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문제 정의
- 따라서 본 연구는 토종닭 시장에서 널리 사용되고 있는 한협의 실용계 계통과 축산과학원의 순계 집단 간의 유전적 구조 및 특성 분석을 통해 향후 소비자의 요구에 부합하는 토종닭의 개량 및 실용계 계통의 개발을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구는 한협 8개 계통과 토종닭 순계 12 계통을 대상으로 27종 MS marker의 유전자형을 분석하고, 이를 기반으로 유전적 특성 및 계통간 유연관계를 구명함으로써 한협에서 생산되고 있는 토종닭 계통들의 유전적 배경이나 특성에 대한 기초자료를 제공하고자 실시하였다.
- 본 연구는 한협축산의 한협 8 계통과 국립축산과학원에서 보존하고 있는 토종닭 순계 12 계통을 대상으로 27종의 MS marker를 활용하여 계통 간의 유전적 다양성을 분석하였다.
제안 방법
- 27종 MS marker의 대립유전자의 빈도를 기반으로 계통별 주성분분석(Principal Components Analysis, PCA)을 수행하여 Fig. 3에 제시하였다. PCA 분석 결과는 본 연구를 통해 얻은 Phylogenetic tree(Fig.
- sizestandard로 희석하여 Genetic Analyzer 3130Xl(Applied Biosystems, USA)를 사용하여 Fragment analysis를 수행하였다. MS marker별 대립유전자형의 정확한 크기는 GeneMapper ver 4.1(Applied Biosystems, USA)을 이용하여 결정하였다.
- PCR 증폭산물은 결과에 따라 Hi-DiTMformamide와 GeneScanTM-500LIZTMsizestandard로 희석하여 Genetic Analyzer 3130Xl(Applied Biosystems, USA)를 사용하여 Fragment analysis를 수행하였다.
- PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액은 DNA 5 ng, primer(10 pmole), 2.5 mM의 dNTP, 10 × Maxima Hot Start Taq buffer, 25 mM MgCl2 그리고 1.5 U의 Thermo Scientific Maxima Hot Start Taq DNA polymerase (Thermo Scientific, USA)을 포함하여 총 15 µL로 제조한 후, 95℃에서 10분간 pre-denaturation 후 95℃에서 30초간 denaturation, 55℃에서 30초간 annealing, 72℃에서 30초간 extension을 30회 반복한 후 15분 간 72℃에서 final-extension을 수행하여 증폭산물을 확보하였다.
- 각 MS marker의 집단별 유전적 고정에 따른 근친도와 집단 간의 차별성 여부를 확인하기 위하여 F-statistics 분석 결과를 제시하였다(Table 3). Fis(f)는 각 집단별 이형접합체 감소 정도를 나타내는 척도로써 집단 내 유전적 고정 정도에 따른 근친화 정도를 파악할 수 있는 지수로, 수치가 클수록 집단 내 개체 간 상관 정도가 높은 것을 의미하며, 반대로 수치가 낮을수록 근친도가 낮음을 의미한다.
- 본 연구에 이용된 27종의 MS marker는 Seo 등(2013)에 의해 보고된 150종의 MS marker를 토대로 대립유전자 크기, 형광물질의 색상 등을 고려하여 향후 개체식별 및 생산이력 시스템 활용에 유용한 MS marker를 선발하였다. 각각의 MS marker는 PCR 증폭산물의 크기를 고려하여 Primer에 FAM, VIC, NED, PET의 형광물질을 부착하여 제작하였다(Table 2). PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액은 DNA 5 ng, primer(10 pmole), 2.
- 공시받은 샘플은 SSC 처리하여 혈구를 분리했으며, 20 µL의 혈구샘플을 Genomic DNA isolation kit from blood (Genetbio, Korea)를 이용하여 제조사가 권장하는 방법에 따라 Genomic DNA를 추출하여 -20℃에 보관하였다.
- 본 연구에 이용된 27종의 MS marker는 Seo 등(2013)에 의해 보고된 150종의 MS marker를 토대로 대립유전자 크기, 형광물질의 색상 등을 고려하여 향후 개체식별 및 생산이력 시스템 활용에 유용한 MS marker를 선발하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 공시재료는 한협의 실용계 8계통 국내 가금종자(HH, HF, HG, HV, HS, HW, HY, HA)와 국립축산과학원 가금과에서 보존하고 있는 토종닭 순계 12집단, 오골계를 포함한 재래닭 2품종 6계통과 토착화 3품종 6계통의 가금 종자(NR, NY, NG, NL, NW, NO, NF, NK, NH, NS, NC, ND)의 익하정맥에서 채혈하였으며, HA 계통(13수)을 제외하고, 모든 계통은 각 24수씩, 총 469수를 공시재료로 사용하였다(Table 1).
