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QTL Analysis for Pre-Harvest Sprouting and Low-Temperature Germinability Using Recombinant Inbred Lines Derived from a Cross between ‘Chamdongjin’ and ‘Younghojinmi’
‘참동진/영호진미’ 재조합집단을 이용한 수발아와 저온발아성 양적형질 유전자좌 분석
Korean J. Breed. Sci. 2024;56(2):79-95
Published online June 1, 2024
© 2024 Korean Society of Breeding Science.

Hyun-Su Park1*, Jeonghwan Seo1, Heyonso Ji2, Gileung Lee1, Chang-Min Lee1, Jae-Ryoung Park1, Songhee Park1, Keon-Mi Lee1, Mina Jin1, and O-Young Jeong1
박현수1*⋅서정환1⋅지현소2⋅이길응1⋅이창민1⋅박재령1⋅박송희1⋅이건미1⋅진민아1⋅정오영1

1Crop Breeding Division, National Institute of Crop Science, RDA, Wanju 55365, Republic of Korea
2Department of Agricultural Biotechnology, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Jeonju 54874, Republic of Korea
1농촌진흥청 국립식량과학원 작물육종과
2농촌진흥청 국립농업과학원 유전자공학과
Correspondence to: Hyun-Su Park
TEL. +82-63-238-5214
FAX. +82-63-238-5205
E-mail. mayoe@korea.kr
Received April 14, 2024; Revised May 7, 2024; Accepted May 13, 2024.
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
The rice cultivar ‘Chamdongjin’ exhibits a distinctively large grain size and excellent eating quality but is weak with regard to pre-harvest sprouting (PHS), requiring genetic improvement. In contrast, the premium-quality rice cultivar ‘Younghojinmi’ exhibits strong PHS tolerance. This study conducted quantitative trait loci (QTL) analysis on PHS and low-temperature germinability (LTG) using recombinant inbred lines derived from a cross between ‘Chamdongjin’ and ‘Younghojinmi’ to elucidate the genetic factors. Thus, an elite line with improved PHS tolerance was selected. QTL analysis revealed that qPHS3 and qLTG3 were associated with PHS and LTG, respectively, and the candidate gene was identified as qLTG3-1. The loss-of-function allele qltg3-1 in ‘Younghojinmi’ enhanced PHS tolerance compared to the functional allele qLTG3-1 in ‘Chamdongjin,’ but it also showed a trade-off relationship by decreasing LTG. CY_RILs carrying qltg3-1 exhibited lower PHS and LTG rates of 17.9% and 41.6%, respectively, compared to 44.1% and 55.7%, respectively, for CY_RILs with qLTG3-1. The elite line, CY_RIL79, carrying qltg3-1, was selected from CY_RIL. This line was recognized for its PHS tolerance while maintaining the key agricultural traits of ‘Chamdongjin,’ thus designated ‘Jeonju697.’ ‘Jeonju697’ is expected to be utilized as a practical alternative for addressing the issue of enhancing PHS tolerance in ‘Chamdongjin’; however, considering its weak LTG, it is desirable to improve this trait through further breeding efforts.
Keywords : low-temperature germinability, pre-harvest sprouting, qLTG3, rice, trade-off
서언

벼 수발아는 수확 전 종실이 모식물에 붙어 있는 상태에서 발아하는 것으로 발생 시 외관품위가 나빠지고 완전립률이 감소하는 등 품질이 떨어지고 천립중이 줄어들어 수량 저하로 이어지는 등 피해를 야기한다(Kim et al. 2008, Park & Kim 2009). 한번 수발아된 종자는 발아율 및 입모율이 저하되므로 종자로 사용하기 어려워진다(Baek & Chung 2014, Shon et al. 2014). 최근 우리나라의 기후변화에 따른 등숙기간 중 강우 일수의 증가와 연속 강우, 높은 온도 조건은 수발아 발생을 조장하고 있다(Kang et al. 2018). 또한 수확기에 강력한 태풍의 빈번한 발생으로 도복에 이은 심각한 수발아 피해가 우려되고 있다(Park et al. 2021). 2016년에는 수확기를 앞두고 잦은 강우와 고온, 태풍의 도래로 전라남도 등 남부지역을 중심으로 수발아가 광범위하게 발생하여 큰 피해를 초래하였다(Park et al. 2017). 벼 수발아 피해를 경감시키기 위한 방안으로 이앙기 조절, 적기 수확, 다비밀식 주의, 생장조절제 처리 등의 재배적 관리 대응과 함께 수발아 검정을 통한 내수발아 계통 선발, 내수발아성에 대한 양적형질 유전자좌(QTL; quantitative trait locus) 및 관련 유전자의 탐색, 분자표지 개발을 통한 내수발아성의 재배품종으로의 신속한 도입 등 수발아 내성 품종 개발을 통한 육종적 대응을 들 수 있다(Cheon et al. 2020, Kang et al. 2018, Park et al. 2017). 기후변화에 따라 수발아 발생 환경의 불확실성과 피해의 강도가 증가하는 시점에서 선행적으로 내수발아성 품종을 효율적으로 개발하고, 개발된 품종에 맞는 재배적 관리가 적절하게 이루어질 경우 수발아 피해에 효과적으로 대응할 수 있을 것이다.

