국내 농가에서 재배되고 있는 산초 및 초피유전자원의 형태학적 특성과 유전적 다양성을 분석하여 분자생물학적 분류와 유전자원평가에 활용하고자 하였다. 산초 수집계통간의 유전적 다형성은 증폭된 총 88개 밴드 중 85개의 다형성 밴드가 검출되어 96.5%였으며, 초피나무 수집계통은 총 58개 밴드 중 다형성 밴드는 35개로 60.3%의 다형성을 나타내었다. 산초나무 수집 계통의 UBC 861 프라이머 500 bp 영역과 UBC 862 프라이머 300 bp 영역에서 종 특이적인 밴드가 검출되었다. 신품종 육종의 기초자료로 활용하고자 유전적 유사도 지수를 산출한 결과, 총 32계통간의 유전적 유사도 지수는 최저 0.116에서 최고 0.816 사이로 산초나무의 종내 유전적 유사도 지수는 0.177∼0.780, 초피나무의 종내 유전적 유사도 지수는 0.250∼0.816 사이로 낮게 나타나 교배육종 소재로 활용이 기대된다. 군집분석 결과, 유전적 유사도 지수 0.302에서 산초나무와 초피나무 수집 계통이 분리되어 산초나무 2개 그룹과 초피나무 1개 그룹으로 유집되었다. 반면 유집된 그룹과 형태학적 특성과 연관성은 없었다. 본 연구 결과를 바탕으로 ISSR 마커로 산초와 초피의 종간 구분 마커 개발이 기대되며, 유전적 유사도를 바탕으로 교배육종 소재 선발의 가능성이 평가되었다.
국내 농가에서 재배되고 있는 산초 및 초피유전자원의 형태학적 특성과 유전적 다양성을 분석하여 분자생물학적 분류와 유전자원평가에 활용하고자 하였다. 산초 수집계통간의 유전적 다형성은 증폭된 총 88개 밴드 중 85개의 다형성 밴드가 검출되어 96.5%였으며, 초피나무 수집계통은 총 58개 밴드 중 다형성 밴드는 35개로 60.3%의 다형성을 나타내었다. 산초나무 수집 계통의 UBC 861 프라이머 500 bp 영역과 UBC 862 프라이머 300 bp 영역에서 종 특이적인 밴드가 검출되었다. 신품종 육종의 기초자료로 활용하고자 유전적 유사도 지수를 산출한 결과, 총 32계통간의 유전적 유사도 지수는 최저 0.116에서 최고 0.816 사이로 산초나무의 종내 유전적 유사도 지수는 0.177∼0.780, 초피나무의 종내 유전적 유사도 지수는 0.250∼0.816 사이로 낮게 나타나 교배육종 소재로 활용이 기대된다. 군집분석 결과, 유전적 유사도 지수 0.302에서 산초나무와 초피나무 수집 계통이 분리되어 산초나무 2개 그룹과 초피나무 1개 그룹으로 유집되었다. 반면 유집된 그룹과 형태학적 특성과 연관성은 없었다. 본 연구 결과를 바탕으로 ISSR 마커로 산초와 초피의 종간 구분 마커 개발이 기대되며, 유전적 유사도를 바탕으로 교배육종 소재 선발의 가능성이 평가되었다.
The morphological characteristics and genetic relationships among 32 germplasms of Zanthoxylum schinifolium and Zanthoxylum piperitum collected from two farms in Korea were investigated. The traits with the most variability were seed color, leaf size, and spine size. The intraspecific polymorphism o...
