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문제 정의
- 본 연구는 성숙기의 한발 스트레스에 대한 ASI 변화를 분석하였다. 국내 품종과 동남아시아 품종의 경우 NAM parent line에 비해 초장이 길고 지상부의 생체중이 많이 나가지만 ASI는 각 품종별로 상이한 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 21개 국내외 옥수수 수집종에 대한 유묘기와 성숙기의 대표적 환경 스트레스인 한발 스트레스에 대해 반응하는 형태적, 유전적 근연관계를 분석하였다. 유묘기 잎말림은 5단계로 나누어 평가하였으며, ASI는 수염이 출사하기 시작한 날과 화분이 비산하기 시작한 날의 차이로 산정하였다.
- 본 연구에서는 다양한 옥수수 교잡종별 유전적 다양성과 대표적 환경 스트레스인 한발에 관한 형질을 비교분석하고, 교잡종의 관계 패턴 분석과 국내 유전자원과 해외 유전자원의 유전적 다양성을 탐색하고자 한다.
제안 방법
- 006으로 서로 연관이 없는 독립적인 특성인 것으로 나타났다. 21품종 중 내성 품종을 선발하기 위하여 한발 내성 품종으로 알려진 Ki11 품종을 중심으로 유묘기의 잎말림 지수 1.87과 생식생장기의 ASI 지수 2.25 윗부분을 기준선으로 삼아 4분면을 구성하였다. 그 결과 CML228, Ki11 및 CML322가 한발 내성을 지니고 있는 것으로 평가되었다.
- 21품종의 한발 스트레스 상황에서의 유묘기 잎말림과 ASI 값을 2차원 평면으로 분석하였다(Fig. 4). 한발조건에서의 유묘기 잎말림과 ASI 값 간의 상관분석 결과 피어슨 상관계수값은 -0.
- PCR (33 cycle의 94°C 1분, annealing temperature 30초, 72°C 1분) 증폭 후 1.5% agarose gel에서 polymorphism을 분석하였다.
- 총 142 프라이머 세트가 제작되어 41개의 수집종에 대하여 유전적 다양성을 분석하였다. QTL screening은 abmTM Taq DNA polymerase (Applied Biological Materials Inc, Richimond, BC, Canada)를 이용하여 GeneTouchTM thermal cycler (Bioer Technology Ltd, Hangzhou, Zhejiang province, China)로 증폭하였다. PCR (33 cycle의 94°C 1분, annealing temperature 30초, 72°C 1분) 증폭 후 1.
- 각 품종 간 유전적 근연도는 Dice (1945)의 유사성 계수 [Sxy=2Nxy/(2Nxy+Nx+Ny), Sxy: sample x, sample y 사이의 similarity coefficient, Nxy: x, y 모두에 나타난 동일한 band 갯수, Nx: x에 나타난 band 갯수, Ny: y에 나타난 band 개수; DICE]를 이용하여 조사한 후, similarity matrix를 만들었다. Similarity matrix는 NTSYS v.2.11L의 Sequential, Agglomerative, Hierarchical and Nested clustering, SAHN(Sneath and Sokal 1973) 프로그램에서 UPGMA 분석을 사용하여 같은 프로그램의 TREE module을 이용하여 dendrogram을 만들었다.
- QTL 분석결과 얻어진 밴드를 대상으로 “0” (absence), “1” (presence)의 이진법 데이터로 전환하여 분석에 임하였다. 각 품종 간 유전적 근연도는 Dice (1945)의 유사성 계수 [Sxy=2Nxy/(2Nxy+Nx+Ny), Sxy: sample x, sample y 사이의 similarity coefficient, Nxy: x, y 모두에 나타난 동일한 band 갯수, Nx: x에 나타난 band 갯수, Ny: y에 나타난 band 개수; DICE]를 이용하여 조사한 후, similarity matrix를 만들었다. Similarity matrix는 NTSYS v.
- 유묘기 잎말림 평가는 각 식물체의 3엽이 활착하였을 때 수분 공급을 중단하였는데 약 10%의 약한 한발 스트레스에도 1엽의 경우 금방 괴사해버리는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 토양수분함량 7% 미만의 심한 한발 스트레스를 처리하고 1엽을 제외한 2, 3엽의 잎말림 지수를 평가하였다(Fig. 2). 잎말림 지수를 평가한 결과 CML228, DK9955, Ki11, CML69, 평안옥, CML322, CML103 및 강다옥은 2.
- 2014). 따라서 한발 내성연구가 되어있는 Ki3 (한발 감수성) 및 Ki11 (한발 내성)을 기준으로 하여 국내 품종과 동남아시아 품종을 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 유묘기에 한발 스트레스를 처리하여 잎말림 정도를 평가하였다. 옥수수 유묘기를 이용한 실험은 시간적, 공간적 및 경제적으로 매우 효율적인 방법이다(Meeks et al.
