[논문]내습성 고추 품종 육성을 위한 선발계통의 유전적 특성 구명

양은영; 채수영; 홍종필; 이혜은; 박은준; 문지혜; 박태성; 노미영; 김옥례; 김상규; 김대영; 이선이; 조명철

doi:10.5352/jls.2017.27.10.1111

내습성 고추 품종 육성을 위한 선발계통의 유전적 특성 구명
Study on the Genetic Characteristics of Waterlogging Tolerant Pepper (Capsicum annuum L.) for Breeding Tolerant Varieties against Flooding Stress 원문보기

생명과학회지 = Journal of life science, v.27 no.10 = no.210, 2017년, pp.1111 - 1120

양은영 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 채수영 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 홍종필 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 이혜은 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 박은준 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 문지혜 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 박태성 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 노미영 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 김옥례 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 김상규 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 김대영 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 이선이 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과) , 조명철 (농촌진흥청 국립원예특작과학원 채소과)

초록
AI-Helper

내습성 및 감수성 선발계통 각 1점씩을 대상으로 침수처리 후 GO 분석을 통해 추출된 유전자들을 기능별로 분류해보면 생물학적 과정(biological process)에 관여하는 유전자 발현이 가장 크게 영향을 받았으며, 분자 기능(molecular function)과 세포 요소(cellular component) 관련 유전자를 포함하여 모든 기능의 유전자 발현 변화가 감수성 계통보다 내습성 계통에서 크게 일어났다. 침수처리 후 발현 양상이 유의하게 차이나는 유전자의 보다 자세한 기능을 측정한 결과 내습성 계통에서 발현량이 증가한 유전자는 CA02g26670은 CONSTANS protein과 관련있는 유전자로 일장조건에 따른 개화조절에 관여하는 유전자이며, 발현량이 감소한 유전자는 CA01g21450, CA01g22480, CA01g34470, CA02g00370, CA02g00380이었다. 감수성 계통에서 침수처리 후 발현량이 증가한 유전자는 CA02g09720, CA02g21290, CA03g16520, CA07g02110, CA12g17910이었는데 각각 단백질 분해효소 활성 저해, DNA binding, 세포벽 분해효소 억제, nodulin 관련 유전자 등으로 밝혀진 유전자들이었다. 감수성 계통에서 발현량이 감소한 유전자는 CA02g02820, CA03g21390, CA06g17700, CA07g18230로 각각 칼슘이온결합, 고온환경 발현기작, 레시틴 생합성 경로의 수용성중간대사체인 phosphocholine 합성 및 저온스트레스 관련 등의 기능을 한다. 내습성 계통과 감수성 계통에서 동시에 발현이 증가한 유전자는 고온 등 환경스트레스로 인한 apoptosis와 관련된 유전자와 peroxidase와 관련있는 유전자로 확인되었고, 발현이 동시에 감소한 유전자는 nucleoside transporter인 CA02g16990로 확인되었으며, 나머지 선발 유전자는 유전자 발현이 확인되지 않았다. 내습성 및 감수성 계통간 습해 조건에서 발현에 차이를 보이는 유전자 구명을 기반으로 향후 불량환경에 대해 저항성을 보이는 계통 육성 및 관련 생리반응에 대한 다양한 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to select pepper lines that were tolerant to excessive water injury among the pepper germplasm and investigate the genetic characteristics of those lines to contribute to the breeding of pepper cultivars with stable productivity in abnormal weather. Each of the tolerant and susceptible lines went through immersion treatment, and differentially expressed genes between them were analyzed. The tolerant line showed increased expression of the CA02g26670 gene, which is involved in the CONSTANS protein pathway and regulation of flowering by day length, but it exhibited decreased expressions of CA01g21450, CA01g22480, CA01g34470, CA02g00370 and CA02g00380. The susceptible line showed increased gene expressions of CA02g09720, CA02g21290, CA03g16520, CA07g 02110, and CA12g17910, which are involved in the inhibition of proteolytic enzyme activity, DNA binding, inhibition of cell wall-degrading enzyme, and inhibition of nodulin, respectively. Meanwhile the expressions of CA02g02820, CA03g21390, CA06g17700 and CA07g18230 decreased in the susceptible line, in relation to calcium-ion binding, high temperature, synthesis of phosphocholine and cold stress, respectively. The expressions of genes related to apoptosis and peroxidase increased, while that of CA02g16990, which functions as a nucleoside transporter, decreased in both the tolerant and susceptible lines. Based on the different gene expressions between the tolerant and susceptible lines, further studies are needed on breeding abiotic stress-tolerant lines.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 고추 내습성과 감수성 계통의 유전적 특성을 구명하여 습해 등 이상기상 조건에서도 안정적인 생산이 가능한 고추 품종육성에 기여하고자 하였다.