내수발아성 벼 품종을 효율적으로 개발하기 위해서는 내수발아성 우량자원을 탐색하여 확보하고 수발아에 대한 유전적 특성을 이해하며 신속하게 선발할 수 있는 검정 체계를 구축하는 것이 필요하다. 우리나라 자포니카 벼 품종들은 협소한 유전적 배경에도 불구하고 수발아성에 있어서 다양한 표현형 변이를 나타내고 있어 이중에서 내수발아성 도입을 위한 수여친을 확보할 수 있다(Ji et al. 2021). 수발아에 강한 ‘오대’와 약한 ‘운봉40호’를 이용하여 작성된 재조합집단에 대한 수발아 QTL분석 결과, 포장조건에서 3, 11번 염색체에서 QTLs (qPHS-3FD, qPHS-11FD)이 탐색되었고, 온실조건에서 3, 4, 11번 염색체에서 QTLs (qPHS-3GH, qPHS-4GH, qPHS-11GH)이 탐색되었다(Cheon et al. 2020). 탐색된 수발아 관련 QTLs은 기존에 보고된 QTLs 및 유전자의 영역과 겹쳤는데, 3번 염색체에서 탐색된 qPHS-3FD (0-1.5 Mb)는 저온발아성 관련 유전자 qLTG3-1 (Fujino et al. 2008), qPHS-3GH (3번 염색체 28.53-29.30 Mb)는 저온발아성 관련 QTL인 qLTG-3-2와 인접되어 있었고(Fujino et al. 2004), 4번 염색체에서 탐색된 qPHS-4GH (22.89-24.03 Mb)는 휴면 관련 qSD4 (Gu et al. 2005) 및 저온발아성 관련 qLTG-4-2와 근접하였으며(Miura et al. 2001), 11번 염색체에서 탐색된 qPHS-11FD (22.89-24.03 Mb)와 qPHS-11GH (24.03-24.81 Mb)는 저온발아성 관련 qLTG-11-1qLTG-11-2 (Jiang et al. 2006), 휴면 관련 qSD-11 (Miura et al. 2002), qSD11BR (Subudhi et al. 2012), qDOR-11-4, qDOR-11-5, qDOR-11-6 (Cai & Morishima 2000)의 근처에 위치하였다. 또한 ‘오대’보다 수발아에 더 강한 ‘조운’과 ‘오대’를 이용하여 작성된 재조합집단에 대한 수발아 QTL 분석 결과, 기존의 ‘오대’에서 탐색된 4, 11번 염색체의 다른 위치에서 qPHS4 (29.75-32.75 Mb)와 qPHS11 (14.47-15.59 Mb)가 탐색 되는 등 국내 육성 자포니카 벼 품종들간에도 수발아에 대한 다양한 유전적 변이가 존재하는 것으로 보고되고 있다(Lee et al. 2022). 이들 국내 육성 벼 품종들을 직접적으로 이용하여 유전분석집단을 작성하고 QTL 분석 및 보유하고 있는 유전자에 대한 기능 이해가 이루어질 경우 집단 내 목표 형질이 개선된 유망계통을 직접 활용하는 등 그 결과를 육종사업에 바로 적용할 수 있어 효과적이다(Park et al. 2024).

벼의 저온발아성은 종자가 저온 하에서 발아될 때 나타나는 특성으로 우리나라와 같은 아열대 지역에서 노동력 절감을 위한 직파 재배가 확대되면서 그 중요성이 증가되기 시작하였다(Jeong et al. 2004). 직파 재배는 육묘 기간 없이 본답에 직접 파종하기 때문에 입모율이 가장 중요한 농업형질 중 하나이다(Kim & Yi 2023). 저온발아율은 입모율에 큰 영향을 미치는 요인으로 벼의 경우 파종기에 기온이 낮아 파종 후 출아까지의 기간이 길어지면 종자의 부패 등에 의한 입모율의 저하를 초래할 수 있으며, 출아의 불균일로 생육이 불균일해지고 결국 출수가 지연되어 쌀의 품질이 낮아질 수 있다(Jeong et al. 2004). 우수한 저온발아율은 직파 재배 품종이 갖추어야 목표 형질 특성으로 저온발아성 향상을 위한 유전⋅육종적 연구가 수행되었다. 저온발아성은 수발아와 같이 여러 유전자와 환경 요인에 복합적인 영향을 받는 양적형질로 이에 관여하는 30여개 이상의 많은 수의 QTLs 및 유전적 영역이 12개의 염색체의 전반에 걸쳐서 탐색되었다(Sugimura et al. 2024). 하지만 qLTG3-1OsSAP16 (STRESS-ASSOCIATED PROTEIN16)과 같은 소수의 유전자만이 동정되어 기능 분석이 이루어졌다(Fujino et al. 2008, Wang et al. 2018). 또한 저온발아성과 수발아와의 관계에 있어서 수발아율이 낮아지면 저온발아율도 함께 낮아져 저온발아성 측면에서는 부정적인 영향을 미치는 등 상충 관계(trade-off)를 나타내는 것으로 보고되고 있어 이에 대한 극복이 필요한 실정이다(Hori et al. 2010, Sugimura et al. 2024).

우리나라 벼 품종들의 SNP 다형성을 신속하고 효율적으로 탐색할 수 있는 새로운 기술들이 개발되어 육종사업에 실용적으로 접목됨에 따라 그동안 어려웠던 국내 육성 자포니카 벼 품종들간 유전분석이 효과적으로 가능하게 되었다(Park et al. 2024). 본 연구는 우리나라 대표품종 ‘신동진’의 병 저항성을 개선한 근동질계통 ‘참동진’이 가지고 있는 원품종으로부터 유래한 수발아에 취약한 단점을 보완하고자 최고품질 품종 중 수발아에 강한 ‘영호진미’와의 근연교배를 통해 작성된 ‘참동진/영호진미’ 재조합집단을 이용하여 수발아와 저온발아성에 대한 QTL 분석을 수행하였다. 이를 통해 수발아와 저온발아성에 대한 유전 양상을 파악하고 보유 유전자들의 작용을 이해함으로써 내수발아성이 향상된 우량계통을 선발하고자 하였다.

재료 및 방법

시험재료 및 재배방법

시험재료로 ‘참동진/영호진미’ 재조합집단을 이용하였다(Park et al. 2024). 재조합집단은 단립계통 육종법(SSD; single seed descent method)을 통해 육성되었고, 91개 재조합자식계통(RIL; recombinant inbred line)으로 구성되어 있다. 작성된 ‘참동진/영호진미’ 재조합집단을 모부본의 영문 앞글자를 따 CY_RIL로 명명하고 세대진전을 하여 2022년 F7세대, 2023년 F8세대의 재료를 시험에 이용하였다. CY_RIL과 모부본을 국립식량과학원 벼 포장에 4월 30일 파종하여 5월 30일에 재식거리 30×15 cm로 주당 1본씩 2조(52주, 26개체/조)를 2반복으로 이앙하여 예비선발시험을 수행하였다. 시비량은 완효성 비료인 단한번(성분함량 N-P2O5-K2O-Mg, 18-7-9-2%, (주)조비, Seoul, Korea)을 보비 재배 기준에 따라 기비 시기에 1회 살포하였다.

