[논문]SNP 정보를 활용한 재래흑염소와 교잡종 염소의 유전적 다양성 및 유연관계 분석

이상훈; 이진욱; 이은도; 김승창; 이성수; 김관우

doi:10.5762/kais.2020.21.11.102

SNP 정보를 활용한 재래흑염소와 교잡종 염소의 유전적 다양성 및 유연관계 분석
SNP-based Genetic Diversity and Relationships Analysis of the Korean Native Black Goat and Crossbred Goat 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.102 - 108

이상훈 (농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원센터) , 이진욱 (농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원센터) , 이은도 (농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원센터) , 김승창 (농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원센터) , 이성수 (농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원센터) , 김관우 (농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원센터)

초록
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본 연구는 국내 재래흑염소 집단 (당진 계통, 장수 계통, 통영 계통 및 경상대 계통)과 교잡종 염소 집단의 유전적 다양성 및 유전적 유연관계를 조사하기 위해 수행되었다. 각 집단에 존재하는 공통 SNP 45,658개를 이용하여 분석에 이용하였다. 유전적 다양성의 지표가 될 수 있는 기대, 관측 이형접합도는 교잡종, 경상대, 장수, 통영 계통 순으로 나타났다. 집단 사이의 유전적 다양성 정도를 나타내는 분산 성분은 당진과 경상대 계통 사이에서 19.98%로 가장 높게 나타났으며, 장수와 통영 계통 사이에서 8.87%로 가장 낮게 나타났다. 또한, 집단 사이의 유전적 거리는 장수, 통영 계통에서 하나의 분지를 형성하였으며, 당진, 경상대 계통이 하나의 분지로 나타냈다. 또한, 교잡종 집단은 당진, 경상대 계통과 하나의 분지를 이루는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구 결과는 국내 계통 간의 불필요한 근친교배와 유전자원 흐름을 줄이기 위한 기초자료 및 국내 재래흑염소 유전자원의 고유성을 나타내는 기초자료로 활용이 가능할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to investigate the genetic diversity and genetic taxonomic relationships between Korean native black goat (KNBG) populations and crossbred goats. The 45,658 common single nucleotide polymorphisms present in the KNBG strain and crossbred goat were used for the analysis. The expected and observed heterozygosity (which can be indicators of genetic diversity) were in the order of crossbred, Gyeongsang National University, Jangsu, then the Tongyeong strains. The variance component represents the degree of genetic diversity between groups. The highest variance (19.98 %) was between the Dangjin and Gyeongsang National University strains. The lowest variance (8.87 %) was between the Jangsu and Tongyeong strains. In addition, the genetic distance between the populations showed that Jangsu and Tongyeong formed one branch (they were very similar genetically). The Dangjin and the Gyeongsang National University strains appeared to form a second branch. Furthermore, the crossbred formed one branch with the Dangjin and the Gyeongsang National University strains. Therefore, the results of this study can be used as basic data to reduce unnecessary inbreeding and genetic resource flow between the KNBG populations. The basic data indicates the uniqueness of the genetic resources of the domestic lineage. These findings provide a basis for differentiating KNBG and Crossbred goats to use to improve the desirable characteristics of this species.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Quality control criteria
표 Table 2. Basic statistic of SNP data set
표 Table 3. Genetic diversity parameters in Korean native black goats and crossbreed goats.
그림 Fig. 1. Phylogenic tree showing the genetic relationship among the 5 breeds goat considered using the neighbor-joining method and the unbiased Nei's DA genetic distance (CB : Crossbreed, DJ : Dangjin, JS : Jangsu, TY : Tongyeong, GNU : Gyeongsang National University).
표 Table 4. Results for genetic differentiation between Korean native black goats and crossbreed goats.
표 Table 5. Matrix of Nei's DA genetic distances between Korean native black goats and crossbreed goats.

AI 본문요약
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문제 정의

SNP 칩 분석 및 이를 통해 얻어진 유전체 정보는 집단 내 또는 집단 간 유전적 다양성, 차이, 관계 및 구조의 측정에 있어 중요성이 있는 것으로 보고되었다[8,11,12]. 따라서 본 연구의 목적은 Illumina Goat SNP50 Bead Chip을 통해 수집 된 염소의 SNP 정보를 활용하여 국내 재래흑염소 계통들과 교잡종 염소 집단 내 또는 집단 간의 유전적 다양성과 유전적 관계를 구명하기 위하여 본 연구를 수행하였다.
본 연구는 SNP 정보를 활용한 국내 재래흑염소 집단과 교잡종 염소 집단의 유전적 다양성, 유전적 분화, 유전적 거리의 추정을 통해 집단 특성을 규명하고자 진행되었다. 본 연구 결과 SNP 정보를 활용한 각 집단의 유전적 다양성 차이가 존재하는 것으로 나타났으며, 국내 집단 사이의 유전적 거리는 당진과 경상대 집단, 통영과 장수 집단 사이의 유전적 거리가 가까운 것으로 나타났다.

