[논문]수박 시판 품종의 식별을 위한 Genomic과 Expressed Sequence Tag (EST)에서 유래된 Microsatellite Marker의 이용

권용삼; 홍지화; 김두현; 김도훈

doi:10.7235/hort.2015.15045

[국내논문] 수박 시판 품종의 식별을 위한 Genomic과 Expressed Sequence Tag (EST)에서 유래된 Microsatellite Marker의 이용
Use of Microsatellite Markers Derived from Genomic and Expressed Sequence Tag (EST) Data to Identify Commercial Watermelon Cultivars 원문보기

원예과학기술지 = Korean journal of horticultural science & technology, v.33 no.5, 2015년, pp.737 - 750

권용삼 (동아대학교 생명자원과학대학 유전공학과) , 홍지화 (농림축산식품부 국립종자원 종자검정연구센터) , 김두현 (동아대학교 생명자원과학대학 유전공학과) , 김도훈 (동아대학교 생명자원과학대학 유전공학과)

초록
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국내에서 시판되고 있는 수박 102 품종에 대한 DNA 프로 파일 데이터베이스를 구축하기 위하여 genomic microsatellite(gMS)와 expressed sequence tag(EST) microsatellite(eMS) 마커의 다형성 정도의 비교와 유전적 연관성 분석을 통한 품종식별력 검정 등에 대한 일련의 연구를 수행하였다. 수박 gMS 마커를 이용하여 국내에서 시판되고 있는 수박 102 품종을 검정하였을 때 마커당 3.63개의 평균 대립유전자가 검출되었으며, 평균 PIC 값은 0.479로 나타났다. 이에 반해 eMS 마커는 평균 대립유전자의 수가 2.50개, PIC 값이 0.425로 나타나 gMS 마커보다 다형성 정도가 낮게 나타났다. gMS와 eMS 및 이들 두 종류의 마커를 병합하여 작성된 계통도는 microsatellite 마커의 다형성에 따라 수박 102개 품종을 6-8개의 그룹으로 구분하였고 대부분의 품종의 식별이 가능하였다. 3가지 마커 유형에 따라 작성된 계통도를 Mantel test에 의해 상관 정도를 분석하였을 때 높은 상관($r{\geq}0.80$)을 나타내었다. 따라서 본 연구에 활용된 microsatellite 마커는 수박 유전자원의 특성평가, 순도검정 및 품종의 지문화 작업의 수단으로 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out to construct a DNA profile database for 102 watermelon cultivars through the comparison of polymorphism level and genetic relatedness using genomic microsatellite (gMS) and expressed sequence tag (EST)-microsatellite (eMS) markers. Sixteen gMS and 10 eMS primers showed hyper-variability and were able to represent the genetic variation within 102 watermelon cultivars. With gMS markers, an average of 3.63 alleles per marker were detected with a polymorphism information content (PIC) value of 0.479, whereas with eMS markers, the average number of alleles per marker was 2.50 and the PIC value was 0.425, indicating that eMS detects a lower polymorphism level compared to gMS. Cluster analysis and Jaccard's genetic distance coefficients using the unweighted pair group method with arithmetic average (UPGMA) based on the gMS, eMS, and combined data sets showed that 102 commercial watermelon cultivars could be categorized into 6 to 8 major groups corresponding to phenotypic traits. Moreover, this method was sufficient to identify 78 out of 102 cultivars. Correlation analysis with Mantel tests for those clusters using 3 data sets showed high correlation ($r{\geq}0.80$). Therefore, the microsatellite markers used in this study may serve as a useful tool for germplasm evaluation, genetic purity assessment, and fingerprinting of watermelon cultivars.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 우리나라에서 최근에 육성되어 판매되고 있는 수박 99개 F₁ 품종과 농촌진흥청 원예특작과학원에서 육성된 자식 계통 3개 품종에 대한 정밀도 높은 DNA 프로파일 데이터베이스를 구축하고자, 최근에 개발된 genome과 EST에서 유래된 microsatellite를 활용하여 두 마커의 형태 간 다형성 정도의 비교 분석과 품종간 유연관계를 활용한 품종식별력 검정에 대한 일련의 연구를 수행하여 얻어진 결과를 보고하고자 한다.

