초록 ▼

○ 연구 결과
1. Sink-Source 관련 조절 유전자 발현분석 및 벼 형질전환
벼에서의 sink-source 조절 기작을 규명하고 벼의 광합성 산물을 수확량 증대 쪽으로 분배하여 벼의 수확량을 높이기 위해, E.coli ugp를 벼의 genome에 도입했다.
E.coli genomic DNA를 주형으로 사용하여 PCR을 통해 ugp를 coding하는 0.9kb DNA 단편을 증폭했고, 그것을 3개의 형질전환용 운반체에 삽입시켰다. sbe promoter와 globulin promoter를 ugp와 각각 연결시켜

○ 연구 결과
1. Sink-Source 관련 조절 유전자 발현분석 및 벼 형질전환
벼에서의 sink-source 조절 기작을 규명하고 벼의 광합성 산물을 수확량 증대 쪽으로 분배하여 벼의 수확량을 높이기 위해, E.coli ugp를 벼의 genome에 도입했다.
E.coli genomic DNA를 주형으로 사용하여 PCR을 통해 ugp를 coding하는 0.9kb DNA 단편을 증폭했고, 그것을 3개의 형질전환용 운반체에 삽입시켰다. sbe promoter와 globulin promoter를 ugp와 각각 연결시켜서 sink에서 특이적으로 발현되도록 유도했으며 (Glb::ugp, Sbe::ugp), rbcS promoter와 ugp를 연결시켜서 source에서 특이적으로 발현되도록 유도 (Rbc::ugp) 했다. 각 운반체를 Agrobactium을 이용하여 벼에 형질 전환시켜서 Glb::ugp, Sbe::ugp, 그리고 Rbc::ugpe 각각 21 개체, 6개체, 그리고 6개체를 얻었다. Genomic Southern blot 분석을 통해 형질전환 벼 식물체 내에 ugp 유전자의 도입 확인하였고, 도입된 유전자 수 (copy number)는 line에 따라 1에서 3까지 다양하게 도입되었음을 확인했다.
Source 기관으로의 발현을 위한 Rbc::ugp 형질전환에서의 Northern blot 분석 결과
잎조직에서의 높은 발현이 확인되었으며 sink 기관에서의 발현을 위한 Sbe::ugp, Glb::ugp 형질전환체에서는 Sbe::ugp 에서는 낮은 수준의 발현이 확인되었으며 Glb::ugp에서는 발현 되지 않음을 확인하였다.
2. DNA 칩을 이용한 생산성(grain yield) 관련 변이유전자 규명 및 분리
E.coli ugpase를 과량 발현시킨 형질전환체 (rbc::ugp)에서의 유전자 발현 변화를 비교하기 위하여 60K 벼 유전체 microarray (GGBio, Korea)를 이용하여 분석한 결과 비형질전환체에 비해 406 종의 유전자의 발현이 증가하였으며, 1184 종의 유전자가 감소하였다. 한편, 수량 증대성 관련 유전자 발현 차이를 microarray를 이용하여 비교한 결과 다산벼에서 2082 종의 유전자가 일품벼보다 높은 발현을 하고 있음을 확인하였으며 반면에 1184 종의 유전자가 일품에 비해 발현이 낮음을 확인하였다.
하지만, 이 두 시험에서 sink-source 관련 유전자의 변화를 확인하였으나 23종의 유전자 중에 1-2 종의 유전자만이 발현이 감소하였을 뿐 큰 차이를 보이지 않았다.
3. 수량 생산성 특성 검정 및 재료육성
1) 시험재료의 출수기는 8월 3일∼8월 27일, 8월 12일∼8월 26일, 8월 10일∼8월 14일, 간장은 65∼87cm, 76∼95cm, 75∼79cm, 수장은 18∼24cm, 18∼22cm, 22∼25cm의 분포를 일품벼, 수원391, 수원392호 돌연변이 계통에서 각각 나타났으며, 수장의 변이 폭이 출수기, 간장보다 적었다.
2) 현미입형을 조사하기 위하여 길이, 너비 두께, 장폭비를 실측한 결과, 각 처리계통 모두 길이의 변이 폭이 너비, 두께, 장폭비보다 크게 나타났다.
3) 수량구성요소에서 수수, 수당립수, 천립중 변이 폭은 수원391호 돌연변이 계통이 일품벼, 수원392호 돌연변이 계통보다 큰 편이었으나, 등숙율 변이 폭은 일품벼 돌연변이 계통에서 가장 컸으며 평균 등숙률은 수원392호 돌연변이 계통이 가장 낮았다.
4) 정조수량의 분포는 일품벼 돌연변이 계통에서 236∼848kg/10a 범위에 평균
621kg/10a, 수원391호 돌연변이 계통에서 312∼844kg/10a 범위에 평균 607kg/10a, 수원392호 돌연변이 계통에서 668∼984kg/10a 범위에 평균 765kg/10a의 분포를 보였으며 수원392호 돌연변이 계통들의 정조수량의 변이폭이 가장 작았다.
5) 돌연변이 계통들의 배유형태는 메(non-waxy), 중간찰(dull), 뽀얀메(opaque), 분상질(floury), 당질(sugary) 및 거대배(giant embryo) 등으로 다양하게 나타났으며, 일품벼, 수원391호 돌연변이 계통들은 아밀오스 함량이 저아밀로스에서 고아밀로스까지 다양한 분포를 보였으나, 수원391호 돌연변이 계통은 모두 중간찰성이었고, 단백질 함량은 수원391호 돌연변이 계통이 일품벼, 수원392호 돌연 변이 계통보다 변이 폭이 컸다.
6) 비스코그램 특성은 호화개시온도, 최고점도, 최저점도, 최종점도, 강하점도, 치반 점도를 조사하였으며, 배유의 형태가 모두 중간찰인 수원392호 돌연변이 계통 보다 일품벼, 수원392호 돌연변이 계통의 비스코그램 특성의 변이 폭이 더 크게 나타났다.