The morphological characteristics and genetic relationships among 32 germplasms of Zanthoxylum schinifolium and Zanthoxylum piperitum collected from two farms in Korea were investigated. The traits with the most variability were seed color, leaf size, and spine size. The intraspecific polymorphism of Z. schinifolium and Z. piperitum was 96.5% and 60.3%, respectively. The genetic diversity and Shannon’s information index values ranged from 0.11 to 0.33 and 0.19 to 0.50, with average values of 0.26 and 0.42, respectively. Two ISSR primers (UBC861 and UBC862) were able to distinguish the different species. The genetic similarity matrix (GSM) revealed variability among the accessions ranging from 0.116 to 0.816. The intraspecific GSM for Z. schinifolium and Z. piperitum was 0.177-0.780 and 0.250-0.816, respectively. The GSM findings indicate that Z. schinifolium and Z. piperitum accessions have high genetic diversity and possess germplasms qualifying as good genetic resources for cross breeding. The clustering analysis separated Z. schinifolium and Z. piperitum into independent groups, and all accessions could be classified into three categories. Z. Schinifolium var. nermis belonged to independent groups. Comparison of the clusters based on morphological analysis with those based on ISSR data resulted in an unclear pattern of division among the accessions. The study findings indicate that Z. schinifolium and Z. piperitum accessions have genetic diversity, and ISSR markers were useful for identifying Z. schinifolium and Z. piperitum.
The morphological characteristics and genetic relationships among 32 germplasms of Zanthoxylum schinifolium and Zanthoxylum piperitum collected from two farms in Korea were investigated. The traits with the most variability were seed color, leaf size, and spine size. The intraspecific polymorphism of Z. schinifolium and Z. piperitum was 96.5% and 60.3%, respectively. The genetic diversity and Shannon’s information index values ranged from 0.11 to 0.33 and 0.19 to 0.50, with average values of 0.26 and 0.42, respectively. Two ISSR primers (UBC861 and UBC862) were able to distinguish the different species. The genetic similarity matrix (GSM) revealed variability among the accessions ranging from 0.116 to 0.816. The intraspecific GSM for Z. schinifolium and Z. piperitum was 0.177-0.780 and 0.250-0.816, respectively. The GSM findings indicate that Z. schinifolium and Z. piperitum accessions have high genetic diversity and possess germplasms qualifying as good genetic resources for cross breeding. The clustering analysis separated Z. schinifolium and Z. piperitum into independent groups, and all accessions could be classified into three categories. Z. Schinifolium var. nermis belonged to independent groups. Comparison of the clusters based on morphological analysis with those based on ISSR data resulted in an unclear pattern of division among the accessions. The study findings indicate that Z. schinifolium and Z. piperitum accessions have genetic diversity, and ISSR markers were useful for identifying Z. schinifolium and Z. piperitum.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
국내 농가에서 재배되고 있는 산초 및 초피유전자원의 형태학적 특성과 유전적 다양성을 분석하여 분자생물학적 분류와 유전자원평가에 활용하고자 하였다. 산초 수집계통간의 유전적 다형성은 증폭된 총 88개 밴드 중 85개의 다형성 밴드가 검출되어 96.
본 연구는 국내 농가에서 재배되고 있는 산초 및 초피유전자원을 비교하여 분자생물학적 분류와 유전자원평가에 ISSR 마커 적용 가능성을 구명하고자 하였다.
제안 방법
PCR 반응은 Gene Amp 2700 (Applied Biosystem)을 사용하여 94℃에서 5분간 초기 변성시킨 후 94℃에서 30초간 pre- denaturation, 50℃에서 30초간 annealing, 72℃에서 1분간 extension과정을 45회 수행한 후 최종적으로 72℃에서 10분간 반응시킨 후 종료하였다. PCR이 완료된 후의 증폭산물 15 ㎕를 1.6% agarose gel에 loading하여 전기영동(50V, 60분간)한 후 EtBr로 염색하여 GelDocXR (Bio-rad, USA)을 사용하여 주요 밴드를 확인하였다.
산초나무 및 초피나무 유전자원의 종간에 유전적 차이 및 종내 변이정도를 비교하여 산초나무 신품종 육종의 기초자료로 활용하고자 유전적 유사도 지수를 산출하였다(Table 3). 총 32 수집계통간의 유전적 유사도 지수는 최저 0.
형태학적 특성 조사는 각 산초 및 초피나무 계통의 종피 색(적색, 청색, 진보라 진청색), 잎의 크기(소: 1 ㎝ 미만, 중: 1.1∼4 ㎝ 대: 4.1 ㎝ 이상)와 가시크기(없음, 소: 1∼2 ㎜, 중: 3∼5 ㎜, 대: 5 ㎜ 이상)를 포함한 3가지 형질을 각각 3반복으로 측정하여 비교하였다(Choi, 2012, Korea National Arboretum, 2016).
