT239’를 비롯한 6 품종에서 대비종(11)보다 높게 나타났다. 하지만 과실의 경도에 있어서는 대비종이 761인데 반해 대부분 품종들이 이보다 높거나 1,000g 이상으로 높아 생식용보다는 가공용에 적합한 것으로 판단되었다.
- 하지만 당산비에서는 이들 두 품종이 대비종(13.3)보다 높았으며 특히 ‘TC32347’ 은 낮은 산도(0.32)에 의해 당산도가 15.5로 매우 높았다.
- 하지만‘HNS12860544’(Seminis), ‘80087’(Enza zaden), ‘TC30882’ (Syngenta) 세 품종은 저항성 유전자 마커를 지님에도 불구하고 이병성 대비종과 비슷한 경향의 발병률을 보였고, Syngenta 사의 ‘TC32957’과 ‘TC33069’은 저항성 마커가 관찰되지 않았지만 이병성 대비종에 비해 매우 낮은 수준의 발병율을 보여 마커-표현형간 일치하지 않는 것으로 관찰되었다.
후속연구
- 본 연구 결과와 같이 TYLCV 저항성 유전자에 기존 마커보다 더욱 근접한 CAPS 마커의 활용가능성이 확인되었으므로 이들 마커를 이용할 경우 향후보다 보다 정확한 MAS 가 가능하리라 본다. 다만 CAPS 마커의 특성상 전기영동 이전에 PCR 증폭산물을 특정 제한효소로 전처리해야 하는 번거로움이 있어, 제한효소를 이용하지 않는 single nucleotide polymorphism(SNP)기반의 자동화분석 마커형(Hwang et al., 2011; Liew et al., 2004)으로 전환한다면 대량샘플분석을 통한 효율적인 MAS가 가능할 것이다.
- , 1998)의 QTL 분석을 통해 4번 염색체에 1개의 주동 유전자와 1, 7, 9, 11번 염색체에 4개의 미동 유전자가 있음을 보고하였다. 따라서 이들 유전자와 연관된 마커를 이용한다면 본 연구에서 마커와 표현형 간 불일치 하는 품종들이 실제 지니고 있는 저항성 유전자를 유추해 볼 수 있을 것이다.
- 또한 단기간에 우수 내병성 계통육성을 위해서는 기존 F1품종을 육성재료로 활용하는 분리육종법이 용이할 수 있다. 따라서, 향후 해외 TYLCV 저항성 F1품종들에 대한 지속적인 평가와 선발, 그리고 기 확보된 분자마커를 활용한 MAS 를 육종과정에 복합적으로 적용한다면, TYLCV 저항성 토마토 국내 신품종육성이 조기에 가능하리라 기대한다.
- 본 연구 결과와 같이 TYLCV 저항성 유전자에 기존 마커보다 더욱 근접한 CAPS 마커의 활용가능성이 확인되었으므로 이들 마커를 이용할 경우 향후보다 보다 정확한 MAS 가 가능하리라 본다. 다만 CAPS 마커의 특성상 전기영동 이전에 PCR 증폭산물을 특정 제한효소로 전처리해야 하는 번거로움이 있어, 제한효소를 이용하지 않는 single nucleotide polymorphism(SNP)기반의 자동화분석 마커형(Hwang et al.
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