제안 방법

RNA-seq에 의한 분석을 통해 유전자 발현값을 얻어 차별 발현 유전자를 분석하고, 유의한 유전자에 대하여 기능분류 및 gene annotation을 수행하였다. GO 분석을 통해 추출된 유전자들을 DAVID tool을 이용하여 생물학적 과정(biological process), 생화학 수준에서 유전자 생산물에 대하여 다루는 분자 기능(molecular function), 마지막으로 유전자 생산물의 위치에 대하여 다루는 세포 요소(cellular component) 등 세 가지로 분류하였다.

대상 데이터

고추 유묘기 내습성 검정 및 논 토양에서의 습해 검정 결과 내습성 계통으로 선발한 DIR1과 감수성 계통으로 선발한 DIS1 두 계통을 실험재료로 하여 두 실험재료에 같은 조건으로 침수 스트레스를 주었을 때 발현되는 유전자의 차이를 조사하였다. 공시재료를 30℃ 항온 발아실에서 2일간 발아를 촉진시켜 육묘상에서 관리한 후, 주간(16시간) 온도 28±0.
전사체 염기서열 분석을 위하여 생산된 각 reads를 고추 종의 표준유전체 서열에 TopHat 프로그 램을 사용하여 맵핑하였고, split-read alignments의 판정은 Cufflinks 프로그램의 고정값을 사용하여 진행하였다[25,26]. 고추 표준유전체의 정보는 The Pepper Genome Platform (PGP) ftp site (http://passport.pepper.snu.ac.kr/?t= PGENOME) 에서 다운로드로 제공받아 사용하였다.

데이터처리

발현이 확인된 유전자들을 이용하여 고추 유묘기 침수처리 시 내습성 계통과 감수성 계통의 발현 패턴을 비교하기 위해 RT-PCR을 수행하였다. 침수 시간대별 채취한 고추 유묘의 잎에서 total RNA를 추출하여 cDNA 합성 후 RT-PCR을 수행하였으며, 동일한 양의 cDNA를 사용했음을 확인하기 위해 CaActin 유전자를 loading control로 사용하였다[18].

이론/모형

TruSeq mRNA library kit (Illumina, USA)를 이용하여 전사체 염기서열 분석에 이용될 cDNA 라이브러리를 제작하였으며, 이에 이용된 total RNA는 시료 당 1 ug이다. 본 라이브러리의 품질 검증은 qPCR 방식과 Agilent Technologies 2100 Bioanalyzer 방식을 이용하여 진행하였다. 이 라이 브러리를 Illumina HiSeq4000 장비에 투입 후, 각 라이브러리 절편 당 100개씩 양말단 염기서열 분석을 MACROGEN Inc (Korea)에서 진행하였다.