Abstract ▼

Expression of sink-source related gene in transgenic rice plants
Starch is synthesized through a series of reactions in the source (leaf) and sink (seed) metabolism. UDP-glucose pyrophosphorylase (UGPase) catalyzes synthesis of UDP-glucose from UTP and glucose-1-P, also its reverse reaction. In o

Expression of sink-source related gene in transgenic rice plants
Starch is synthesized through a series of reactions in the source (leaf) and sink (seed) metabolism. UDP-glucose pyrophosphorylase (UGPase) catalyzes synthesis of UDP-glucose from UTP and glucose-1-P, also its reverse reaction. In order to investigate the source-sink metabolism and to understand in the effects of transgenes, we introduced an E.coli gene encoding UDP-glucose pyrophosphorylase gene (ugp) into rice. We amplified a 0.9 kb DNA fragment containing the ugp by PCR using E.coli DNA as a template, and inserted it into a transformation vectors, generating RbcS::ugp for a source expression, Glb::ugp and Sbe::ugp for a endosperm-specific expression as sink organ. A total of 34 transformants (22 lines for Glb::ugp, 6 lines for Sbe::ugp, and 6 lines for RbcS::ugp) were produced by the Agrobateium-mediated transformation method. We have determined transgene copy numbers of the plants by genomic Southern-blot experiments, revealing copy numbers ranged from one to three depending on lines. UGPase expression of trnasgenic rice was detected by Northern blot analysis in leaf tissue of Sbe::ugp and Rbc::ugp-trnasformed plants.
Transcriptome profiling in E.Coli UGPase Overexpression Rice and high grain yield rice.
Gene expression profiling on a genomic scale using high-density arrays of DNA has emerged as a leading technology in the analysis of various biological phenomena. With DNA microarray analysis, differential and temporal changes in gene expression can be monitored under specified conditions by hybridizing labeled reverse transcripts to prefabricated DNA spots on chips or glass.
Therefore, to understand the effects of transgene of the expression of other gene under the control of UGPase(rbc::ugp), we adopted microarray analysis using 60K rice oligo nucleotide whole genome chip (GGBio. Korea). The results showed that transcription levels of 406 genes were increased in UGPase transformed rice than untransformed rice, but transcription levels of 1184 gene were decreased in significant level. Also, to identify genes related grain yield of rice cultivars Ilpum and Dasan with the microarray. Dasan is a high grain yield rice. the results showed the transcripts of 2082 genes were increased in Dasan rice than in Ilpum, but transcripts of 1184 genes were decreased in Dasan than in Ilpum.
The transcription of the 23 genes titely related to sink-source were analyzed in transgenic rice and high grain yield rice cultivars. The expression of 22 genes were not significantly changed in untransformed rice and tranasgenic rice with UGPase. Also, the expression of 22 genes were not significantly changed in rice cultivars Ilpum and Dasan. However, the expression was significantly decreased in Dasan.
Characterization of grain yield components and and development of several rice materials by mutation breeding
The experiments were carried out to analyze the gene releated to sink-source in several rice materials with large variation in source, sink and quality characteristics with same genetic background by mutation using N-methyl-N-nitrosourea(MNU), especially. The variation of tested rice material in panicle length, heading date and culm length in all three rice families, that is, mutant lines originated from Ilpumbyeo, Suweon 391, and Suweon 392. The mutants originated from Suweon 391 possessing tall plant height and large rice kernel revealed the higher variation in culm length, panicle number per hill, spikelet number per panicle and rice kernel size compared with those originated from Ilpumbyeo and Suweon 392. The range of rough rice yield in advanced
mutant lines originated from Ilpumbyeo, Suweon 391, and Suweon 392 were 236∼.
848, 312∼.844, and 668∼.984kg/10a, respectively. There were also several embryo
and endosperm mutants such as dull, opaque, giant embryo, floury and sugary.
Suweon 392 mutants showed the larger variation in gelatinization and viscosity of rice flour compared with Ilpumbyeo or Suweon 391 mutants.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 9
• CONTENTS ... 11
• 목차 ... 13
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 14
• 제1절 연구개발의 필요성 ... 14
• 제2절 연구개발 목표와 내용 ... 17
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 20
• 제1절 국내외 기술 개발 현황 ... 20
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 25
• 제1절 Sink-Source 관련 조절 유전자 발현분석 및 벼 형질전환 ... 25
• 1) E. coli의 UDP-glucose pyrophosphosrylase 유전자 분리 ... 25
• 2) E. coli의 UDP-glucose pyrophosphosrylase 가 도입된 형질전환용 운반체 제작 ... 25
• 3) Agrobacterium 을 이용한 벼의 형질 전환 ... 38
• 4) 형질전환 벼 식물체 내 유전자 도입 확인 및 발현 분석 ... 43
• 제2절 DNA 칩을 이용한 생산성(grain yield) 관련 변이유전자 규명 및 분리 ... 49
• 1) 60K Rice Oligonucleotide Microarray의 유용성 검증 ... 49
• 2) rice oligonucleotide 60K chip을 이용한 Rbc::ugp 형질전환 벼에서의 유전자 발현 분석 ... 52
• 3) rice oligonucleotide 60K chip을 이용한 다수확 품종(다산) 과 일반벼(일품)의 유전자 발현 비교 분석 ... 65
• 제3절 수량생산성 특성검정 및 재료 육성 ... 85
• 1) 재료 및 방법 ... 85
• 2) 결과 및 고찰 ... 86
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 105
• 제5장 참고문헌 ... 107
• 끝페이지 ... 110