형태학적으로 분류된 5개(Z. Schinifolium, Z. Schinifolium var. subinermis, Z. Schinifoliumvar. nermis, Z. Schinifolium var. microphyllum, Zanthoxylum piperitum) 종간의 유전사 다양도(GD) 샤논의 정보지수(S.I), 전체 유전적 다양도(H), 종 내 유전적 다양도(Hs), 종간의 분화정도(Gst), 종간 유전적 유사도는 POPGENE v1.32 프로그램을 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
20개의 ISSR 프라이머(UBC primer Set No. 9, University of British Columbia, Canada)로 예비실험을 실시한 후의 밴드가 명확하고 다형성이 우수한 12개의 프라이머를 선택하여 ISSR 분석에 이용하였다(Table 2). PCR 반응액의 조성은 주형 DNA 20 ng/㎕, Taq polymerase 1 unit, 10×PCR reaction buffer (10 mM Tris-HCl pH 8.
본 연구에 사용된 재료는 장수지역과 구례지역의 산초 재배 농가에서 수집한 27 계통의 산초와 초피재배 농가에서 수집한 5계통으로 총 32수집계통을 공시하였다(Table 1). DNA는 CTAB 방법(Fang et al.
데이터처리
ISSR로 분석된 DNA 밴드 양상은 이진수를 이용하여 밴드 유·무에 따라 1과 0으로 data를 표시하여 Jaccard계수 (Jaccard coefficient)로 유전적 유사도지수를 산출하고 평균연결법 (average linkage method)으로 군집분석을 SPSS V.12 (SPSS Inc., USA)를 이용하여 실시하였다.
zGenetic similarity was calculated on the basis of Jaccard coefficients. 1~32: accessions numbers (Choi, 2012).
형태학적 특성 조사 결과를 피어슨 상관계수(pearson correlation coefficient)를 이용하여 평균연결법으로 군집분석을 실시하였다. ISSR로 분석된 DNA 밴드 양상은 이진수를 이용하여 밴드 유·무에 따라 1과 0으로 data를 표시하여 Jaccard계수 (Jaccard coefficient)로 유전적 유사도지수를 산출하고 평균연결법 (average linkage method)으로 군집분석을 SPSS V.
이론/모형
DNA는 CTAB 방법(Fang et al., 1992)에 따라 추출하여 0.8% agarose gel에서 전기영동 후 밴드를 확인하고, Nanodrop Spectrophotometer (Thermo Fisher Scientific, Netherlands)를 이용하여 농도를 측정하였고, 최종농도를 20 ng/㎕로 희석하였다.
성능/효과
20개의 ISSR 프라이머 중 다형성과 재현성이 높은 12개의 프라이머(Table 2)를 국내 재배농가에서 수집한 산초 및 초피나무 32계통을 분석한 결과, 산초나무에서 수집계통간 증폭된 각 프라이머별 총 밴드수는 최소 4개(UBC 861)에서 최대 11개(UBC 827, UBC 835) 사이로 한 프라이머 조합당 평균 밴드 수는 7.3 개였고, 다형성 밴드는 최소 3개(UBC 861)에서 최대 11개(UBC 827, 835)로 평균 7.1개의 다형성 밴드가 검출되었다(Table 2). 또한 초피나무에서 수집계통간 증폭된 각 프라이머별 총 밴드 수는 최소 2개(UBC 811)에서 최대 9개(UBC 861) 사이로 한 프라이머 조합당 평균 밴드수는 4.
816 사이로 낮게 나타나 교배육종 소재로 활용이 기대된다. 군집 분석 결과, 유전적 유사도 지수 0.302에서 산초나무와 초피나무수집 계통이 분리되어 산초나무 2개 그룹과 초피나무 1개 그룹으로 유집되었다. 반면 유집된 그룹과 형태학적 특성과 연관성은 없었다.
3). 따라서 PCR을 이용한 특이적 DNA 마커를 이용하여 산초나무와 초피나무 계통의 구별이 가능한 것으로 판단된다. ISSR 마커는 게놈 내에 풍부하게 존재하는 반복 염기(SSR)를 이용하기 때문에 다수의 위치에서 개체간 다형성을 나타내어 종간 변이를 검출하는데 유용하며(Godwin et al.
