고구마는 척박한 환경에서도 생육이 가능한 세계 7대 농작물로 식량뿐만 아니라 사료용, 전분 등의 산업용으로도 중요하다. 최근 고구마는 항산화물질, 식이섬유질 등을 고함유하는 건강식품으로 각광을 받고 있다. 그러나 고구마 유전체 해독에 관한 연구는 고구마의 중요도에 비해 많이 이루어지지 않고 있다. 본 총설의 목적은 고구마 유전체 연구 동향분석을 통하여 유전체 해독 연구의 효율성 증대 및 유용형질 유전자의 실용화 연구를 위한 기반구축을 모색하는데 있다. 최근 NGS 분석을 통한 동식물 유전체해독이 급진적으로 많이 이루어지고 있다. 고구마 유전체 해독의 경우는 다배수성 문제와 이질유전체 문제로 유전체 완전해독 연구가 이루어지지 않고 있으며 반면 전사체 분석 연구는 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 최근 2015년 일본 연구자들에 의해 2배체 고구마의 유전체 해독 초안이 보고되었다. 한중일 고구마 연구협의회(Trilateral Research Association of Sweetpotato, TRAS)에 의해 6배체 고구마 Xushu 18의 유전자지도 작성 및 유전체 해독 연구가 2014년부터 이루어지고 있다. 빌게이츠재단(Bill & Melinda Gates Foundation)은 사하라사막 남쪽 아프리카지역의 기근과 영양문제를 해결하기 위해 고구마 유전체 기반 분자육종을 위한 분자도구 개발에 관한 프로젝트를 미국을 중심으로 한 컨소시엄을 구성하여 출범하였다. 고구마 유전체 해독과정 중에 분석된 고구마 엽록체 유전체 분석을 통하여 진화학적 해석연구가 이루어지고 있다. 본 총설을 통하여 고구마 유전체 해독 연구동향을 살펴보았다. 이러한 연구 동향 분석은 고구마의 생산성 및 기능성 향상 등의 실용화 연구를 수행하는 연구자들에게 최근의 연구현황을 제공할 수 있을 것이며 세계적인 식량, 에너지, 환경문제의 해결에 크게 기여 할 것으로 생각된다.
고구마는 척박한 환경에서도 생육이 가능한 세계 7대 농작물로 식량뿐만 아니라 사료용, 전분 등의 산업용으로도 중요하다. 최근 고구마는 항산화물질, 식이섬유질 등을 고함유하는 건강식품으로 각광을 받고 있다. 그러나 고구마 유전체 해독에 관한 연구는 고구마의 중요도에 비해 많이 이루어지지 않고 있다. 본 총설의 목적은 고구마 유전체 연구 동향분석을 통하여 유전체 해독 연구의 효율성 증대 및 유용형질 유전자의 실용화 연구를 위한 기반구축을 모색하는데 있다. 최근 NGS 분석을 통한 동식물 유전체해독이 급진적으로 많이 이루어지고 있다. 고구마 유전체 해독의 경우는 다배수성 문제와 이질유전체 문제로 유전체 완전해독 연구가 이루어지지 않고 있으며 반면 전사체 분석 연구는 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 최근 2015년 일본 연구자들에 의해 2배체 고구마의 유전체 해독 초안이 보고되었다. 한중일 고구마 연구협의회(Trilateral Research Association of Sweetpotato, TRAS)에 의해 6배체 고구마 Xushu 18의 유전자지도 작성 및 유전체 해독 연구가 2014년부터 이루어지고 있다. 빌게이츠재단(Bill & Melinda Gates Foundation)은 사하라사막 남쪽 아프리카지역의 기근과 영양문제를 해결하기 위해 고구마 유전체 기반 분자육종을 위한 분자도구 개발에 관한 프로젝트를 미국을 중심으로 한 컨소시엄을 구성하여 출범하였다. 고구마 유전체 해독과정 중에 분석된 고구마 엽록체 유전체 분석을 통하여 진화학적 해석연구가 이루어지고 있다. 본 총설을 통하여 고구마 유전체 해독 연구동향을 살펴보았다. 이러한 연구 동향 분석은 고구마의 생산성 및 기능성 향상 등의 실용화 연구를 수행하는 연구자들에게 최근의 연구현황을 제공할 수 있을 것이며 세계적인 식량, 에너지, 환경문제의 해결에 크게 기여 할 것으로 생각된다.
