[논문]몇 가지 벼 품종으로부터 분리한 4-HPPD저해 제초제에 감수성인 HIS1 유전자 특성

김상수; 박재읍; 김예진; 이용환; 이인용; 이정란; 문병철; 임양빈

doi:10.5660/wts.2016.5.4.187

초록
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4-HPPD저해 제초제에 의한 주요 벼품종의 약해반응과 약제반응에 관여하는 유전자(HIS1) 특성을 구명하기 위해 본시험을 수행하였다. Benzobicyclon 액상수화제 처리에 Japonica 품종인 상주벼에는 백화증상의 약해증상이 발생하지 않았으며, Japonica 품종임에도 불구하고 삼백벼에서는 기준량에서는 2-3, 배량에서는 3-4의 백화증상의 약해가 발생하였으며, 산들진미, 금영 품종에서는 3-4 및 4-5의 약해증상을 보였다. 또한 Indica 품종인 IR-8 품종에서는 기준량에서 3~5, 배량에서는 4~6의 가증 심한 약해증상을 보였다. 4-HPPD저해 제초제애 대해서 약제반응에 관여하는 HIS1 유전자 보유여부를 확인하기 위해 일반계 품종인 상주벼와, 삼백벼, 산들진미, 금영과 통일형 품종인 IR-8품종으로부터 저항성 표적유전자와 동일 HIS1 유전자를 분리하였다. 각 품종별 HIS1유전자를 PCR등을 통해 염기서열을 확인한 결과 HIS1 유전자는 생태형에 상관없이 시험한 5품종 모두에서 HIS1유전자를 보유하고 있는 것으로 확인되어, 본 유전자로 HPPD 약해 발생 유무를 검증할 수 없음이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to determine phytotoxicity of domestic rice varieties and characteristic of sensitive gene involved in herbicide reaction of 4-HPPD (4-hydroxy phenylpyruvate dioxygenase) inhibiting herbicides. The five rice varieties were grown for 2 to 3 leaf stage on seedling trays and th...

This study was conducted to determine phytotoxicity of domestic rice varieties and characteristic of sensitive gene involved in herbicide reaction of 4-HPPD (4-hydroxy phenylpyruvate dioxygenase) inhibiting herbicides. The five rice varieties were grown for 2 to 3 leaf stage on seedling trays and then transplanted into plastic pot: 4-Japonica type (Sangjubyeo, Sambaekbyeo, Sanduljinmi and Kumyoung) varieties and 1-Indica type variety (IR8). We trialled standard (14 g a.i. $10a^{-1}$) and double fold (28 g a.i. $10a^{-1}$) dose of benzobicyclon treatment at 10 days after transplanting in order to investigate phytoxicity. The Japonica-type Sangjubyeo showed no rice injury but Indica-type IR8 show 4-5 (standard) and 5-6 (double fold) phytoxicity levels. In spite of Japonica-type, Sanduljinmi and kumyoung showed 3-4 and 4-5 levels. Target resistant gene, Hydroxyphenylpyruvate dioxygenase inhibitor sensitive gene No.1 (HIS1) have been isolated from five domestic rice cultivars (Sangjubyeo, Sambaekbyeo, Sanduljinmi, Kumyoung and IR8). Results of the sequence through PCR, all five tested rice cultivars had HIS1 gene regardless to rice cultivars. And the difference between rice varieties from sequence of HIS1 were identified some variation in genes.

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문제 정의

따라서 본 시험에서는 4-HPPD계 제초제 의한 벼 품종간 약제반응 차이가 상이하므로 작용기작 구명차원에서 4-HPPD계 제초제에 감수성인 벼의 HIS1 유전자를 품종간 비교분석 하였다.

제안 방법

시험에 사용된 5품종의 종자를 이용하여 gDNA (genomic DNA)를 추출(DNeasy Plant mini kit (QIAgen Cat.no69104))하였으며 Table 2와 같은 PCR primer를 각 품종 당 적용하였고, 이는 HIS1의 Exon1, Exon2, Exon3, Exon4 (전반부위), Exon4 (후반부위), Exon5 (전반부위) 등 총 6 set로 PCR 조건을 확립하였다. 염기서열분석은 ABI PRISM 3730XL Analyzer (96 capillary type) with BigDye (R) Terminator v3.
Sequencing 산출물인 fasta 형식의 기초 데이터를 이용하여 기존에 알려진 HIS1 유전자 서열과 비교한 후, 유전자 유무와 유전자적 일치도를 확인하였다(SNP analysis : Variant report V 1.0 (Applied Biosystems).

대상 데이터

1 (이하 HIS1)를 분리하고 특성을 조사하기 위해 사용한 벼 품종은 Table 1과 같다. 동 약제에 저항성 품종인 상주벼와 약제처리로 심한 백화증상을 보이는 일반형 벼 품종인 삼백벼 등 3품종 및 통일형 벼 품종으로 통일계 품종의 교배모본인 IR8 품종을 농촌진흥청 작물시험장으로부터 분양 받아 시험에 사용하였다.