생산력검정시험은 모부본과 ‘신동진’, ‘삼광’, ‘새청무’ 등 주요품종, ‘전주677호’, ‘전주684호’, ‘전주697호’ 등 우량계통 등 총 25개 품종 및 계통을 시험재료로 하여 2023년에 수행되었다. 예비선발시험과 같은 파종기 및 이앙기에 재식거리 30×15 cm로 주당 3본씩 구당 130주를 3반복으로 보통기 재배하였다. 시비량은 N-P2O5-K2O를 9-4.5-5.7 kg/10a으로 질소는 기비:분얼비:수비를 50:20:30 비율로 분시하였고, 인산은 전량 기비로, 칼륨은 기비:수비를 70:30 비율로 분시하였다. 예비선발시험과 생산력검정시험의 기타 재배관리는 농촌진흥청 표준 재배법에 준하여 실시하였다.

수발아 및 저온발아성 조사

수발아 조사는 예비선발시험(2반복)과 생산력검정시험(3반복)에 공시된 재료의 출수기를 조사하고, 출수 후 40일에 반복당 주간의 3이삭을 채취하여 실시하였다. 스테인리스 트레이에 흡습지를 깔고 물을 충분히 부은 다음 수확된 이삭을 치상하고 흡습지를 덮고 비닐랩으로 감싸 수분이 증발하는 것을 방지하였다. 항온항습기(A1000, Conviron, Winnipeg, Canada)에서 25℃ 포화습도에서 7일간 정치하였다가 꺼내어 발아율을 조사하여 수발아율을 측정하였다(RDA 2012).

저온발아성 조사는 시험 재료의 성숙된 종자를 수확하여 14%로 자연 건조한 다음에 각 시험의 반복당 3반복으로 충실히 등숙된 정조 50립씩 선별하여 수행하였다. 종이봉투에 준비된 종자를 담고 건조기(Convection Dry Oven, SJ-170414, Anyang, Korea)에서 50℃ 2일간 정치하여 잔여 휴면을 타파하고 실온에 1일간 방치하는 전처리를 실시한 다음 여과지(Advantec No. 2, 55 mm)가 깔린 발아조사용 페트리디쉬에 종자를 균일하게 치상한 후 증류수 8 mL를 분주한 다음 13℃ 상대습도 60%의 항온항습기(A1000, Conviron, Winnipeg, Canada)에 14일간 정치하였다가 꺼내어 발아율을 조사하여 저온발아율을 측정하였다.

DNA 추출 및 유전자형 분석

DNA 추출 및 유전자형 분석은 기존에 보고된 방법을 따랐다(Park et al. 2024). Genomic DNA 추출은 BioSprint 96 (Qiagen Co., Düren, Germany)을 이용하였다. 샘플을 TissueLyserⅡ (Qiagen Co., Düren, Germany)를 이용하여 마쇄한 후 BioSprint 96 DNA Plant Kit (Qiagen Co., Düren, Germany)를 이용하여 DNA를 추출하였다. CY_RIL과 모부본에 대한 유전자형 분석은 우리나라 자포니카 벼 품종들의 SNP 를 탐지하도록 개발된 771개 KASP 마커 세트와 자포니카 벼 1,225 SNP, 인디카 벼 1,339 SNP에 대한 정보, 단간 유전자 sd1 내 1 SNP 등 총 2,565개 SNP로 구성된 Target capture sequencing SNP-genotyping platform을 이용하였다(Cheon et al. 2019, Lee et al. 2022). KASP 마커 분석은 한국농업기술진흥원 종자산업진흥센터(Gimje, Korea) 분자표지분석 서비스를 통해 이루어졌고, Target capture sequencing SNP-genotyping은 (주)인실리코젠(Yongin, Korea) incoFIT Targeted seq panel을 통해 분석되었다. 모부본 게놈에 대한 resequencing은 (주)인실리코젠(Yongin, Korea) incoFIT Genome Sequencing & Analzer package를 통해 분석되었다.

유전자형 분석을 통해 모부본에 다형성을 나타내는 SNP로 KASP 마커 세트에서는 285개, Target capture sequencing SNP-genotyping platform을 통해서는 536개를 확보하였다. 이들 SNP 중 물리적 위치가 중복되거나 시험재료의 유전자형에 대한 결측치가 10개 이상인 마커는 제외하고 총 515개 SNP에 대한 유전자형을 수발아와 저온발아성에 대한 QTL 분석에 이용하였다.

유전자지도 작성 및 QTL 분석

유전자지도 작성 및 QTL 분석은 기존에 보고된 방법을 따랐다(Park et al. 2024). 유전자 연관지도는 IciMapping Ver. 4.2 (Chinese Academy of Agricultural Sciences, China)의 Kosami 방법을 이용한 cM (centiMorgan)을 적용하여 작성하였다(Meng et al. 2015). 모부본에 다형성을 보인 515개 SNP 마커에 대해 12개 염색체의 연관군별로 Grouping하고 Anchor 순서로 Ordering하여 연관군내 마커의 최적순위를 결정하였다.

CY_RIL의 수발아와 저온발아성에 대한 QTL 분석은 ICIM (Inclusive composite interval mapping) 방법으로 수행하였다. 유의한 QTL을 탐색하기 위한 LOD의 임계값은 p≤0.05 조건으로 1,000회 반복한 permutation test에 의해 결정하였다. QTL 중 PVE (Phenotypic Variation Explained by the QTL) 값이 20% 이상인 것은 주동 QTL로 규정하였다(Ashfaq et al. 2023). 탐색된 QTL에 대한 후보 유전자는 Rice Annotation Project Database (RAP-DB, https://rapdb.dna.affrc.go.jp/, last updated: 11/January/2024)를 이용하여 검색하였다.