성능/효과

내습성 계통과 감수성 계통에서 동시에 발현이 증가한 유전자는 CA02g27860, CA04g02730, CA06g12040로 확인되었다. CA02g27860는 고온 등 환경스트레스로 인한 Apoptosis와 관련된 유전자로[4] 침수기간이 길어질수록 발현량이 증가하였으며, CA04g02730은 Peroxidase와 연관이 있어 침수처리 10일까지는 발현이 증가하다가 15일째에는 감소하였다(Table 5, Fig.
침수처리 후 GO 분석을 통해 추출된 유전자들을 기능별로 분류해보면 생물학적 과정(biological process)에 관여하는 유전자 발현이 가장 크게 영향을 받았으며, 분자 기능(molecular function)과 세포 요소(cellular component) 관련 유전자를 포함하여 모든 기능의 유전자 발현 변화가 감수성 계통보다 내습성 계통에서 크게 일어났다. 생물학적 과정에 관여하는 유전자 중 두 계통 모두 외부자극(response to stimulus)에 반응 하는 유전자 발현 변화가 가장 많았음을 알 수 있었으며, 발현 수준의 차이는 있었으나 변화된 유전자의 양상이 비슷한 경향을 보였다.
침수처리 후 발현 양상이 유의하게 차이나는 유전자의 보다 자세한 기능을 분석한 결과 내습성 계통에서 발현량이 증가한 유전자는 일장조건에 따른 개화조절에 관여하는 유전자이며 감수성 계통에서 침수처리 후 발현량이 증가한 유전자는 단백질 분해효소 활성 저해, DNA binding, 세포벽 분해효소 억제, nodulin 관련 유전자 등으로 밝혀진 유전자들이었다. 감수성 계통에서 발현량이 감소한 유전자는 각각 칼슘이온결합, 고온 환경 발현기작, 레시틴 생합성 경로의 수용성중간대사체인 phosphocholine 합성 및 저온스트레스 관련 등의 기능을 하는 것으로 보고된 바 있다.

후속연구

9). 내습성 및 감수성 계통간 습해 조건에서 발현에 차이를 보이는 유전자 구명을 기반으로 향후 불량환경에 대해 저항성을 보이는 계통 육성 및 관련 생리반응에 대한 다양한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FAO 통계에 따른 2014년 기준 고추가 많이 재배되는 국가	고추는 매운 맛의 대표적인 채소이며 산업 소재로, 전 세계 채소 중에서 생산량이 7번째로 많아[9] 세계인의 식단을 책임지는 중요한 식재료로 사용되고 있다. FAO 통계에 따르면 2014년 기준 고추가 많이 재배되는 국가는 중국, 인도, 미얀마, 방글라데시, 태국, 베트남, 한국, 미국, 페루 등으로 주요 생산 국의 대부분이 열대, 아열대 지역인 동남아시아에 집중되어 있다. 이 지역은 우기와 건기의 구분이 뚜렷하며, 연간 강수량이 우기에 집중되어 토양침수로 인한 습해 피해 발생이 매우 잦다[6, 30].
	고추 생산량 감소의 큰 원인으로 지목되는 것은?	최근 전 세계적으로 문제가 되고 있는 폭우, 폭염, 일조부족 등 이상기상 현상은 우리나라 채소생산량에도 큰 영향을 미치며, 특히 기습적인 폭우로 인한 토양 과습 혹은 침수는 고추 생산량 감소의 큰 원인이 된다[20]. 이제까지의 고추 저항성 품종 개발은 과습한 환경에서 많이 발생하는 역병[5, 12, 13], 풋마름병[2, 3], 탄저병[19, 32], 흰가루병[15] 저항성 등 내병성 개량에 집중되었으며 침수, 고온, 저온 등 고추가 재배 중 겪을수 있는 다양한 불량환경에 대한 내성품종 개발은 아직 초기 단계이다.
	고추가 많이 재배되는 국가 대부분은 열대, 아열대 지역인 동남아시아에 집중되어 있는데, 이 지역의 기후 특징은?	FAO 통계에 따르면 2014년 기준 고추가 많이 재배되는 국가는 중국, 인도, 미얀마, 방글라데시, 태국, 베트남, 한국, 미국, 페루 등으로 주요 생산 국의 대부분이 열대, 아열대 지역인 동남아시아에 집중되어 있다. 이 지역은 우기와 건기의 구분이 뚜렷하며, 연간 강수량이 우기에 집중되어 토양침수로 인한 습해 피해 발생이 매우 잦다[6, 30].