- 수분 중단 4~5일이 경과하였을 때 토양수분함량 7% 미만에 도달하였다. 실험구의 토양수분함량은 7%로 유지하며 한발 스트레스를 처리하였다. 밑거름은 20 : 15 : 15 kg/10 a (N : P2O5 : K2O)로 시비하였으며, 파종 후 45일이 경과하였을 때 웃거름을 시비하였다.
- 옥수수 genomic DNA는 Riede and Anderson (1996)의 방법을 변형한 extraction buffer [100 mM Tris-HCL pH 8.0, 50mM EDTA, 500mM NaCl, 0.84% SDS, 0.38% (wv-1) sodium bisulfate]를 이용한 추출법으로 성숙기 옥수수의 어린잎에서 추출하였다. 옥수수 genomic DNA를 추출한 후 NanoDrop spectrophotometer(Maestrogen, 275 South Eastern, Las Vegas, USA)와 1% agarose gel을 이용한 전기영동으로 genomic DNA의 순도를 측정하였고 -20℃에 보관하여 실험에 사용하였다.
- 38% (wv-1) sodium bisulfate]를 이용한 추출법으로 성숙기 옥수수의 어린잎에서 추출하였다. 옥수수 genomic DNA를 추출한 후 NanoDrop spectrophotometer(Maestrogen, 275 South Eastern, Las Vegas, USA)와 1% agarose gel을 이용한 전기영동으로 genomic DNA의 순도를 측정하였고 -20℃에 보관하여 실험에 사용하였다.
- 옥수수 성숙기 ASI 평가는 비가림 하우스에 21개 품종을 대조구와 실험구로 나누어 37×37.5 cm (20 L) 화분에 상토(식물세계, 농우바이오)를 가득 채우고 각각 파종하였다.
- 옥수수 유묘기와 성숙기에 한발 스트레스를 처리하여 잎말림과 ASI를 분석하였다. 유묘기 잎말림은 60×40×20.
- 1992). 온대, 열대 및 아열대 옥수수 유전자원 중 대표적인 770개 교잡종의 관계 패턴 및 집단구조(population structure)를 SNP 마커를 이용하여 분석하였다(Lu et al. 2009; Semagn et al. 2012). 또한, SNP 마커는 유전적 다양성 분석을 포함한 옥수수 품종 향상 등 다양한 분석방법에 이용되고 있다(Lu et al.
- 본 연구에서는 21개 국내외 옥수수 수집종에 대한 유묘기와 성숙기의 대표적 환경 스트레스인 한발 스트레스에 대해 반응하는 형태적, 유전적 근연관계를 분석하였다. 유묘기 잎말림은 5단계로 나누어 평가하였으며, ASI는 수염이 출사하기 시작한 날과 화분이 비산하기 시작한 날의 차이로 산정하였다. 유묘기 잎말림의 경우 4 이상의 수준을 보이면 회복이 불가하며 2, 3 정도의 수준은 정상적인 잎으로 회복이 가능하다.
- 유묘기 잎말림은 60×40×20.5cm 화분에 질석(vermiculite) 30 L를 넣고 물을 포장용수량까지 공급한 후 9×11.5 cm의 재식밀도로 파종하였다.
- 5 cm의 재식밀도로 파종하였다. 토양 수분함량은 WT1000N (Mirae Senser Inc., Seoul, Republic of Korea)을 이용하여 측정하였으며, 세 차례 측정한 후 평균값으로 산정하였다. 화분의 토양수분함량은 15~25%로 유지하였으며 실험구의 경우 3엽기 이후 수분 공급을 중단하여 한발 스트레스를 처리하였다(Song et al.
대상 데이터
- org)를 이용하여 디자인 되었다. 총 142 프라이머 세트가 제작되어 41개의 수집종에 대하여 유전적 다양성을 분석하였다. QTL screening은 abmTM Taq DNA polymerase (Applied Biological Materials Inc, Richimond, BC, Canada)를 이용하여 GeneTouchTM thermal cycler (Bioer Technology Ltd, Hangzhou, Zhejiang province, China)로 증폭하였다.
- 한발 스트레스 관련 QTL 마커들은 Plant Stress (http://www.plantstress.com/files/qtls_for_resistance.htm)에 공개되어 있는 SSR 마커 또는 RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) probe를 이용하여 수집되었으며, 해당 마커의 프라이머 정보는 MaizeGDB (www.maizwgdb.org)를 이용하여 디자인 되었다. 총 142 프라이머 세트가 제작되어 41개의 수집종에 대하여 유전적 다양성을 분석하였다.