Sweetpotato [Ipomoea batatas (L.) Lam] grows well in harsh environmental conditions, and is cultivated as one of the top seven food crops in the world. Recently, sweetpotato is drawing interest from people as a healthy food because it is high in dietary fiber, vitamins, carotenoids and overall nutri...
Sweetpotato [Ipomoea batatas (L.) Lam] grows well in harsh environmental conditions, and is cultivated as one of the top seven food crops in the world. Recently, sweetpotato is drawing interest from people as a healthy food because it is high in dietary fiber, vitamins, carotenoids and overall nutrition value. However, few studies have been conducted on sweetpotato genome sequencing in spite of its importance. This review is aimed at increasing the efficiency of sweetpotato genome sequencing research as well as establishing a base for gene utilization in order to control useful traits. Recently, animal and plant genome sequencing projects increased significantly. However, sweetpotato genome sequencing has not been performed due to polyploidy and heterogeneity problems in its genome. Meanwhile research on its transcriptome has been conducted actively. Recently, a draft of the diploid sweetpotato genome was reported in 2015 by Japanese researchers. In addition, the Korea-China-Japan Trilateral Research Association of Sweetpotato (TRAS) has conducted research on gene map construction and genome sequencing of the hexaploid sweetpotato Xushu 18 since 2014. The Bill & Melinda Gates Foundation launched the 'sweetpotato genomic sequencing to develop genomic tools for Sub-Sahara Africa breeding program'. The chloroplast genome sequence acquired during sweetpotato genome sequencing is used in evolutionary analyses. In this review, the trend of research in the sweetpotato genome sequencing was analyzed. Research trend analysis like this will provide researchers working toward sweetpotato productivity and nutrient improvement with information on the status of sweetpotato genome research. This will contribute to solving world food, energy and environmental problems.
Sweetpotato [Ipomoea batatas (L.) Lam] grows well in harsh environmental conditions, and is cultivated as one of the top seven food crops in the world. Recently, sweetpotato is drawing interest from people as a healthy food because it is high in dietary fiber, vitamins, carotenoids and overall nutrition value. However, few studies have been conducted on sweetpotato genome sequencing in spite of its importance. This review is aimed at increasing the efficiency of sweetpotato genome sequencing research as well as establishing a base for gene utilization in order to control useful traits. Recently, animal and plant genome sequencing projects increased significantly. However, sweetpotato genome sequencing has not been performed due to polyploidy and heterogeneity problems in its genome. Meanwhile research on its transcriptome has been conducted actively. Recently, a draft of the diploid sweetpotato genome was reported in 2015 by Japanese researchers. In addition, the Korea-China-Japan Trilateral Research Association of Sweetpotato (TRAS) has conducted research on gene map construction and genome sequencing of the hexaploid sweetpotato Xushu 18 since 2014. The Bill & Melinda Gates Foundation launched the 'sweetpotato genomic sequencing to develop genomic tools for Sub-Sahara Africa breeding program'. The chloroplast genome sequence acquired during sweetpotato genome sequencing is used in evolutionary analyses. In this review, the trend of research in the sweetpotato genome sequencing was analyzed. Research trend analysis like this will provide researchers working toward sweetpotato productivity and nutrient improvement with information on the status of sweetpotato genome research. This will contribute to solving world food, energy and environmental problems.
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문제 정의
cn/)는 2011년 11월에 차세대유전체해석기술을 이용한 3M genome project를 시작하였다. 동식물, 인간, 미생물 게놈분석을 각각 백만 종씩 분석을 실시하여 인류의 식량문제, 질병예방, 에너지문제 해결을 가속화하는데 연구목표를 두고 연구를 진행 중에 있다. 최근 진행되고 있는 식물유전체연구의 경우 500종의 표준 유전체 작성을 목표로 연구를 진행 중이며 40종이 완료되어 논문으로 발표되었으며 150종이 NGS기술을 이용하여 유전체 해독이 이루어지고 있다.
특히 고구마 유전체 정보를 활용하여 글로벌 조건 불리지역에 적합한 품종개발, 고령화에 적합한 기능성 고구마 품종개발 등으로 인류가 당면한 식량문제, 환경문제, 에너지문제, 보건문제 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 본 논문에서는 고구마 유전체 연구에 대한 최근 동향 및 향후 전망에 대하여 소개하고자 한다.