제안 방법

공시동물은 농촌진흥청 국립축산과학원의 동물실험계획서에 의거 동물보호법 및 국립축산과학원 동물시험 윤리위원회에서 승인된 동물실험방법 (승인번호: 2019-320)에 따라 2019년부터 2020년까지 수행되었다. 본 실험에 사용한 염소는 농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원센터에서 사육하고 있는 재래흑염소 4 계통 (당진, 장수, 통영, 경상대)과 외래 교잡종 염소에 대해 50,618개의 SNP marker로 구성된 Illumina Goat SNP50 Bead Chip (Illumina, inc., San Diego, CA)을 활용하여 479두의 유전체 정보를 수집하였으며, 유전체 분석의 정확성을 높이기 위한 Quality control은 SNP marker가 성염색체 (Sex chromosome) 상에 있거나 염색체상의 위치 (Position)가 확인되지 않은 SNP를 제거하였으며, SNP Call rate가 90% 이하, Minor Allele Frequency (MAF)가 0.01 이하, Hardy-Weinberg Equilibrium (HWE)의 검정 수행하여 p-value가 10^-6 이하인 마커 및 개체 Call rate가 90% 이하인 개체를 제거하였다(Table 1).

대상 데이터

llumina GoatSNP50 Beadchip을 활용해 수집 된 50,618개 SNP 정보는 Table 1의 Quality control 기준에 의해 진행되었으며, Quality control 이후 교잡종 염소 집단에서 49,038개, 국내 재래흑염소 4계통에서 45,784개의 SNP 중 계통에 공통으로 존재하는 45,658개의 SNP 정보를 본 분석에 이용하였다 (Table 2).
공시동물은 농촌진흥청 국립축산과학원의 동물실험계획서에 의거 동물보호법 및 국립축산과학원 동물시험 윤리위원회에서 승인된 동물실험방법 (승인번호: 2019-320)에 따라 2019년부터 2020년까지 수행되었다. 본 실험에 사용한 염소는 농촌진흥청 국립축산과학원 가축유전자원센터에서 사육하고 있는 재래흑염소 4 계통 (당진, 장수, 통영, 경상대)과 외래 교잡종 염소에 대해 50,618개의 SNP marker로 구성된 Illumina Goat SNP50 Bead Chip (Illumina, inc.

데이터처리

염소 집단 사이의 유전적 분화 분석을 위해 개체들 사이의 SNP Haplotype을 기반으로 한 유전적 거리 행렬 (genetic distance matrix)로 집단 사이 또는 집단 내 개체 사이의 유전적 분화 정도를 추정하였으며, R software의 poppr packages[14]를 분석에 이용하였다. 분석의 정확도는 순열검증 (Permutation test) 100회를 통해 유의성 검정을 하였다.

이론/모형

는 l좌위의 i번째 대립유전자 빈도, n은 l좌위에 있는 대립유전자 개수이다. 근교계수는 유전체 관계 행렬 (Genomic Relationship Matrix, GRM)을 이용하여 근교계수를 계산하였다.
염소 집단 사이의 유전적 관계를 설명하기 위해 Nei’s DA genetic distance[15]방법과 Poptree2 & MEGA-X software[16-17]를 이용하여 집단 간 유전적 거리를 추정하였다.
염소 집단 사이의 유전적 분화 분석을 위해 개체들 사이의 SNP Haplotype을 기반으로 한 유전적 거리 행렬 (genetic distance matrix)로 집단 사이 또는 집단 내 개체 사이의 유전적 분화 정도를 추정하였으며, R software의 poppr packages[14]를 분석에 이용하였다. 분석의 정확도는 순열검증 (Permutation test) 100회를 통해 유의성 검정을 하였다.
염소 집단의 유전적 다양성 분석을 위해 PLINK 1.90[13]을 활용하여 관찰된 이형접합도 (Observed heterozygosity), 기대 이형접합도 (Expected heterozygosity) 및 근교계수 (Inbreeding coefficients)를 추정하였으며, 기대 이형접합도 추정은 다음 공식을 활용하였다.