제안 방법

수박 품종식별에 효과적인 microsatellite 마커를 선발하기 위하여, ‘Hwalgichanggul’, ‘Miinggul’, ‘Megaspeedggul’, ‘Gyeoulae’, ‘Jijonggul’, ‘Saecheonnyeonggul’, ‘Ssizero’, ‘Haechanggul’, ‘Sambokggul’, ‘Speedggul’, ‘Heukmi’ 품종을 대상으로 하여 중국과 미국에서 공동으로 개발하여 유전자 지도에 위치시킨 microsatellite primer 220개(Ren et al., 2012)와 국제 박과작물 게놈프로젝트(http://www.icugi.org)에서 개발된 EST 유래의 microsatellite primer 80개를 대상으로 염색체상의 위치, 반복염기서열 정도 등을 고려하여 수박 11품종에 대한 microsatellite primer별 다형성 정도를 조사하였다.
Microsatellite 분석을 통하여 재현성이 높고 다형성을 보이는 대립유전자를 마커로 선발하여 대립유전자의 유무(dominant marker scoring; present = 1. absent = 0)에 따라 NTSYSpc(version 2.10b)(Rohlf, 2000) 컴퓨터 프로그램에 입력하고 Jaccard 방법(Jaccard, 1908)에 준하여 유전적 유사도 값을 계산한 다음 unweighted pair-group method with arithmetical average(UPGMA)(Sneath and Sokal, 1973) 방법으로 집괴 분석하고 계통도를 작성하여 microsatellite 마커의 품종 식별력을 비교 분석하였다. 그리고 Mantel matrix 분석 방법(Mantel, 1967)에 의하여 EST와 genomic에서 유래된 microsatellite를 근거로 작성된 계통도 및 2종류의 마커를 병합하여 작성된 계통도와 상관 정도를 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 국내에서 유통되고 있는 있는 수박 99개 F₁ 품종과 농촌진흥청 원예특작과학원에서 육성된 자식 계통 3개 품종을 공시하여 품종별 microsatellite 마커를 이용한 데이터베이스 구축에 활용하였다(Table 1). 공시 품종의 종자 10립을 무작위로 추출하여 마쇄한 다음 NucleoSpin^®Plant II(Macherey-Nagel Cat.

이론/모형

10b)(Rohlf, 2000) 컴퓨터 프로그램에 입력하고 Jaccard 방법(Jaccard, 1908)에 준하여 유전적 유사도 값을 계산한 다음 unweighted pair-group method with arithmetical average(UPGMA)(Sneath and Sokal, 1973) 방법으로 집괴 분석하고 계통도를 작성하여 microsatellite 마커의 품종 식별력을 비교 분석하였다. 그리고 Mantel matrix 분석 방법(Mantel, 1967)에 의하여 EST와 genomic에서 유래된 microsatellite를 근거로 작성된 계통도 및 2종류의 마커를 병합하여 작성된 계통도와 상관 정도를 분석하였다.

성능/효과

이상의 결과를 종합해 볼 때 우리나라에서 유통중인 수박 102품종에 대하여 26개의 microsatellite 마커를 이용하여 분석할 경우 대부분의 수박 품종 식별이 가능하였을 뿐만 아니라 수박의 과형, 과육색, 과피색 등과 같은 형태적 특성에 따라 품종들이 그룹화되는 경향을 보였다. 특히, ‘Sambokggul’ 등 14개 품종은 26개의 microsatellite 마커에 의해 식별이 되지 않았는데 이는 수박의 품종 육성에 다양한 유전자원을 활용하지 않고 특정 품종을 순계 분리하여 양친으로 활용하였기 때문에 나타난 결과라고 추정된다.
그러나 본 연구에서 선정된 수박 품종식별용 마커의 경우 ‘Speedggul’과 ‘Haedonggul’은 26개의 마커 중에서 5개의 마커(BVWS00155, BVWS00048, BVWS00233, BVWS01897, WMU058)에서, ‘Sambokggul’과 ‘Chilbokggul’도 2개의 마커(BVWS00208, BVWS00209)에서 뚜렷한 대립유전자의 차이를 나타내었다. 따라서 본 연구에서 선정된 분자 마커가 기존의 연구 결과보다 품종식별력이 높을 뿐만 아니라 자동염기서열분석기를 활용하여 대립유전자를 검출하였기 때문에 정밀도 또한 아주 높을 것으로 판단된다. 그리고 본 연구에 활용된 수박 102품종은 우리나라에서 현재 시판되는 대부분의 품종이기 때문에 이들 품종에 대한 DNA profile 정보를 종자 업체에 이전한다면 F1 종자의 순도검정에도 매우 유용하게 활용되리라 사료된다.