2002a) 등 품종과 고구마 뿌리혹선충에 저항성인 주황미 등 품종을 개발하여 보급하고 있다. 본 연구에서는 이들 품종을 이용하여 국내 고구마 품종의 유전체 해독 연구를 수행하고 있다.
고구마 유전체 해독과정 중에 분석된 고구마 엽록체 유전체 분석을 통하여 진화학적 해석연구가 이루어지고 있다. 본 총설을 통하여 고구마 유전체 해독 연구동향을 살펴보았다. 이러한 연구 동향 분석은 고구마의 생산성 및 기능성 향상 등의 실용화 연구를 수행하는 연구자들에게 최근의 연구현황을 제공할 수 있을 것이며 세계적인 식량, 에너지, 환경문제의 해결에 크게 기여할 것으로 생각된다.
그러나 고구마 유전체 해독에 관한 연구는 고구마의 중요도에 비해 많이 이루어지지 않고 있다. 본 총설의 목적은 고구마 유전체 연구 동향분석을 통하여 유전체 해독 연구의 효율성 증대 및 유용형질 유전자의 실용화 연구를 위한 기반구축을 모색하는데 있다. 최근 NGS 분석을 통한 동식물 유전체 해독이 급진적으로 많이 이루어지고 있다.
감자 유전체해독결과를 이용하여 애기장대, 포도 등 12종의 식물과 비교 유전체 연구를 수행하였다. 특히 감자 괴경에 발현하는 유전자군의 해석 및 병저항성 유전자군 분석에 대한 연구를 수행하였다. 향후 고구마 유전체 해독연구가 완료되었을 때 두 작물간의 유전자 비교 분석을 통하여 고유 유전자 개발이 가속화 될 것으로 생각된다.
제안 방법
국제 감자유전체해독 컨소시엄에서 2011년 de novo wholegenome sequencing 방법으로 감자 유전체 해독을 완료 하였으며 게놈 크기는 844 Mb로 39,031개의 유전자를 가지고 있었다. 감자 유전체해독결과를 이용하여 애기장대, 포도 등 12종의 식물과 비교 유전체 연구를 수행하였다. 특히 감자 괴경에 발현하는 유전자군의 해석 및 병저항성 유전자군 분석에 대한 연구를 수행하였다.
BlastX 분석결과 상동성을 나타내는 51,763개의 전사체를 얻었다. 고구마 7개 조직의 전사체 분석결과를 이용하여 DEG tag profiling 해석을 수행하여 이들 전사체들의 조직특이 발현양상을 분석하였다. Xie et al.
5%)가 단백질을 coding하는 유전자였으며 이들 유전자 중 11,978개가 애기장대와 5,184개가 벼와 상동성을 나타내었다. 그리고 이들 전사체 정보를 이용하여 색소합성관련 유전자 분리 및 발현양상을 해석하였다. Wang et al.
(2010)은 고구마 전사체 분석을 수행하여 56,516개의 unigene을 분리하고 114 종의 KEGG 대사계와 비교분석을 하였다. 아울러 전분대사경로 및 2차 대사산물 대사 경로에 해당하는 유전자군의 분석을 수행하였다. 국제감자연구소(International Potato Center)의 Schafleitner et al.
) Lam의 조상으로 알려져있다. 연구에서는 Illumina HiSeq 염기서열분석기를 이용하여 순계의 Mx23Hm종과 잡종의 0431-1종 등 2종의 유전체분석을 수행하여 각각 513 Mb와 712 Mb의 유전체를 조립하였다. 유전체내에 존재하는 유전자분석을 통하여 Mx23Hm종에서는 62,407개 유전자, 0431-1종에서는 109,449개의 유전자를 확인하였다.
유전체내에 존재하는 유전자분석을 통하여 Mx23Hm종에서는 62,407개 유전자, 0431-1종에서는 109,449개의 유전자를 확인하였다. 이들 2종의 유전자들을 이용하여 애기장대, 카사바, 감자 등 다른 종과의 유전자 비교분석을 통하여 Mx23Hm 종 특이적 5,849개 유전자와 0431-1종 특이적 15,020개 유전자를 분리하였다 (Fig. 1).