후보 유전자 및 관련 QTL 분자표지 분석

수발아와 저온발아성에 대한 후보 유전자로 추정된 qLTG3-1에 대해서 모부본과 CY_RIL의 대립유전자형을 분석하였다. 생산력검정시험에 공시된 재료에 대해서는 qLTG3-1에 대한 대립유전자형 분석에 추가로 수발아와 관련된 QTL 및 유전자인 qPHS1, qPHS11, GF14h에 대한 분자표지 분석을 수행하였다. DNA 추출은 상기한 방법을 따랐다. 각 유전자와 QTL에 대한 대립유전자형을 분석하기 위하여 기 보고된 분자표지인 qLTG3-1ind (qLTG3-1), Os01g0111600-16bp (qPHS1), GF14h_CAPS3 (GF14h)를 이용하였고, qPHS11에 대해서는 추가 개발된 분자표지 qPHS11_ind18 (unpublished)를 이용하였다(Cheon et al. 2020, Jang et al. 2023, Ji et al. 2021, Sugimura et al. 2024). PCR 반응 및 전기영동 등 분자표지를 이용한 대립유전자형 확인은 기 보고된 논문 및 개발 중인 방법을 이용하였다.

통계 분석

통계분석은 R (The R Foundation for Statistical Computing Platform, Version 4.3.1, released: 16/June/2023)을 이용하였다. 수발아와 저온발아성에 대한 평균 등 기술통계, t-test를 이용한 qLTG3-1의 대립유전자형에 따른 형질 값의 비교는 agricolae 패키지를 이용하여 수행하였다. 2년간의 각 형질들의 분포에 대한 히스토그램은 ggplot2, ggpubr, cowplot을 이용하여 작성하였고, 형질들의 표현형 분포 판단은 LaplacesDemon을 이용하였다. 형질들의 상관관계는 corrplot을 이용하여 상관분석을 수행하였고, 형질들의 구조적 관계와 qLTG3-1 대립유전자형에 따른 CY_RIL의 분포를 알아보기 위하여 ggfortify을 이용하여 주성분분석을 실시하였다. 예비선발시험에 공시된 91개 CY_RILs과 생산력검정시험에 공시된 25개 품종 및 계통의 qLTG3-1 대립유전자형에 따른 수발아와 저온발아성에 대한 형질 값을 비교 분석하기 위하여 ggplot2, ggrepel, ggsignif을 이용하여 산점도와 boxplot을 작성하였다.

결과 및 고찰

수발아 및 저온발아성 표현형 분석

‘참동진/영호진미’ 재조합 집단(이하 CY_RIL)의 수발아 및 저온발아성 QTL 분석을 위하여 모부본과 CY_RIL의 수발아율 및 저온발아율을 2022년, 2023년 2년간 조사하였다. 모부본의 수발아율은 ‘참동진’(2022년 46.6%, 2023년 36.9%)이 ‘영호진미’(6.0%, 6.3%)에 비해 통계적으로 유의하게 높았고, 저온발아율은 ‘참동진’(2022년 59.3%, 2023년 45.2%)이 ‘영호진미’(51.3%, 33.5%)에 비해 높았으나 통계적으로 유의미하지는 않았다(Fig. 1). CY_RIL의 평균 수발아율과 저온발아율은 2022년 27.9%, 55.0%이었으며 2023년 26.9%, 38.4%로 모부본의 형질 값 사이에 위치하였으며 저온발아율에 비해 수발아율이 표준편차와 변이계수가 커 변동이 높은 것으로 판단되었다(Table 1). CY_RIL의 수발아율과 저온발아율 모두 왜도가 양의 값으로 좌측으로 치우진 연속적인 정규분포를 나타냈으며, 저온발아율(2022년 0.18, 2023년 0.41)에 비해 수발아율(0.50, 0.83)이 좌측으로 더 치우쳐 분포하였고, 2022년 수발아율의 경우 쌍봉형 분포를 나타내는 것으로 판단되었다(Fig. 1, Table 1). 여러 유전자가 형질 발현에 영향을 주는 양적형질의 경우 대부분 정규분포를 나타내나 주동 QTL이 작용하는 경우 쌍봉형과 같은 다른 분포를 나타낼 수 있어 수발아율과 저온발아율의 분포가 주동 QTL의 영향에 의한 것인지에 대한 분석이 필요할 것으로 판단되었다(Park et al. 2024).

Table 1

Descriptive statistics of pre-harvest sprouting (PHS) and low-temperature germinability (LTG) in the population of 91 RILs derived from a cross between ‘Chamdongjin’ and ‘Younghojinmi’ across two years.

Year Trait Mean SDz CV (%) Median Minimum Maximum Range Skew Kurtosis SE Unimodalityy Bimodality
2022 PHS (%) 27.9 17.4 62.4 24.6 1.0 75.9 74.9 0.50 -0.60 1.8 FALSE TRUE
LTG (%) 55.0 12.7 23.2 54.3 25.7 85.7 60.0 0.18 -0.37 1.3 TRUE FALSE
2023 PHS (%) 26.9 17.2 64.0 24.0 3.3 71.9 68.6 0.83 -0.07 1.8 TRUE FALSE
LTG (%) 38.4 14.8 38.4 36.3 7.7 81.7 74.0 0.41 0.06 1.6 TRUE FALSE

zSD: standard deviation, CV: coefficient of variation, SE: standard error.

yUnimodality and bimodality were determined using the LaplacesDemon package in R.