후속연구

502)가 다소 낮게 나타났는데 이는 대립유전자의 검출 방법과 공시품종의 유전적 조성이 다르기 때문에 비롯된 결과라고 사료된다. 본 연구에 최종 선정된 수박 microsatellite 마커 26개는 반복 재현성이 높을 뿐만 아니라 대립유전자의 패턴이 복잡하지 않기 때문에 향후 품종의 진위 확인 및 F₁ 종자의 순도 확인 등과 같은 실용적인 분야에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다.
, 2014), 염색체별 variation block들을 대표할 수 있는 INDEL 마커들을 선발한 다음 이를 품종 식별을 위한 barcode system구축과 관련된 기술을 개발 중에 있다. 향후, 이러한 분석 방법들을 품종보호권이 설정된 수박 품종의 복제를 방지하기 위한 수단으로 활용한다면 검정에 소요되는 시간, 비용, 노력 절감에 크게 기여할 뿐만 아니라 신뢰도 또한 크게 높일 수 있을 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수박속(Citrullus) 식물은 어떻게 분류되는가?	박과식물(Cucurbitaceae)중 수박속(Citrullus) 식물은 남아프리카가 원산인 Citrullus lanatus, 북아프리카와 중동 원산인 Citrullus colocynthis, 서남 아프리카 원산인 Citrullus ecirrhosus와 Citrullus naudinianus, 인도 원산인 Citrullus fistulosus으로 분류되고, Citrullus lanatus는 var. lanatus와 var. citroides 2종의 변종군으로 나누어지며, 우리가 식용으로 이용하는 수박은 C. lanatus var.
	멜론, 오이에서 유래된 SSR 마커와 수박의 SSR 마커를 이용한 기존의 수박 시판 품종 식별 체계의 문제점은 무엇인가?	, 2010), 이를 품종보호 출원품종에 대한 비교품종 선정 및 품종진위성과 관련된 종자분쟁의 해결 수단으로 활용하여 왔다. 그러나 마커의 다형성 정도가 높지 않아 많은 수의 마커를 활용하기 때문에 분석 기간과 노력 및 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 형태적 특성 차이가 있는 몇몇 품종들은 식별이 되지 않은 문제점이 제기 되었다. 따라서 최근에 개발된 수박 EST 및 genomic microsatellite 마커를 이용하여 수박 품종식별용 신규 마커를 개발하고 이를 활용한 수박 시판 품종에 대한 정밀도 높은 데이터베이스 구축은 품종보호 재배 심사의 정밀도 제고, 품종 진위성과 관계된 종자 분쟁, F1 종자의 순도검정 등 여러 가지 분야에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
	종자회사에서 육성 및 판매되고 있는 수박 품종들이 유전적으로 아주 가까울 것이라 추정하는 이유는?	주요 품종 육성 목표는 당도, 내병성, 과형, 저온 적응성의 개선에 주력하고 있으며, 최근에는 소비자의 기호도가 다양해짐에 따라 씨 없는 3배체 수박, 과피와 과육의 색깔이 노란 수박, 과피가 흑색이거나 진한 녹색인 품종이 육성되어 농가에 재배되고 있다. 그러나 ‘Sambokggul’과 같이 높은 당도를 가진 단타원형 수박에 대한 소비자의 선호도가 높아지면서 품종 육종 목표도 이와 같은 방향으로 이루어져 왔기 때문에 종자회사에서 육성 및 판매되고 있는 수박 품종은 유전적으로 아주 가까운 것으로 추정되어 형태적 특성 및 유전자 분석에 의한 유전자원의 특성평가 및 품종 지문화 작업은 단순하지 않은 것으로 알려지고 있다(Che et al., 2003; Jarret et al.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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