- 한발 스트레스 관련 QTL 마커를 활용하여 옥수수 수집종 간의 유전적 근연관계를 검정하기 위하여 142개의 QTL 마커를 활용하여 분석하였다 (Fig. 5). 사용된 QTL 마커는 전반적으로 염색체에 널리 분포되어 있으나 특히 3번 염색체에 집중적으로 분포되어 있는 것으로 확인 되었다.
- 한발 스트레스에 대한 표현형 분석을 하기 위해 NAM(Nested Association Mapping) parent line 16개(B73, CML 103, CML228, CML247, CML277, CML322, CML333, CML69, Ki11, Ki3, Ky21, M37W, Mo18w, NC350, Oh43 및 Tx303), 국내 품종 4개(강다옥, 광평옥, 청다옥 및 평안옥), 동남아시아 품종 1개(DK9955)를 사용하였다. NAM 집단은 QTL mapping의 통계적인 분석과 association mapping, 계통분석을 통해 다양한 형질에 대한 연구를 수행할 수 있는 옥수수 집단이다(Kim et al.
데이터처리
- 각 개체들 간의 상대적인 거리를 2차원적 평면 상에 상대적 거리로 나타내기 위하여 다차원 척도법을 활용하였다. 상대적 거리의 계산은 NTSYSpc 2.1을 이용하였으며, 계산된 두 거리 사이의 적합도를 측정하는 통계치인 stress는 다음의 식에 의해 계산되었다.
이론/모형
- 각 개체들 간의 상대적인 거리를 2차원적 평면 상에 상대적 거리로 나타내기 위하여 다차원 척도법을 활용하였다. 상대적 거리의 계산은 NTSYSpc 2.
- 잎말림 평가는 CIMMYT의 잎말림 평가기준을 참고하였다(Bänzinger et al.2000).
성능/효과
- 006으로 서로 연관이 없는 독립적인 특성인 것으로 나타났다. 21품종 중 한발 내성 품종 선발 결과 CML228, Ki11 및 CML322가 높은 한발 내성을 지니고 있는 것으로 평가되었다. CML228과 CML322는 국내 품종과의 산포도가 높으나 Ki11은 매우 가까운 관계를 보여주고 있기 때문에 한발에 대한 내성 품종인 Ki11의 유전적 특징을 국내 품종에 활용하는 것이 가능할 것으로 사료된다.
- 본 연구는 성숙기의 한발 스트레스에 대한 ASI 변화를 분석하였다. 국내 품종과 동남아시아 품종의 경우 NAM parent line에 비해 초장이 길고 지상부의 생체중이 많이 나가지만 ASI는 각 품종별로 상이한 것을 확인할 수 있었다. 한발 스트레스를 처리하였을 때, 한발 내성 품종으로 알려진 Ki11의 경우 2.
- 25 윗부분을 기준선으로 삼아 4분면을 구성하였다. 그 결과 CML228, Ki11 및 CML322가 한발 내성을 지니고 있는 것으로 평가되었다.
- 1981). 따라서 한발 스트레스를 처리했을때 ASI가 5일 이하이고 대조구에 비해 실험구의 ASI가 3일 이하로 증가한 CML228, CML103, 청다옥, NC350, B73, CML322, 광평옥 및 Ki11은 수확량의 큰 변화를 보이지 않을 것으로 평가된다. 반면, 한발 스트레스를 처리 했을 때 ASI가 10일 이상이고 대조구에 비해 실험구의 ASI가 8일 이상 증가한 CML69, Ki3, 평안옥, M37W, Mo18w 및 강다옥은 수확량이 크게 감소할 것으로 평가된다.
- 옥수수 한발 평가는 궁극적으로 실험구와 대조구에서 유사한 수준의 수확량을 얻는 것이 목표라고 할 수 있다. 따라서 한발 스트레스를 처리했을때 ASI가 5일 이하이고, 대조구에 비해 실험구의 ASI가 3일 이하로 증가했다면 한발 내성 품종, ASI가 10일 이상이고 대조구에 비해 실험구의 ASI가 8일 이상 증가했다면 한발 감수성 품종으로 평가할 수 있다. B73의 경우 한발 감수성 품종으로 알려져 있지만, 한발 스트레스를 처리해도 ASI가 5일 미만을 보이고 대조구에 비해 1.
- 또한, ASI는 한발 스트레스를 처리할 경우 3~7일 증가한다고 보고 되었으며 ASI가 3일에서 11일로 증가할 경우 수확량이 71% 감소한다고 보고 되어있다. 따라서 한발 스트레스를 처리했을때 ASI가 5일 이하이고, 대조구에 비해 실험구의 ASI가 3일 이하로 증가했다면 한발 내성 품종으로 평가할 수 있다.