Fig. 1. Phenotypic distribution of pre-harvest sprouting (A) and low-temperature germinability (B) in the population of 91 RILs derived from a cross between ‘Chamdongjin’ and ‘Younghojinmi’ across two years. The blue and yellow curves and dashed lines represent the density plots and mean values of CY_RIL for the years 2022 and 2023, respectively. The blue and yellow inverted triangles represent the mean values of parents for the years 2022 and 2023, respectively. CDJ: Chamdongjin, YHJM: Younghojinmi.

수발아와 저온발아성에 대해서 각 조사연도의 형질 값과 평균 값을 이용하여 연차간 형질들의 관련성을 분석하였다(Fig. 2). 수발아 또는 휴면은 저온을 포함하는 다양한 조건에서의 발아율과 연관성이 있기 때문에 육종사업에서 수발아에 대한 내성을 증진시키기 위해서는 이들의 관련성을 명확히 파악하는 것이 필요하다 하였다(Hori et al. 2010). 상관분석 결과, 수발아율과 저온발아율 모두 연차간 높은 정의 상관관계(수발아율 상관계수 0.71-0.92, 저온발아율 0.60-0.91)를 나타내 환경변이보다는 유전변이의 영향을 더 많이 받으며, 상호 정의 상관관계(상관계수 0.28-0.44)를 나타내 이들 형질들은 연관성이 있는 것으로 확인되었다(Fig. 2A). 일본의 자포니카 품종 중 수발아에 강한 ‘Koshihikari’와 약한 ‘Nipponbare’에서 유래한 여교배 자식 계통(backcrossed inbred lines)과 염색체 단편 치환 계통(chromosome segment substitution lines) 및 우리나라 자포니카 품종 중 수발아에 강한 ‘진상’과 약한 ‘고품’에서 유래한 RILs간 교배를 통해 작성된 분리집단을 이용한 분석에서 수발아율과 저온발아율은 높은 정의 상관관계를 나타내는 등 연관성이 있다 하였다(Hori et al. 2010, Jang et al. 2020). 또한 본 연구의 주성분 분석에서 주성분1(표현형 변이의 63.55% 설명)을 기준으로 수발아율과 저온발아율이 같은 방향성을 나타내는 등 CY_RIL 중 수발아율이 낮은 자원은 저온발아율도 낮은 것으로 판단되었다(Fig. 2B).

Fig. 2. Relationship between pre-harvest sprouting (PHS) and low-temperature germinability (LTG). Correlation analysis among traits (A) and principal component analysis (B). PC1: principal component 1, PC2: principal component 2. Among 91 RILs derived from a cross between ‘Chamdongjin’ and ‘Younghojinmi’, 33 lines (sky blue triangle) possess the qLTG3-1 allele (Chamdongjin type), while 58 lines (red circle) possess the qltg3-1 allele (Younghojinmi type).

수발아 및 저온발아성 관련 QTL 분석

CY_RIL을 대상으로 2년간 조사된 표현형 값과 연차 평균 값을 이용하여 수발아 및 저온발아성에 대한 QTL을 탐색하였다. 수발아 관련 QTL은 3번 염색체 단완의 선단에 위치한 마커 chr03_204361, chr03_517088 (마커명은 염색체 번호와 물리적위치로 구성되어 있음) 사이에서 2년 연속 및 연차 평균에서 탐색되었으며 qPHS3로 명명하였다(Fig. 3A, Table 2). 탐색된 QTL과 형질 간의 통계적 유의미한 연관성을 나타내는 LOD 값과 QTL이 전체 표현형 변이를 설명할 수 있는 PVE 값은 2022년 10.8, 40.8%였고 2023년은 17.0, 24.1%이었으며 연차 평균에서는 18.8, 27.5%을 나타냈다. qPHS3는 LOD 값이 높았고 PVE 값이 20%가 넘어 주동 QTL로 판단되었다. qPHS3의 상가적 효과는 10.77 (2022년), 12.51 (2023년), 11.92(연차 평균)로 ‘참동진’의 대립유전자형을 가진 계통은 ‘영호진미’의 대립유전자형을 가진 계통에 비해 수발아율이 21.54% (2022년), 25.02% (2023년), 23.84%(연차 평균) 높아졌다.

Table 2

QTLs associated with pre-harvest sprouting (PHS) and low-temperature germinability (LTG) identified in the recombinant inbred line population derived from a cross between ‘Chamdongin’ (P1) and ‘Younghojinmi’ (P2) during the years 2022-2023.

Traitz QTL
name
Chr.y Position
(cM)
Interval-flanking markers LODx PVEw (%) Addv Candidate
geneu

left right
PHS qPHS3_2022 3 0 chr03_204361 chr03_517088 10.8 40.8 10.77 qLTG3-1
qPHS3_2023 3 0 chr03_204361 chr03_517088 17.0 24.1 12.51 qLTG3-1
qPHS3_total 3 0 chr03_204361 chr03_517088 18.8 27.5 11.92 qLTG3-1
LTG (qLTG3_2022)t 3 0 chr03_204361 chr03_517088 2.8 13.3 4.72 qLTG3-1
qLTG3_2023 3 0 chr03_204361 chr03_517088 9.4 31.2 9.05 qLTG3-1
qLTG3_total 3 1 chr03_204361 chr03_517088 8.9 27.9 7.13 qLTG3-1

zPHS: pre-harvest sprouting, LTG: low-temperature germinability.

yChromosome number, xLogarithm of the odds score, wPhenotypic variation explained by the QTL.

vAdditive effect, add=(P1 - P2)/2, the positive value of the additive effect indicates that the allele from Chamdongjin (P1) contributes to an increase in the trait value.

uqLTG3-1: Os03g0103300 (chr03:219979..220919).

tThe QTL inside the parenthesis was detected without performing 1,000 permutations.



Fig. 3. Genetic map showing the LOD scores and locations of QTLs associated with pre-harvest sprouting (A) and low-temperature germinability (B) in the population of 91 RILs derived from a cross between ‘Chamdongjin’ and ‘Younghojinmi’. The red, green, and sky blue curves represent LOD scores for the years 2022, 2023, and total (two-year average), respectively. The red, green, and sky blue horizontal lines and symbols indicate the positions and names of QTLs for the years 2022, 2023, and total, respectively.