참고문헌 (33)

Brugiere, N., Jiao, S., Hantke, S., Zinselmeier, C., Roessler, J. A., Niu, X. and Habben, J. E. 2003. Cytokinin oxidase gene expression in maize is localized to the vasculature, and is induced by cytokinins, abscisic acid, and abiotic stress. Plant Physiol. 132, 1228-1240.

상세보기
Chae, S. Y., Yang, E. Y., Lee, W. M., Cho, M. C., Choi, H. S., Kim, K. T. and Jeong, H. B. 2009. Evaluation of characteristics for high red pigments contented pepper variety breeding. Kor. J. Hort. Sci. Technol. 27, 76-76.
Chae, S. Y., Yang, E. Y., Won, J. H., Choi, H. S., Lee, W. M., Kim, S., Park, D. G. and Yoon, M. K. 2013. Germplasm evaluation and selection for breeding of resistant rootstock varieties to bacterial wilt in pepper (Capsicum annuum L.). Kor. J. Hort. Sci. Technol. 31, 92-92.
Chen, C., Edelstein, L. C. and Gelinas, C. 2000. The Rel/NF- ${\kappa}B$ family directly activates expression of the apoptosis inhibitor Bcl-xL. Mol. Cell. Biol. 20, 2687-2695.

상세보기
Choi, S. M. and Lee, J. M. 2005. Evaluation of hot pepper genotypes for selection of phytophthora disease resistant rootstocks. Kor. J. Hort. Sci. Technol. 23, 149-149.

상세보기
Colmer, T. D., Gibberd, M. R., Wiengweera, A. and Tinh, T. K. 1998. The barrier to radial oxygen loss from roots of rice (Oryza sativa L.) is induced by growth in stagnant solution. J. Exp. Bot. 49, 1431-1436.

상세보기
Cornelious, B., Chen, P., Chen, Y., de Leon, N., Shannon, J. G. and Wang, D. 2005. Identification of QTLs underlying water-logging tolerance in soybean. Mol. Breed. 16, 103-112.

상세보기
Denance, N., Szurek, B. and Noel, L.D. 2014. Emerging functions of nodulin-like proteins in non-nodulating plant species. Plant Cell Physiol. 55, 469-474.

상세보기
Food and Agriculture Organization-World Health Organization. (FAO/WHO) 2016. Food and agriculture data. http://www.fao.org/faostat/en/#data.
Githiri, S. M., Watanabe, S., Harada, K. and Takahashi, R. 2006. QTL analysis of flooding tolerance in soybean at an early vegetative growth stage. Plant Breed. 125, 613-618.

상세보기
Huang, D. W., Sherman, B. T. and Lempicki, R. A. 2009. Systematic and integrative analysis of large gene lists using DAVID Bioinformatics Resources. Nat. Protoc. 4, 44-57.

상세보기
Kim, B. S., Kwon, T. R., Hwang, J. E., Lee, J. M., Park, D. G., Ahn, J. H. and Kim, H. Y. 2010. Resistance to phytophthora blight of commercial pepper cultivars in Korea. Res. Plant Dis. 16, 141-147.

원문보기 상세보기
Kim, D. H., Cho, M. C., Chae, Y., Cho, Y. S. and Shin, Y. A. 2005. The Selection of Phytophthora capsici Resistant Lines for Pepper (Capsicum spp.) Breeding. Kor. J. Hort. Sci. Technol. 23, 42-42.
Lee, J. H., Trenholm, L. E., Unruh, J. B. and Hur, J. H. 2006. Sensor-based technology for assessing drought stress in two warm-season turfgrasses. Kor. J. Turfgrass Sci. 20, 213-221.
Lee, O. H., Hwang, H. S., Kim, J. Y., Han, J. H., Yoo, Y. S. and Kim, B. S. 2001. A search for sources of resistance to powdery mildew (Leveillula taurica (Lev.) Arn) in pepper (Capsicum spp.). Kor. J. Hort. Sci. Technol. 19, 7-11.
Lewit-Bentley, A. and Rety, S. 2000. EF-hand calcium-binding proteins. Curr. Opin. Struct. Boiol. 10, 637-643.