- 따라서 한발 스트레스를 처리했을때 ASI가 5일 이하이고 대조구에 비해 실험구의 ASI가 3일 이하로 증가한 CML228, CML103, 청다옥, NC350, B73, CML322, 광평옥 및 Ki11은 수확량의 큰 변화를 보이지 않을 것으로 평가된다. 반면, 한발 스트레스를 처리 했을 때 ASI가 10일 이상이고 대조구에 비해 실험구의 ASI가 8일 이상 증가한 CML69, Ki3, 평안옥, M37W, Mo18w 및 강다옥은 수확량이 크게 감소할 것으로 평가된다. 옥수수 한발 평가는 궁극적으로 실험구와 대조구에서 유사한 수준의 수확량을 얻는 것이 목표라고 할 수 있다.
- 5). 사용된 QTL 마커는 전반적으로 염색체에 널리 분포되어 있으나 특히 3번 염색체에 집중적으로 분포되어 있는 것으로 확인 되었다. Polymorphism을 보이는 밴드를 바탕으로 각 계통 간 근연관계를 덴드로그램으로 나타내면 Fig.
- 2015). 수분공급중단 6일 이후 토양수분함량은 10%로 약한 한발 스트레스, 16일 이후 5%로 극심한 한발 스트레스 수준에 도달하였다. 잎말림 평가는 CIMMYT의 잎말림 평가기준을 참고하였다(Bänzinger et al.
- 유묘기 잎말림 평가는 각 식물체의 3엽이 활착하였을 때 수분 공급을 중단하였는데 약 10%의 약한 한발 스트레스에도 1엽의 경우 금방 괴사해버리는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 토양수분함량 7% 미만의 심한 한발 스트레스를 처리하고 1엽을 제외한 2, 3엽의 잎말림 지수를 평가하였다(Fig.
- 2). 잎말림 지수를 평가한 결과 CML228, DK9955, Ki11, CML69, 평안옥, CML322, CML103 및 강다옥은 2.5 미만의 수준을 보였다. 반면, CML277, Ki3, Mo18w CML333, Ky21, Tx303, 청다옥, Ms71, CML247, M37W, 광평옥, B73 및 NC350은 2.
- 국내 품종과 동남아시아 품종의 경우 NAM parent line에 비해 초장이 길고 지상부의 생체중이 많이 나가지만 ASI는 각 품종별로 상이한 것을 확인할 수 있었다. 한발 스트레스를 처리하였을 때, 한발 내성 품종으로 알려진 Ki11의 경우 2.75일 증가하였고 한발 감수성 품종으로 알려진 Ki3의 경우 10.06일 증가한 것으로 조사되었다(Fig. 3). 일반적으로 한발 스트레스를 처리할 경우 ASI는 대략 3~7일 증가한다고 보고 되었다(Anderson et al.
- 2005). 한발 처리 후 수분 재공급을 통한 회복능력을 평가해본 결과 5단계에 도달할 경우 잎이 전체적으로 괴사가 진행되어 회복이 불가능하였고, 4단계에 도달할 경우 잎의 일부가 괴사되었지만 잎말림은 점차 회복되었다. 반면 2, 3단계에 도달한 잎의 경우 서서히 회복되어 정상적인 잎 수준에 도달하였다(Song et al.
- 한발조건에서의 유묘기 잎말림과 ASI 간의 상관분석 결과 피어슨 상관계수값은 -0.006으로 서로 연관이 없는 독립적인 특성인 것으로 나타났다. 21품종 중 한발 내성 품종 선발 결과 CML228, Ki11 및 CML322가 높은 한발 내성을 지니고 있는 것으로 평가되었다.
- 4). 한발조건에서의 유묘기 잎말림과 ASI 값 간의 상관분석 결과 피어슨 상관계수값은 -0.006으로 서로 연관이 없는 독립적인 특성인 것으로 나타났다. 21품종 중 내성 품종을 선발하기 위하여 한발 내성 품종으로 알려진 Ki11 품종을 중심으로 유묘기의 잎말림 지수 1.
후속연구
- 유묘기 잎말림, ASI를 통하여 한발 내성으로 선발된 CML228, Ki11 및 CML322 중 CML228과 CML322는 국내 품종과의 산포도가 높으나 Ki11은 매우 가까운 관계를 보여주고 있기 때문에 한발에 대한 내성 품종인 Ki11의 유전적 특징을 국내 품종에 활용하는 것이 가능할 것으로 사료된다.
- 2006). 따라서 B73은 잎의 노화, 주당 이삭수, 100립중 및 수확량 등 다양한 요인을 이용한 한발 내성 평가를 수행해야 할 것으로 보인다.
- 유묘기 잎말림, ASI를 통하여 한발 내성으로 선발된 CML228, Ki11 및 CML322 중 CML228과 CML322는 국내 품종과의 산포도가 높으나 Ki11은 매우 가까운 관계를 보여주고 있기 때문에 한발에 대한 내성 품종인 Ki11의 유전적 특징을 국내 품종에 활용하는 것이 가능할 것으로 사료된다.
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