저온발아성 관련 QTL은 3번 염색체 단완의 선단에 위치한 마커 chr03_204361, chr03_517088사이에서 2023년과 연차 평균에서 탐색되었으며 qLTG3로 명명하였다(Fig. 3B, Table 2). 해당 QTL은 수발와 관련 QTL인 qPHS3와 동일 위치에서 존재하였으며, 1,000회의 permutation test를 실시하지 않고 QTL 분석을 수행할 경우에는 2022년에서도 동일 위치에서 탐색되었다. 탐색된 QTL의 LOD 값과 PVE 값은 2022년 2.8, 13.3%였고 2023년은 9.4, 31.2%이었으며 연차 평균에서는 8.9, 27.9%을 나타냈다. 2023년에 비해 2022년에 LOD 값과 PVE 값이 상대적으로 낮은 것은 당해년도에 환경변이가 저온발아율에 영향을 더 많이 미쳤기 때문으로 판단되며, 이는 모부본인 ‘참동진’과 ‘영호진미’의 저온발아율의 차이가 2023년(11.7%)에 비해 2022년(8.0%)이 적고 CY_RIL의 저온발아율의 표준편차가 2023년(14.8)에 비해 2022년(12.7)이 낮은 등 2022년이 2023년보다 표현형 변이가 좁았기 때문으로 판단된다. 비록 2022년에 qLTG3의 LOD 값과 PVE 값이 다소 낮았으나, 2023년과 연차 평균에서는 LOD 값이 높고 PVE 값이 20%가 넘는 것을 볼 때 qLTG3는 저온발아율에 대한 주동 QTL로 판단되었다. qLTG3의 상가적 효과는 4.72 (2022년), 9.05 (2023년), 7.13(연차 평균)으로 ‘참동진’의 대립유전자형을 가진 계통은 ‘영호진미’의 대립유전자형을 가진 계통에 비해 저온발아율이 9.44% (2022년), 18.10% (2023년), 14.26%(연차 평균) 높아졌다.

수발아와 저온발아성 관련 주동 QTL인 qPHS3qLTG3는 3번 염색체 단완의 선단(chr03_204361-chr03_517088)에서 동일하게 탐색되었다(Fig. 3). 해당 영역에 인접한 수발아와 저온발아성 관련 후보 유전자를 검색한 결과 qLTG3-1 유전자(Os03g0103300, chr03:219979..220919)를 확인하였다. qLTG3-1 (low-temperature germinability (QTL) 3-1)은 OsHyPRP05 (rice hybrid proline- or glycine-rich protein 5)을 암호화하며 저온발아성과 수발아에 관여하는 유전자이다(Fujino et al. 2008, Fujino et al. 2014, Hori et al. 2010). qLTG3-1은 벼 종자의 발아 과정 중 배아에서 강하게 발현되는데, qLTG3-1의 발현은 배아를 덮고 있는 조직의 공포현상(vacuolation)과 밀접하게 관련이 있어 조직의 약화를 유발하여 발아 시 유아를 보호하고 있는 초엽의 성장에 대한 기계적 저항력을 줄여줌으로써 저온에서의 발아율을 촉진한다(Fujino et al. 2008). 이탈리아 온대 자포니카 품종인 ‘Italica Livorno’는 기능 발현 대립유전자형 qLTG3-1을 가지고 있는 반면, 일본 온대 자포니카 품종인 ‘Hayamasari’와 ‘Koshihikari’는 Os03g0103300에서 71 bp가 결실(g.220112_220198del)됨으로써 frame-shift 돌연변이가 발생하여 기능이 상실된 대립유전자형 qltg3-1를 보유한다(Fujino et al. 2008, Hori et al. 2010). 자포니카 벼의 표준유전체 품종인 ‘Nipponbare’는 ‘Italica Livorno’와 같이 71 bp의 결실은 없으나, ‘Nipponbare’의 저온발아율은 ‘Koshihikari’에 비해 11℃ 에서는 현저히 높았으나 15℃에서는 차이가 없다고 하여 ‘Italica Livorno’에 비해 저온발아성이 낮은 것으로 판단된다 하였다(Hori et al. 2010). ‘Italica Livorno’는 qLTG3-1 내의 엑손에서 ‘Nipponbare’와 비교하여 비동의적 염기서열 치환(g.220116A>T)이 일어나 아미노산 류신이 히시티딘으로 변하게 되는 다른 대립유전자형을 보유하고 있는데 해당 염기서열 치환이 저온발아율의 기능에 작용하는 것으로 보이며 향후 qLTG3-1의 대립유전자형에 따른 수발아율 변이에 대한 관계를 구명할 필요가 있다고 하였다(Hori et al. 2010). qLTG3-1에 대한 haplotype은 엑손 내 71 bp가 결실(g.220112_220198del)된 Hap1 (Hayamasari 등), 표준유전체 서열을 가지고 있는 Hap2 (Nipponbare, Hwaseong 등), 엑손 내 비동의적 염기서열 치환(g.220116A>T)이 일어난 Hap3 (Italica Livorno 등), 표준유전체 서열에서 18 bp의 결실(g.220181_g.220198)이 일어난 Hap4, Hap4에서 엑손(위치 +183-+185) 내 염기서열 TTC가 CGG로 변경된 Hap5 (O. rufipogon 등) 등 5개가 보고되었다(Shim et al. 2020). 96개 자원으로 구성된 KRICE_CORE 세트를 이용한 저온발아율 조사에서 Hap5>Hap 4>Hap 3>Hap2>Hap1 순으로 발아율이 높은 것으로 조사되었다(Shim et al. 2020). CY_RIL의 모부본인 ‘참동진’과 ‘영호진미’의 벼 표준유전체에 대한 염기서열 분석 결과 qLTG3-1 유전자(Os03g0103300, chr03:219979..220919)에서 ‘참동진’과 ‘영호진미’ 모두 표준유전체인 ‘Nipponbare’와 다형성이 나타나지 않았으나(data not shown), qLTG3-1의 71 bp 결실을 탐지할 수 있는 분자표지인 qLTG3-1ind을 이용하여 대립유전자형을 분석한 결과 ‘참동진’은 71 bp를 보유하고 있고 ‘영호진미’는 결실되어 있어 ‘참동진’은 ‘Nipponbare’와 같은 Hap2의 qLTG3-1 대립유전자형, ‘영호진미’는 71 bp가 결실된 Hap1의 기능상실 대립유전자형 qltg3-1을 가지고 있는 것으로 확인되었다(Supplementary Fig. 1). 탐색된 수발아 및 저온발아성 관련 QTL의 물리적 위치(chr03_204361-517088), 모부본의 염기서열 분석 및 분자표지를 이용한 대립유전자형 분석 결과, 후보 유전자의 기능을 고려했을 때 수발아와 저온발아성 관련 주동 QTL인 qPHS3qLTG3은 동일하게 qLTG3-1인 것으로 판단된다.