데이터처리
- MS Toolkit software(Park, 2000)와 Cervus ver 3.0(Marshall et al., 1998) 프로그램을 이용하여 대립유전자의 수(No. of allele), 기대이형 접합율(expected heterozygosity, Hexp), 관측이형 접합율(observed heterozygosity, Hobs), 다형성 정보지수(Polymorphism information content, PIC)를 계산하였고, 집단 내 각 marker별 특성을 F-통계량(Fit(F), Fst(θ) 및 Fis(f))을 이용하여 분석하였다(FSTAT ver 2.9.3).
- 511로 계산되어 같은 계통이지만 비교적 먼것으로 확인되었다. 계통별 유전적 구조를 비교 분석하기 위해 STRUCTURE software를 이용하였다. Cluster (K)를 2부터 20까지 설정하여 분석을 수행하였고, Cluster(K)가 4, 10 그리고 20으로 설정된 분석 결과를 Fig.
- 집단 간의 유전적 상관을 확인하기 위해서 각 marker 별 대립유전자 빈도를 이용하여 PCA(Principal Components Analysis) 분석은 GenAlEx 6.4(Peakall and Smouse, 2006) 프로그램을 이용하여 분석하였다.
이론/모형
- API-CALC ver 1.0(Ayres and Overall, 2004) 프로그램을 사용하여 동일개체 출현빈도를 계산하였으며, DISPAN(Ota, 1993, Nei, 1983) 프로그램을 통해 각 집단에 대하여 유전적 거리는 NeighborJoining 방법(Saitou and Nei, 1987)을 이용하여 genetic distances를 추정하고, 이를 근거로 Phylogenetic tree를 작성하였다.
성능/효과
- K=20과 10의 분석 결과에서 한협의 8개 계통을 확인한 결과, 3개의 cluster로 구분되는 것을 확인할 수 있었다.
- 2의 K=4 결과와 Fig. 1의 결과를 비교해 보면 한협의 8개 계통의 유전적 특성이 두 개의 분석 결과에서 유사하게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
- Fig. 1을 참고해 보면 HW, HS 그리고 HY는 겸용종인 로드 아일랜드 레드와 유전적 거리가 가까운 것을 확인할 수 있으며, 다른 계통들(HG, HV, HA, NF 그리고 HH)은 육용종인 코니쉬 계통들(NH와 NS)과 가까운 것을 확인할 수 있다.
- 358로 가장 낮은 것으로 확인되었다. Hexp와 PIC 값은 한협 F 계통(HF)이 각각 0.745, 0.686으로 가장 높았고, 가장 낮게 나타난 계통으로는 레그혼 K 계통(NK)이 각각 0.465, 0.412로 확인되었다. 집단의 유전적 고정 상태를 나타내는 지표인 Fis(f)은 NK 집단에서 0.
- MCW0145와 MCW0029는 각각 11개와 15개의 대립유전자를 보유하고 있으며, Hobs, Hexp 그리고 PIC 모두 비교적 높은 값을 확인할 수 있었다.
- MS marker의 효율성을 검증하기 위해 동일개체 출현확률(PI)을 분석한 결과, 전체 계통에 대한 동일개체 출현확률(PI)과 한협 8계통의 동일개체 출현확률(PI)은 27종의 MS marker를 사용하였을 경우, 각각 8.80×10-83, 3.87×10-117 으로 확인되었다.
- PCA 분석 결과는 본 연구를 통해 얻은 Phylogenetic tree(Fig. 1)와 Structure(Fig. 2) 분석을 통해 얻은 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
- 계통 간 유연관계를 분석한 결과, 전체 20계통 중 로드 아일랜드 레드 계통(NC와 ND)이 가장 가까운 것(0.175)으로 확인되었으며, 반면에 레그혼 F(NF)와 로드 아일랜드 레드 D(ND) 계통이 가장 먼 것(0.710)으로 확인되었다.
- 계통별 평균 대립유전자수(MNA)는 4.85로 확인되었고, 가장 많은 대립유전자를 보유한 계통은 재래닭 황색계통(NY)이 6.63으로 확인되었으며, 가장 적은 대립유전자를 보유한 계통은 레그혼 F 계통(NF)이 3.59개로 확인되었다.
- 또한 Hexp와 PIC는 MCW0288에서 각각 0.688과 0.646으로 가장 낮았고, MCW0104에서 각각 0.881과 0.869로 가장 높게 확인되었다.
- 또한 재래닭 계통과 토착화 품종 계통들은 유전적 구성의 유사한 경향치를 가지고 분포하고 있으나, 한협의 8개 계통은 상대적으로 혼재되어 넓게 분포하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 2) 분석을 통해 얻은 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 레그혼 계통(NK와 NF)은 다른 계통들과는 별도로 가장 멀리 떨어져 분포하고 있어, 다른 계통들과의 유전적 구성이 가장 많은 차이를 가진 것으로 확인되었다. 또한 재래닭 계통과 토착화 품종 계통들은 유전적 구성의 유사한 경향치를 가지고 분포하고 있으나, 한협의 8개 계통은 상대적으로 혼재되어 넓게 분포하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 레그혼 계통간(NF와 NK)의 유전적 거리는 0.375로 상대적으로 가까운 것으로 확인되었다.