성능/효과

1에 나타냈다. Phylogenic tree 결과 재래흑염소 통영계통과 장수 계통이 하나의 분지를 이루었으며, 당진계통과 경상대 계통이 하나의 분지를 이루었으며, 교잡종 염소 집단은 재래흑염소 장수, 통영 계통과 다른 하나의 분지를 형성하였다. 이는, 교잡종 염소 집단의 구성에 있어 재래흑염소 장수, 통영 계통의 축군을 활용한 비율이 높기 때문인 것으로 사료되며, 더 정확한 분석을 위해서는 혈통 (Pedigree) 정보의 활용을 통한 교잡종 염소 집단과 국내 재래흑염소 계통들 사이의 혈연적 관계 존재 유무에 대한 추가적인 분석이 필요할 것으로 사료된다.
국내 재래흑염소 집단과 교잡종 염소 집단에 대한 Nei’s DA genetic distance 추정 결과는 Table 5에 나타냈다. 국내 재래흑염소 계통과 교잡종 염소 집단의 유전적 거리는 0.029 ~ 0.058로 추정되었으며, 재래흑염소 당진 계통과 경상대 계통이 유전적으로 가장 멀게 나타났으며, 장수 집단과 통영 집단의 유전적 거리가 가장 가까운 것으로 나타났다. 교잡종 염소 집단과의 유전적 거리는 장수, 통영 계통에서 가깝게 나타났으며, 유전적 거리에 의한 Phylogenic tree 결과는 Fig.
본 연구는 SNP 정보를 활용한 국내 재래흑염소 집단과 교잡종 염소 집단의 유전적 다양성, 유전적 분화, 유전적 거리의 추정을 통해 집단 특성을 규명하고자 진행되었다. 본 연구 결과 SNP 정보를 활용한 각 집단의 유전적 다양성 차이가 존재하는 것으로 나타났으며, 국내 집단 사이의 유전적 거리는 당진과 경상대 집단, 통영과 장수 집단 사이의 유전적 거리가 가까운 것으로 나타났다. 이는, 두 집단 사이의 일치하는 유전적 정보가 많은 것으로 추후 유전적 다양성 증대를 위한 유전자원 공유 시 불필요한 근친 교배와 유전자 흐름을 줄이는데 도움이 될 것으로 사료되며, 추후 더 정확한 유전적 다양성에 대한 분석을 위해 더 많은 두수에 대해 고밀도 패널, Sequencing 수준의 데이터 확보 및 활용을 통한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
각 염소 집단 내 유전적 다양성 분석 결과는 Table 3에 나타냈다. 유전적 다양성의 크기를 나타낼 수 있는 기대 이형접합도 및 관측 이형접합도는 각 집단에서 0.329~ 0.400, 0.307 ~ 0.419로 나타났으며, 교잡종 염소에서 가장 높게 나타났으며, 이는 교잡종 염소는 다양한 계통간 교배에 의해 축군이 구성되었기 때문인 것으로 사료된다. 향후 유전적 다양성과 근교계수의 관계에 대해서는 집단의 구성 상태와 혈통정보를 활용하여 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
값은 Table 4에 나타냈다. 재래 흑염소 당진과 경상대 계통에서 가장 높은 유전적 다양성이 19.983%로 가장 높게 나타냈으며, 장수와 통영 계통 사이의 유전적 다양성이 8.873%로 가장 낮게 나타났다. F_ST값은 장수와 통영 계통 사이에서 0.

후속연구

Phylogenic tree 결과 재래흑염소 통영계통과 장수 계통이 하나의 분지를 이루었으며, 당진계통과 경상대 계통이 하나의 분지를 이루었으며, 교잡종 염소 집단은 재래흑염소 장수, 통영 계통과 다른 하나의 분지를 형성하였다. 이는, 교잡종 염소 집단의 구성에 있어 재래흑염소 장수, 통영 계통의 축군을 활용한 비율이 높기 때문인 것으로 사료되며, 더 정확한 분석을 위해서는 혈통 (Pedigree) 정보의 활용을 통한 교잡종 염소 집단과 국내 재래흑염소 계통들 사이의 혈연적 관계 존재 유무에 대한 추가적인 분석이 필요할 것으로 사료된다.
본 연구 결과 SNP 정보를 활용한 각 집단의 유전적 다양성 차이가 존재하는 것으로 나타났으며, 국내 집단 사이의 유전적 거리는 당진과 경상대 집단, 통영과 장수 집단 사이의 유전적 거리가 가까운 것으로 나타났다. 이는, 두 집단 사이의 일치하는 유전적 정보가 많은 것으로 추후 유전적 다양성 증대를 위한 유전자원 공유 시 불필요한 근친 교배와 유전자 흐름을 줄이는데 도움이 될 것으로 사료되며, 추후 더 정확한 유전적 다양성에 대한 분석을 위해 더 많은 두수에 대해 고밀도 패널, Sequencing 수준의 데이터 확보 및 활용을 통한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
419로 나타났으며, 교잡종 염소에서 가장 높게 나타났으며, 이는 교잡종 염소는 다양한 계통간 교배에 의해 축군이 구성되었기 때문인 것으로 사료된다. 향후 유전적 다양성과 근교계수의 관계에 대해서는 집단의 구성 상태와 혈통정보를 활용하여 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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저자의 다른 논문 :

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].

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