qLTG3-1 유전자가 수발아 및 저온발아성에 미치는 영향

CY_RIL에서 탐색된 수발아와 저온발아성 관련 유전자 qLTG3-1이 수발아율과 저온발아율의 표현형 변이에 미치는 영향을 분석하였다. qLTG3-1에 대한 분자표지 분석 결과, 91개 RILs 중 ‘참동진’과 같은 qLTG3-1 대립유전자형을 보유한 계통은 33개, ‘영호진미’와 같은 qltg3-1 대립유전자형을 나타낸 계통은 58개였다(Supplementary Fig. 1). 수발아율과 저온발아율에 대한 각 조사연도의 형질 값과 평균 값을 이용한 주성분 분석에서 qLTG3-1 대립유전자형을 보유한 계통들은 수발아율과 저온발아율이 동시에 높아지는 주성분 1의 방향에서 qltg3-1 대립유전자형을 보유한 계통들과 분리되어 위치하고 있어 대립유전자형에 따라 수발아율과 저온발아율에 대한 표현형 값이 구분될 것으로 판단되었다(Fig. 2B). qLTG3-1 대립유전자형의 수발아율은 2022년 43.8%, 2023년 44.3%, 연차 평균 44.1%로 qltg3-1 (18.8%, 17.0%, 17.9%)에 비해 통계적으로 유의미하게 높았다(Table 3). 저온발아율에 있어서도 qLTG3-1 대립유전자형이 62.4% (2022년), 49.0% (2023년), 55.7%(연차 평균)를 나타내 qltg3-1 (50.7%, 32.4%, 41.6%)에 비해 통계적으로 유의미하게 높았다(Table 3). 수발아율과 저온발아율의 연차 평균 값을 이용한 상자도표 분석에서도 qLTG3-1 대립유전자형이 수발아율과 저온발아율 두 형질에서 모두 qltg3-1과 비교하여 통계적으로 유의미하게 값이 높았다(Figs. 4A, 4B). CY_RIL을 구성하는 계통들의 수발아율과 저온발아율에 의한 분포를 살펴보면 qLTG3-1 대립유전자형을 보유한 계통들이 수발아율과 저온발아율이 함께 높은 위치에 자리하였고 qltg3-1을 보유한 계통들은 수발아율과 저온발아율이 함께 낮은 위치에 분포하는 경향을 보였다(Fig. 4C). 이를 통해 ‘영호진미’가 보유하고 있는 기능상실형 대립유전자 qltg3-1은 ‘참동진’이 보유하고 있는 정상기능형 대립유전자 qLTG3-1에 비해 수발아율을 낮춰서 내수발아성을 증진시키는데 유리하지만 동시에 저온발아율이 떨어지게 되어 저온발아성 측면에서는 불리한 것으로 판단된다.

Table 3

Effects of qLTG3-1 alleles on the phenotype of pre-harvest sprouting and low-temperature germinability.

Allele typez n Pre-harvest sprouting (%) Low-temperature germinability (%)


2022 2023 total 2022 2023 total
qLTG3-1 33 43.8** 44.3** 44.1** 62.4** 49.0** 55.7**
qltg3-1 58 18.8 17.0 17.9 50.7 32.4 41.6

zChamdongin: qLTG3-1, Younghojinmi: qltg3-1.

**means significant p<0.01 by t-test.



Fig. 4. Effects of qLTG3-1 alleles on the phenotypes of pre-harvest sprouting (PHS) and low-temperature germinability (LTG) in the CY_RIL population. Box plots showing the variation in PHS (A) and LTG (B) by allele types, qLTG3-1 (Chamdongjin type) and qltg3-1 (Younghojinmi type). The black rectangles indicate the means of PHS and LTG. *** indicates significance at the 0.001 probability level by t-test. Distribution of CY_RIL according to allele types of qLTG3-1 for PHS and LTG (C). Among 91 RILs derived from a cross between ‘Chamdongjin’ and ‘Younghojinmi’, 33 lines (sky blue triangle) possess the qLTG3-1 allele (Chamdongjin type), while 58 lines (red circle) possess the qltg3-1 allele (Younghojinmi type).

‘참동진’ 내수발아성 향상을 위한 우량계통 선발

우리나라 대표품종 ‘신동진’의 내병성을 강화한 근동질계통 ‘참동진’은 ‘신동진’의 중대립 입형, 우수한 밥맛 등 장점을 유지하고 있으나 단점 또한 보유하고 있다. ‘참동진’은 ‘신동진’과 같이 강한 줄기 특성을 가지고 있으나 키가 크고 이삭이 무겁기 때문에 질소비료를 과다 시용 시 좌절도복 발생 등 쓰러짐에 취약하며, 유전적으로 수발아에 약한 특성을 가지고 있어 재배 시 이에 대한 주의가 필요하다(Park et al. 2023). ‘참동진’의 큰 키를 줄임으로써 도복에 대한 안정성을 확보하기 위하여 간장 단축에 효과가 있는 sd1-r 대립유전자를 도입한 우량계통을 선발하는 등 단점을 보완하기 위한 육종적 노력이 이루어 지고 있다(Park et al. 2024). ‘참동진’의 수발아 피해를 경감시키기 위한 방안으로 질소비료 감비를 통한 비료의 적정 균형 시비, 철저한 중간낙수와 같은 물관리 등 재배적 관리를 들 수 있으나, 선행적으로 ‘참동진’의 장점은 유지하면서 쓰러짐에 강한 내수발아성 품종을 개발하고 이를 재배하는 육종적 접근이 이루어질 경우 수발아 피해에 좀 더 적극적이고 효과적으로 대응할 수 있을 것이다.