대상 데이터
2015). 고구마의 엽록체 유전체 길이는 161,303 bp이며 145개의 유전자로 구성되어 있었다. 2014년 사하라남쪽 아프리카지역의 기근과 영양문제를 해결하기 위해 빌게이츠재단(Bill & Melinda Gates Foundation)은 ‘유전체 기반 고구마 육종 도구개발 프로젝트’를 시작하여 미국 노스캐롤라이나 주립대학을 주축으로 국제감자연구소, 미시간 주립대학, 보이스 톰슨 연구소, 퀸즐랜드 대학, 우간다 국립작물자원연구소, 가나 과학산업연구위원회 등이 참여하는 컨소시엄을 구성하였다.
기본적으로 신규 고구마 유전체 분석을 3개국이 분담하여 데이터를 생산하고, 일본(Kazusa DNA연구소, NARO 큐슈오끼나와 농업연구센터)에서는 유전체분석용 라이브러리 작성, 6배체 유전체 조립과 2배체 재래종에 대한 참조용 유전체를 작성하며 macro-synteny 분석을 담당하기로 하였다. 중국(중국농업대학, 중국농업과학원 고구마연구소)에서는 유전체 해독 위한 식물재료(Xushu 18 계통, high density mapping용 S1 population)를 제공하고 분석한다. 한국(농촌진흥청, 한국생명공학연구원)은 신규 유전체(NGS) 데이터 생성과 함께 유전체 주석달기(genome annotation) 및 전사체 분석을 담당하기로 협의하고 연구를 진행 중이다(Fig.
성능/효과
연구에서는 Illumina HiSeq 염기서열분석기를 이용하여 순계의 Mx23Hm종과 잡종의 0431-1종 등 2종의 유전체분석을 수행하여 각각 513 Mb와 712 Mb의 유전체를 조립하였다. 유전체내에 존재하는 유전자분석을 통하여 Mx23Hm종에서는 62,407개 유전자, 0431-1종에서는 109,449개의 유전자를 확인하였다. 이들 2종의 유전자들을 이용하여 애기장대, 카사바, 감자 등 다른 종과의 유전자 비교분석을 통하여 Mx23Hm 종 특이적 5,849개 유전자와 0431-1종 특이적 15,020개 유전자를 분리하였다 (Fig.
(2012)은 RNA-seq 분석을 통하여 자색고구마에 발현하는 전사체 해석을 하였다. 자색고구마에서 58,800개의 unigene을 분리하였으며 40,280개(68.5%)가 단백질을 coding하는 유전자였으며 이들 유전자 중 11,978개가 애기장대와 5,184개가 벼와 상동성을 나타내었다. 그리고 이들 전사체 정보를 이용하여 색소합성관련 유전자 분리 및 발현양상을 해석하였다.
후속연구
아울러 국내 고구마 유전체 연구 분야 중 상대적으로 많은 연구가 이루어진 고구마 전사체 분석정보를 제공하여 국내외 연구자들 간의 연구협력 강화를 도모하고, 고구마 유전체 해독 정보 종합한 DB 구축을 통하여 유용형질 유전자관련 정보를 제공함으로써 관련 연구의 활성화가 기대된다.
최근 미국과 일본은 자국의 재배품종을 이용하여 고구마 유전체 해독 기반연구를 수행하고 있다. 이러한 국내외 고구마 유전체 연구의 진행상황을 고려하여 적극적인 국제협력과 더불어 국내 고구마품종에 대한 유전체 해독과 비교연구를 수행하여 고유 유전자 분리 및 다양한 기능성, 병해충 저항성 고구마 육종을 위한 형질 유전자 분리 등의 연구 기반을 확립이 필요하다. 특히 고구마는 척박한 환경의 최고의 수량을 보장하는 작물이라는 점에서, 유전체 정보를 활용하여 식량, 에너지, 환경, 보건 문제를 해결 할 수 있는 고구마 품종육성이 기대된다.
현재 세계인구의 급속한 증가와 산업화에 따른 바이오연료 사용증가, 사료용 곡류의 사용증가 등에 의해 식량의 수요가 크게 증가하고 있다. 이러한 식량부족 문제해결을 위하여 단위면적당 탄수화물 생산량이 가장 높은 작물로 알려진 고구마의 유전체해독을 통한 유용유전자 개발과 이들 유전자를 이용한 다수확품종, 환경내성품종, 기능성품종 개발 등의 기반연구 확대가 필요하다.
본 총설을 통하여 고구마 유전체 해독 연구동향을 살펴보았다. 이러한 연구 동향 분석은 고구마의 생산성 및 기능성 향상 등의 실용화 연구를 수행하는 연구자들에게 최근의 연구현황을 제공할 수 있을 것이며 세계적인 식량, 에너지, 환경문제의 해결에 크게 기여할 것으로 생각된다.