성능/효과

본시험에 사용된 5개 벼 품종을 대상으로 4-HPPD저해 제초제인 benzobicyclon 액상수화제를 기준량과 배량을 처리하여 약제반응을 조사한 결과 Table 3과 같이 Japonica 품종인 상주벼에는 백화증상의 약해 증상이 발생하지 않았으며, Japonica 품종임에도 불구하고 삼백벼에서는 기준량에서는 2-3, 배량에서는 3-4의 백화증상의 약해가 발생하였으며, 산들진미, 금영 품종에서는 3-4 및 4-5의 약해 증상을 보였다. 또한 Indica 품종인 IR-8 품종에서는 기준량에서 3~5, 배량에서는 4~6의 가증 심한 약해 증상을 보였다(Table 4).
결론적으로 Table 2와 같이 유전자 특허 공개번호 10-2014-0008322 정보에 따라 4-HPPD 저해 제초제 저항성 유전자로 밝혀진 HIS1은 국내 벼 5품종에는 판별 유전자로 대표 할 수 없는 것으로 최종 확인하였다. 이와 같은 결과는 기존에 보고된 4-HPPD저해 제초제와 HIS1유전자가 친화적인 관계라는 연구결과(Barta and Boger, 1996)와 정반대 되는 결과여서 추가적인 작용기작 연구가 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

결론적으로 Table 2와 같이 유전자 특허 공개번호 10-2014-0008322 정보에 따라 4-HPPD 저해 제초제 저항성 유전자로 밝혀진 HIS1은 국내 벼 5품종에는 판별 유전자로 대표 할 수 없는 것으로 최종 확인하였다. 이와 같은 결과는 기존에 보고된 4-HPPD저해 제초제와 HIS1유전자가 친화적인 관계라는 연구결과(Barta and Boger, 1996)와 정반대 되는 결과여서 추가적인 작용기작 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 논잡초 발생양상은 어떠한가?	국내 논잡초 발생양상은 1998년 서산 간척지에서 우점하는 논잡초 물옥잠이 설포닐우레아계 제초제에 저항성 잡초로 밝혀 지면서 새로운 전기를 맞이하였다. 논 잡초에 저약량으로 고활성을 보였던 설포닐우레아계 제초제는 국내 논잡초 방제용으로 지속적으로 사용해온 결과 고약량에서도 방제가 되지 않는 제초제 저항성잡초도 급속히 증가하였다.
	현재 국내 등록되어 사용중인 4-Hydroxyphenylpyruvate dioxygenase 저해 제초제 성분은 무엇이 있는가?	, 2008). 현재 국내 등록되어 사용중인 4-HPPD저해 제초제 성분은 benzobicyclone, mesotrione, tefuryltrione이 단제 및 혼합제로 다양하게 개발되어 벼 어린모 초중기 및 중기에 사용되고 있다. 이 성분의 작용기 작은 식물의 4-HPPD효소저해로 티로신 대사경로의 플라스토퀴논이 장애를 받아 간접적으로 카로티노이드 생합성 경로의 PDS (phytoene desaturase step) 효소에 영향을 주어 카로틴 형성이 억제되고 엽록소붕괴가 일어나 식물체가 백화증상의 약해 반응이 나타난다(Barta and Boger, 1996; Lee et al.
	국내 논잡초 방제용으로 설포닐우레아계 제초제를 지속적으로 사용해온 결과는?	국내 논잡초 발생양상은 1998년 서산 간척지에서 우점하는 논잡초 물옥잠이 설포닐우레아계 제초제에 저항성 잡초로 밝혀 지면서 새로운 전기를 맞이하였다. 논 잡초에 저약량으로 고활성을 보였던 설포닐우레아계 제초제는 국내 논잡초 방제용으로 지속적으로 사용해온 결과 고약량에서도 방제가 되지 않는 제초제 저항성잡초도 급속히 증가하였다. 우리나라에서 현재 설포닐우레아계 제초제에 저항성을 보이는 논잡초는 물달개비와 올챙이고랭이 등 16종이 보고되어 있다(Lee et al.

참고문헌 (9)

Barta, I.C. and Borger, P. 1996. Purification and characterization of 4-hydroxyphenyl pyruvate dioxygenase from maize. Pestic. Sci. 48:109-116.

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Han, S.S., Yoo, K.Y., Park, M.S. and Kang, D.W. 2009. Reactivity of herbicide benzobicyclon in rice and weed rice. Kor. J. Weed Sci. 29(2):105. (In Korean)
Kim, S.Y., Lee, J.Y., Yeo, U.S., Oh, S.H., Park, S.T., et al. 2010. Differential tolerance of rice cultivars to mesotrione-contained herbicides. Kor. J. Weed Sci. 30(3):300-307. (In Korean)

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Kwon, O.D., Shin, S.H., An, K.N., Lee, Y., Min, H.K., et al. 2012. Response of phytotoxicity on Rice varieties to HPPD-inhibiting herbicides in paddy rice fields. Kor. J. Weed Sci. 32(3):240-255. (In Korean)

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Lee, D.L., Prisbylla, M.P., Cromatie, T.H., Dagarin, D.P., Howard, S.W., et al. 1997. The discovery of P-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase. Weed Sci. 45:601-609.
Lee, I.Y., Won, T.J., Seo, Y.H., Kim, E.J., Yun, Y.T., et al. 2013. Occurrence trends of SU-herbicide resistant weeds in paddy fields in Korea. Weed Turf. Sci. 2(3):318-321. (In Korean)

원문보기 상세보기
SDS Biotech, K.K. 2014. Plant having improved resistivity or sensitivity to 4-HPPD inhibitor. Patent Pub. No. 10-2014-0008322. (In Korean)
Sekino, K. 2002. Discovery study of new herbicides from the inhibition of photosynthetic pigments biosynthesis (development of a new plastoquinone biosynthetic inhibitor, benzobicyclon as a herbicide). Japanese J. Weed Sci. 27:388-391. (In Japanese)
Sekino, K., Koyanagi, H., Ikuta, E. and Yamada, Y. 2008. Herbicidal activity of a new paddy bleaching herbicide, benzobicyclon. J. Pestic. Sci. 33:364-370.

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