산초는 자웅이주가 혼재되어 특이한 교잡 양태를 나타낸다(Choi, 2012). 따라서 본 연구에서는 수집 장소에 따른 차이보다는 장수 및 구례지역 재배자원의 수집 기원이 다르거나 또는 양 지역 재배 농가에서 산초 유전자원이 집단 내에서 유·무성 번식된 결과로 인해 두 지역 간에 유전적으로 매우 상이함을 나타낸 것으로 생각해 볼 수 있다.
1개의 다형성 밴드가 검출되었다(Table 2). 또한 초피나무에서 수집계통간 증폭된 각 프라이머별 총 밴드 수는 최소 2개(UBC 811)에서 최대 9개(UBC 861) 사이로 한 프라이머 조합당 평균 밴드수는 4.8개였고, 다형성 밴드수는 최소 0개(UBC 835, UBC 842)에서 최대 7개(UBC 889)로 평균 2.9개의 다형성 밴드가 검출되었다. 산초나무 수집종간의 유전자 단편의 다형성 비율은 증폭된 총 88개 밴드 중 85개의 다형성 밴드가 검출되어 96.
557 로 수집종 내 유전적 유사도 평균값에 비해 높은 수준이었다. 본 결과는 운향과 3종의 Citrus속 35개 수집계통을 12개의 ISSR 프라이머로 분석한 결과인 0.790~1.00 (Ugun et al., 2010)보다 유전적 유사도의 범위가 넓었다. 또한 Ryu et al.
활용하고자 하였다. 산초 수집계통간의 유전적 다형성은 증폭된 총 88개 밴드 중 85개의 다형성 밴드가 검출되어 96.5%였으며, 초피나무 수집계통은 총 58개 밴드 중 다형성 밴드는 35개로 60.3%의 다형성을 나타내었다. 산초나무 수집 계통의 UBC 861 프라이머 500 bp 영역과 UBC 862 프라이머 300 bp 영역에서 종 특이적인 밴드가 검출되었다.
3%의 다형성을 나타내었다. 산초나무 수집 계통의 UBC 861 프라이머 500 bp 영역과 UBC 862 프라이머 300 bp 영역에서 종 특이적인 밴드가 검출되었다. 신품종 육종의 기초자료로 활용하고자 유전적 유사도 지수를 산출한 결과, 총 32계통간의 유전적 유사도 지수는 최저 0.
9개의 다형성 밴드가 검출되었다. 산초나무 수집종간의 유전자 단편의 다형성 비율은 증폭된 총 88개 밴드 중 85개의 다형성 밴드가 검출되어 96.5%였으며, 초피나무 수집종은 총 58개 밴드 중 다형성 밴드는 35개로 60.3%의 다형성을 나타내었다. 이는 운향과 귤나무속(genus citrus) 35 수집종을 12개 ISSR 프라이머로 분석하여 최저 4개에서 최고 14개 사이로 프라이머당 8.
산초나무 수집 계통의 UBC 861 프라이머 500 bp 영역과 UBC 862 프라이머 300 bp 영역에서 종 특이적인 밴드가 검출되었다. 신품종 육종의 기초자료로 활용하고자 유전적 유사도 지수를 산출한 결과, 총 32계통간의 유전적 유사도 지수는 최저 0.116에서 최고 0.816 사이로 산초나무의 종내 유전적 유사도 지수는 0.177∼ 0.780, 초피나무의 종내 유전적 유사도 지수는 0.250∼0.816 사이로 낮게 나타나 교배육종 소재로 활용이 기대된다. 군집 분석 결과, 유전적 유사도 지수 0.
유전적 다양성 분석 결과 유집된 계통간의 형태학적 특성(종피 색, 잎 크기 및 가시유무의 정도)의 차이와 연관성은 구례 접목육성 계통(No. 17)이 유집되지 않은 점은 일치하였으나 열매 색과 가시와 잎의 크기에 대한 상관관계는 나타나지 않았다. 지역 간의 상관성은 형태학적 특성과 유전적 다양성 분석 간에 있어 3계통(No.