- 반면, MCW0111, LEI0141, POS0091, GCT0016, MCW0330 그리고 ADL0293은 10개 이상의 대립유전자를 보유하고 있지만, ADL0268 보다 낮은 Hobs를 확인할 수 있었다.
- 본 연구를 통해 MS marker별 Fis(f) 값은 평균 0.115로 확인되었으며, 그 중 GCT0016이 0.355로 집단 내 개체 간 상관 정도가 가장 높게 나타났다.
- 본 연구에서는 한협 8개 계통을 대상으로 동일개체 출현 확률은 MS marker 15개는 1.94×10-66 으로, 12개는 1.58×10-53으로 확인되었다.
- 분석된 Hexp와 Hobs를 비교한 결과, HH 집단을 제외한 모든 집단에서 Hobs가 Hexp에 비해 상대적으로 낮게 나타나고 있음을 확인하였다.
- 분석된 결과에 따르면 전체 20계통 중 로드 아일랜드 레드 계통(NC와 ND) 간이 가장 가까운 유전적 유연관계를 가지고 있는 것으로 확인되었으며, 한협 V 계통(HV)은 레그혼 계통(NF와 NK)과의 유전적 거리가 각각 0.710와 0.701로 확인되어 본 연구결과에서는 가장 먼 것으로 확인되었다.
- 연구 결과, 27종 MS marker 분석 결과, 평균 11.7개의 대립유전자가 확인되었으며, Hexp와 PIC의 경우 MCW0288이 각각 0.688, 0.646으로 가장 낮았고, MCW0104가 0.881, 0.869로 가장 높게 확인되었으며, 집단별 Fis(f)값을 통해 한협 H 계통(HH)은 집단 내 개체 간 상관 정도가 가장 적은 것으로 확인되었다.
- 이는 ADL0268는 5개의 대립유전자가 균일한 빈도로 전체 집단에서 분포하고 있는 것이 확인되었으며, MCW0111, LEI0141, POS0091, GCT0016, MCW0330 그리고 ADL0293는 계통 특이적인 대립유전자의 존재 또는 몇몇 계통에서 특정 대립유전자의 분포가 편중되어 존재하는 것에서 기인되는 것으로 확인하였다.
- 전반적으로 토착화된 품종(Leghorn-NF, NK, Cornish-NH, NS, Rhode Island Red-NC, ND)에서 한협의 실용계 계통과 재래닭 순계 계통들에 비해 MNA, Hobs, Hexp 그리고 PIC 값이 낮은 것으로 확인되었으며, Fis(f)는 상대적으로 높은 경향치를 보이고 있음을 확인하였다.
- 전체 20계통에 대한 동일개체 출현확률(PI)과 한협 8개 계통 내에서의 동일개체 출현확률(PI) 분석 결과, 총 27종의 MS marker를 사용하였을 경우, 각각 8.80×10-83과 3.87×10-117 으로 확인되었다.
- 전체집단을 대상으로 27종 MS marker를 분석한 결과, 5개(ADL0268)부터 20개(MCW0127)까지 평균 11.7개의 대립유전자가 확인되었다.
- 특히 Fig. 2의 K=4의 분석결과에서 로드 아일랜드 레드 계통(NC와 ND)과 HS, HW 그리고 HY 계통이 하나의 Cluster로 묶이면서 Fig. 1의 분석 결과와 매우 유사한 것이 확인되었다.
- 한편, 한국 재래닭 집단인 5개 계통(NR, NY, NG, NL 그리고 NW)간의 유전적 거리는 NR과 NY가 가장 가까운(0.396) 것으로 확인되었으며, NW와 NL 간이 가장 먼 것으로 확인되었다.
- 한협의 8개 계통 간의 유전적 거리를 확인해 보면 HH와 HF 간이 가장 가까운 것(0.303)으로 확인되었으며, HV와 HY 간이 이 가장 먼 것(0.583)으로 확인되었다.
후속연구
- 따라서 본 연구는 토종닭 시장에서 높은 점유율을 보유한 한협의 실용계 계통의 유전적 배경과 특성 분석을 통해 향후 소비자의 요구에 부합하는 토종닭의 개량 및 실용계 계통의 개발을 위한 기초자료로 유용하게 활용될 것으로 기대된다.
- 따라서 본 연구는 향후 소비자의 요구에 부합하는 토종닭의 개량 및 실용계 계통의 개발에 있어 토종닭 시장에서 높은 점유율을 보유한 한협의 실용계 계통의 유전적 배경과 특성 분석을 통해 개체식별 및 생산이력 시스템 활용의 기초자료로 유용하게 활용될 것으로 기대된다.
- 하지만 토종닭 시장의 지속 가능한 성장을 위해서는 토종닭 품종에 대한 명확한 유전적 배경을 바탕으로 한 장기적인 개량 기반이 구축되어야 할 것이다.
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