상세보기
Lo, S. F., Yang, S. Y., Chen, K. T., Hsing, Y. I., Zeevaart, J. A., Chen, L. J. and Yu, S. M. 2008. A novel class of gibberellin 2-oxidases control semidwarfism, tillering, and root development in rice. Plant Cell 20, 2603-2618.

상세보기
Oh, S. K., Yoon, J. S., Choi, G. J., Jang, H. A., Kwon, S. Y. and Choi, D. I. 2013. Capsicum annuum homeobox 1 (CaHB1) is a nuclear factor that has roles in plant development, salt tolerance, and pathogen defense. Biochem. Biophys. Res. Commun. 442, 116-121.

상세보기
Pae, D. H., Chae, Y., Wang, T. C., Engle, L. M. and Shanmugasundaram, S. 2006. Selection of new breeding materials with resistance to anthracnose in Capsicum annuum. 27th International Horticultural Congress & Exhibition. 419-419.
Pathan, M. S. and Sleper, D. A. 2008. Advances in soybean breeding. In Genetics and genomics of soybean. Springer. New York. 113-133.
Rhee, D. A and Park, S. K. 1975. The effect of soil moisture level on flowers and fruits drop of red pepper. J. Kor. Soc. Hort. Sci. 16, 99-105.
Rossi, J. M. and Lindquist, S. 1989. The intracellular location of yeast heat-shock protein 26 varies with metabolism. J. Cell Biol. 108, 425-439.

상세보기
Rushton, P. J., Somssich, I. E., Ringler, P. and Shen, Q. J. 2010. WRKY transcription factors. Trends Plant Sci. 15, 247-258.

상세보기
Smith, D. D., Summers, P. S. and Weretilnyk, E. A. 2000. Phosphocholine synthesis in spinach: Characterization of phosphoethanolamine N-methyltransferase. Physiol. Plantarum. 108, 286-294.

상세보기
Stolzy, L. H. and Sojka, R. E. 1984. Effects of flooding on plant disease. In: Flooding and plant growth. Academic Press. 221-264.
Trapnell, C., Pachter, L. and Salzberg, S. L. 2009. TopHat: discovering splice junctions with RNA-Seq. Bioinformatics 25, 1105-1111.

상세보기
Trapnell, C., Williams, B. A., Pertea, G., Mortazavi, A. M., Kwan, G., van Baren, M. J., Salzberg, S. L., Wold, B. and Pachter, L. Transcript assembly and quantification by RNASeq reveals unannotated transcripts and isoform switching during cell differentiation. Nat. Biotechnol. 28, 511-515.

상세보기
Valverde, F., Mouradov, A., Soppe, W., Ravenscroft, D., Samach, A. and Coupland, G. 2004. Photoreceptor regulation of CONSTANS protein in photoperiodic flowering. Science 303, 1003-1006.

상세보기
Van Toai, T. T., St. Martin, S. K., Chase, K., Boru, G., Schnipke, V., Schmitthenner, A. F. and Lark, K. G. 2001. Identification of a QTL associated with tolerance of soybean to soil waterlogging. Crop Sci. 41, 1247-1252.

상세보기
Wilkes, D. E., Rajagopalan, V., Chan ,C. W., Kniazeva, E., Wiedeman, A. E. and Asai, D. J. 2007. Dynein light chain family in tetrahymena thermophila. Cell Motil. Cytoskeleton 64, 82-96.

상세보기
Win, P. P., Kyi, P. P. and Waele, D. D. 2011.Effect of agroecosystem on the occurrence of the rice root-knot nematode Meloidogyne graminicola on rice in Myanmar. Australas. Plant Pathol. 40, 187-196.

상세보기
Yoon, J. B. and Park, H. G. 2005. Trispecies bridge crosses, (Capsicum annuum $\times$ C. chinense) $\times$ C. baccatum, as an alternative for introgression of anthracnose resistance from C. baccatum into C. annuum. J. Kor. Hort. Sci. 46, 5-9.
Zhou, M. X., Li, H. B. and Mendham, N. J. 2007. Combining ability of waterlogging tolerance in barley. Crop Sci. 47, 278-284.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증