, 2015). 유전좌위 수준에서 전체 종간 유전적 다양도(Ht)는 최소 0.08(UBC 824)에서 최대 0.38(UBC 891) 사이로 평균 0.26이었고, 종간에 분화정도를 나타내는 Gst값도 Ht값과 유사한 경향으로 UBC824에서 최소(0.13), UBC891에서 최대(0.76)을 나타내었다. 종내 변이를 나타내는 Hs값은 최소 0.
종 특이적 밴드는 산초나무 수집 계통의 UBC 861 프라이머 500 bp 영역과 UBC 862 프라이머 300 bp 영역에서 특이적인 밴드가 검출되었다(Fig. 3). 따라서 PCR을 이용한 특이적 DNA 마커를 이용하여 산초나무와 초피나무 계통의 구별이 가능한 것으로 판단된다.
유전적 유사도 지수를 산출하였다(Table 3). 총 32 수집계통간의 유전적 유사도 지수는 최저 0.116 (No.8과 31)에서 최고 0.816 (No.28과 29) 사이로 32개 수집계통의 유전적 유사도 평균값은 0.417이었다. 산초나무의 종내 유전적 유사도 지수는 최저 0.
형태학적 특성으로 군집분석을 실시한 결과(Fig. 2), 유사도 0.866에서 4개의 그룹과 유집되지 않은 6 계통으로 나뉘었다. Ⅰ 그룹에는 적색 열매, 작은 잎, 중간가시크기인 초피나무 유전자원 3개 계통과(No.
형태학적으로 분류된 5개 종간 각 프라이머별 유전적 다양도 (GD)는 최소 0.11(UBC 824)에서 최대 0.33(UBC 840) 사이로 평균 0.26을 나타내었다. 샤논의 정보지수(S.
후속연구
coreanum) 열매껍질에 대한 구별이 필요함을 제기하였다. 따라서 본 연구에서도 산초나무 유전자원의 다양한 열매색(녹색, 적색, 진보라색, 암녹색)에 대한 추가적인 검토가 필요한 것으로 판단된다.
반면 유집된 그룹과 형태학적 특성과 연관성은 없었다. 본 연구결과를 바탕으로 ISSR 마커로 산초와 초피의 종간 구분 마커 개발이 기대되며, 유전적 유사도를 바탕으로 교배육종 소재 선발의 가능성이 평가되었다.
참고문헌 (30)
Ali, A., Y.M. Choi, D.Y. Hyun, S. Lee, S. Oh, H.J. Park, Y.H. Cho and M.C. Lee. 2016. EST-SSR Based Genetic diversity and population structure among Korean landraces of foxtail millet ( Setaria italica L.). Korean J. Plant Res. 29(3):322-330.
Choi, H.S. 2012. Different growth, genetic trait and biological activity in Korean Zanthoxylum genus accession. Department of Plant Production Sciences, Ph.D. Thesis, Sunchon National Univ., Korea. pp. 6-47 (in Korean).
Fang, D.Q. and M.L. Roose. 1997. Identification of closely related citrus cultivars with inter-simple sequence markers. Theor. Appl. Genet. 95:408-417.
Fang, G., S. Hammar and R. Grumet. 1992. A quick inexpensive method of removing ploysaccharides from plant genomic DNA. Biotechniques 13(1):52-55.
Feng, S.F., T. Yang, Z. Liu, L. Chen, N. Hou, Y. Wang and A. Wei. 2015. Genetic diversity and relationships of wild and cultivated Zanthoxylum germplasms based on sequence-related amplified polymorphism (SRAP) markers. Genet Resour. Crop Evol. 62:1193-1204.
Gupta, D.D and S.S Mandi. 2013. Species specific AFLP markers for authentication of Zanthoxylum acanthopodium & Zanthoxylum oxyphyllum . J. Med. Plants 1(6):1-9.
Kim, C.W. 2004. Regional seed characteristics, propagation and genetical diversity by RAPD analysis of Zanthoxylum schinifolium . Department of Forest Resources, M.S. Thesis, Kangwon National Univ., Korea. pp. 1-34 (in Korean).
Kim, Y.D., S.K. Kang and M.R. Oh. 1993. A study on the ichthyotoxic constituents of Chopi ( Zanthoxylum piperitum DC). Korean Soc. Food Nutr. 22(5):617-620 (in Korean).