최근 진행되고 있는 식물유전체연구의 경우 500종의 표준 유전체 작성을 목표로 연구를 진행 중이며 40종이 완료되어 논문으로 발표되었으며 150종이 NGS기술을 이용하여 유전체 해독이 이루어지고 있다. 이러한 유전체분석 결과들은 분자육종, 종 다양성 해석, 진화학적 연구, 유전자 기능분석 연구 등에 크게 활용될 것으로 예상된다.
고구마 유전체 해독으로 분리된 고구마 뿌리형질 유전자들은 덩이뿌리를 가지는 카사바, 야콘, 타로 등의 타 작물에서도 유사한 기능을 나타낼 가능성이 있어 이들 유전자들의 활용 가능성 확대와 더불어 연구개발의 필요성이 크게 부각되고 있다. 특히 고구마 유전체 정보를 활용하여 글로벌 조건 불리지역에 적합한 품종개발, 고령화에 적합한 기능성 고구마 품종개발 등으로 인류가 당면한 식량문제, 환경문제, 에너지문제, 보건문제 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 본 논문에서는 고구마 유전체 연구에 대한 최근 동향 및 향후 전망에 대하여 소개하고자 한다.
특히 감자 괴경에 발현하는 유전자군의 해석 및 병저항성 유전자군 분석에 대한 연구를 수행하였다. 향후 고구마 유전체 해독연구가 완료되었을 때 두 작물간의 유전자 비교 분석을 통하여 고유 유전자 개발이 가속화 될 것으로 생각된다.
그러나 한중일 3개국이 고구마 유전체 해독 연구협력을 통하여 각국이 수행할 분야의 효율적인 협력과 2배체 고구마 유전체 정보 및 고밀도 유전자 지도 정보를 활용하여 빠른 시일에 유전체 해독이 완료될 것으로 생각한다. 향후 고구마 유전체 해독을 통하여 전분대사, 항산화물질 대사, 환경스트레스, 기능성 등의 기작에 관여하는 고유 유전자 분리 및 활용연구의 활성화에 기여할 것이며 6배체 고구마 유전체 해독연구는 식물 유전체 해독에 있어 가장 문제시되는 다배수체 식물의 유전체 해독 문제해결에 가장 큰 기여를 할 것으로 기대되어진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고구마의 영양학적 특징은?
최근 세계 각국은 이러한 곡류 수요와 안정적인 식량의 공급 문제 해결을 위하여 안정적인 식량생산 및 식량 공급에 대한 연구 전략 수립에 노력을 하고 있다. 특히 고구마는 전분, 항산화물질, 식이섬유, 칼륨 등이 풍부한 주요 식량작물로서 아시아 3국(한국, 중국, 일본)에서 유용형질을 가진 품종육종을 위해 유전체 연구결과를 이용하려는 연구에 관심이 증가하고 있다. 고구마 유전체 해독으로 분리된 고구마 뿌리형질 유전자들은 덩이뿌리를 가지는 카사바, 야콘, 타로 등의 타 작물에서도 유사한 기능을 나타낼 가능성이 있어 이들 유전자들의 활용 가능성 확대와 더불어 연구개발의 필요성이 크게 부각되고 있다.
식량부족 문제해결에 고구마가 적합한 이유는?
현재 세계인구의 급속한 증가와 산업화에 따른 바이오 연료 사용증가, 사료용 곡류의 사용증가 등에 의해 식량의 수요가 크게 증가하고 있다. 이러한 식량부족 문제해결을 위하여 단위면적당 탄수화물 생산량이 가장 높은 작물로 알려진 고구마의 유전체해독을 통한 유용유전자 개발과 이들 유전자를 이용한 다수확품종, 환경내성품종, 기능성품종 개발 등의 기반연구 확대가 필요하다.
식량부족 문제의 배경은?
현재 세계인구의 급속한 증가와 산업화에 따른 바이오 연료 사용증가, 사료용 곡류의 사용증가 등에 의해 식량의 수요가 크게 증가하고 있다. 이러한 식량부족 문제해결을 위하여 단위면적당 탄수화물 생산량이 가장 높은 작물로 알려진 고구마의 유전체해독을 통한 유용유전자 개발과 이들 유전자를 이용한 다수확품종, 환경내성품종, 기능성품종 개발 등의 기반연구 확대가 필요하다.
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