Kim, W.J., Y. Ji, Y.M. Lee, Y.M. Kang, G. Choi and B.C. Moon. 2015. Development of molecular markers for the authentication of Zanthoxyli pericarpium by the analysis of rDNA-ITS DNA barcode regions. Kor. J. Herbology 30(3):41-47 (in Korean).
Korea food and drug adminstration. 2012. The Korean Pharmacopoeia Tenth Edition. Seoul, Korea. p. 1152.
Ko, Y.S. and H.J. Han. 1996. Chemical constituents of Korean chopi ( Zanthoxylum piperitum ) and sancho ( Zanthoxylum schinifolium ). Korean J. Food Sci. Technol. 28(1):19-27 (in Korean).
Lee, T.B. 1999. Illustrated Flora of Korea. Hyangmoonsa Publishing Co., Seoul, Korea. p. 696 (in Korean).
Moller A.P., L.Z. Garamszeg and C.N. Spottiswoode. 2008. Genetic similarity, breeding distribution range and sexual selection. J. Evol. Biol. 21: 213–225
Paula, M.L., L.B. Jose, S. Gomes, J. Meirinhos, L. Santos and G.P. Henrique. 2007. RAPD and ISSR molecular markers in Olea europaea L.: Genetic variability and molecular cultivar identification. Genet Resour. Crop Evol. 54:117-128.
Ryu, J.H., G.L. Choi, J.L. Lyu, S.C. Lee, J.U. Chun, D.Y. Shin and C.-H. Bae. 2010. Genetic relationship analysis of genus Nelumbo accessions based on inter-simple sequence repeats (ISSR). Korean J. Medicinal Crop Sci. 18(2):86-92 (in Korean).
Ryu, J.H. and C.H. Bae. 2011. Genetic diversity and relationship analysis of Taraxacum officinale Weber and Taraxacum coreanum Nakai accessions based on inter-simple sequence repeats (ISSR) markers. Korean Journal of Medical Crop Science 19(3):149-156 (in Korean).
Ryu, J.H. and C.H. Bae. 2012. Genetic diversity and relationship analysis of genus Taraxacum accessions collected in Korea. Korean J. Plant Res. 25(3): 329-338.
Ryu, J.H., S.O. Mun, K.J. Kim and C.-H. Bae. 2015. Genetic Diversity Analysis of the Wild and the Cultivated Tea ( Camellia sinesis L. O. Kuntze) Plants in Southern Korea. J. Kor. Tea Society 21(2):76-84.
Russel, T.R., J.D. Fuller, M. Macaulay, B.G. Hatz, A. Jahoor, W.P. Powell and R. Waugh. 1997. Direct comparison of level of genetic variation among barley accessions detected by RFLPs, AFLPs, SSRs and RAPDs. Theor. Appl. Genet. 95:714-722.
Shannon, C.E. and W. Weaver. 1949. The mathematical theory of communication. Univ. of Illinois Press, Urbana, USA. pp. 1-54.
Sun, Y.L., W.G. Park, O.W. Kwon and S.K. Hong. 2010. Ribosomal DNA internal transcribed spacer 1 and internal transcribed spacer 2 regions as targets for molecular identification of medically important Zanthoxylum schinifolium . Afr. J. Biotechnol. 9(30):4661-4673.
Tsumura, Y., K. Ohba and S.H. Strauss. 1996. Diversity and inheritance of inter-simple sequence repeat polymorphisms in douglas-fir ( Pseudotsuga menziesii ) and sugi ( Cryptonmeria japonica ). Theor Appl. Genet. 92:40-45.
Ugun, A., O. Gulsen, T. Yesiloglu, Y. Aka-Kacar and O. Tuzcu. 2010. Distinguishing grapefruit and pummelo accessions using ISSR Markers. Czech J. Genet. Plant Breed. 46(4):170-177.
Yi, J.Y., G.A. Lee, W.C. Chung, Y.Y. Lee, J.G. Kwak and S.Y. Lee. 2015. Morphological and genetic stability of dormant apple winter buds after cryopreservation. Korean J. Plant Res. 28(6):697-703.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.