최고품질 벼 품종 중 밥맛 절대치가 가장 높은 것으로 알려진 ‘영호진미’는 단간 내도복성에 육성 당시 수발아율이 4.8%로 낮았으며, 2009년 육성된 이후 현장에서 수발아에 대한 문제점이 보고된 바가 없는 등 수발아에 안정적인 품종이다(Yeo et al. 2012). 본 연구에서도 ‘영호진미’의 수발아율은 2022년 6.0%, 2023년 6.3%로 연차간 변이가 적으면서 낮은 수치를 나타냈다(Fig. 1A). ‘참동진’과 ‘영호진미’를 교배하여 육성된 CY_RIL를 이용한 수발아성에 대한 QTL 분석에서 내수발아성 관련 특성은 ‘영호진미’가 보유하고 있는 qPHS3에 의한 것으로, 이는 저온발아성 QTL인 qLTG3와 동일 위치에서 탐색되었으며 관련 유전자인 qltg3-1 대립유전자형에 위해 수발아율이 낮아지는 것으로 확인되었다(Figs. 3, 4). ‘참동진’의 내수발아성을 향상시키기 위해 CY_RILs 중 ‘참동진’의 출수기(Hd18 대립유전자형), 중대립 입형(gs3), 강한 줄기 특성(OsTB1TGTG)은 유지하면서 간장 관련 sd1-r 대립유전자를 도입하여 단간 내도복성을 나타내는 계통들을 1차적으로 선발하였고, 이중 내수발아성에 관련된 qltg3-1을 보유하고 있으면서 농업형질 특성이 우수한 ‘CY_RIL79’를 선발하였다. ‘CY_RIL79’의 수발아율은 2022년 15.9%, 2023년 3.7%로 ‘참동진’(46.6%, 36.9%)에 비해 낮았으며, 저온발아율은 37.7%, 29.3%로 ‘참동진’(59.3%, 45.2%)과 ‘영호진미’(51.3%, 33.5%)에 비해 낮았다. ‘CY_RIL79’에 대한 수발아 및 저온발아성에 대한 특성을 정밀하게 분석하기 위하여 ‘신동진’, 모부본인 ‘참동진’과 ‘영호진미’, 중만생종 표준 및 비교품종인 ‘남평’, ‘삼광’ 등 총 25개 중만생종 품종 및 우량계통을 대상으로 생산력검정시험을 수행하였다. 공시재료의 qLTG3-1에 대한 대립유전자형을 분석한 결과, qltg3-1을 보유하고 있는 자원은 ‘영호진미’, ‘CY_RIL79’, ‘삼광’, ‘예찬’, ‘남찬’, ‘전주685호’, ‘중모1015’, ‘전주707호’, ‘신진백’, ‘친들’, ‘전주698호’, ‘JJ625LG’, ‘미호’, ‘전주708호’, ‘전주699호’ 등 15자원이었고, qLTG3-1을 나타낸 자원은 ‘신동진’, ‘참동진’, ‘남평’, ‘새청무’, ‘강대찬’, ‘밀양360호’, ‘전주677호’, ‘전주678호’, ‘전주684호’, ‘서명’ 등 10자원이었다(Fig. 5A). ‘CY_RIL79’은 qltg3-1을 보유하고 있었으며 수발아율이 3.2%로 ‘영호진미’(5.0%)와 비슷한 수준으로 낮아 ‘참동진’(33.0%) 내수발아성 향상을 위한 우량계통으로 판단되어 ‘전주697호’로 계통명을 부여하였다. 생산력검정시험에서 qLTG3-1 대립유전자형이 수발아율과 저온발아율의 표현형 변이에 미치는 영향을 분석한 결과, qltg3-1을 보유한 자원들이 qLTG3-1을 보유한 자원들에 비해 통계적으로 유의미한 수준(유의수준 5%)에서 수발아율이 낮았으나 저온발아율에 있어서는 평균 값은 낮았으나 통계적으로 유의미하지는 않았다(Figs. 6A, 6B). 재조합 집단인 CY_RIL에서는 qltg3-1 대립유전자에 의한 수발아율과 저온발아율이 감소되는 결과가 통계적으로 모두 유의했던 반면 생산력검정시험에서는 유의성이 감소한 것은 공시된 재료의 수가 25개로 적으며 qLTG3-1 이외에 다른 유전자나 QTL의 영향을 받은 것으로 판단되어 이전에 보고된 수발아 관련 QTL 및 유전자인 qPHS1, qPHS1, GF14h에 대해서 추가 분석을 수행하였다.

Fig. 5. Genotype of qLTG3-1 (A), qPHS1 (B), qPHS11 (C), GF14h (D) associated with pre-harvest sprouting (PHS) at the replicated yield trial of 2023. PCR analysis to confirm the allele type of varieties and elite lines using the gene sepcific DNA markers. qLTG3-1, qPHS1, qPHS11, and GF14h were confirmed by PCR products amplified with primers, qLTG3-1ind, Os01g0111600-16bp, qPHS11_ind18, and GF14h_CAPS3, respectively. The genoypes of qLTG3-1 and qPHS1 were analyzed using capillary electrophoresis with the ZAG DNA analyzer system (Aglient Technologies, Santa Clara, CA, USA). M: size marker, 1: Sindongjin, 2: Chamdongjin, 3: Younghojinmi, 4: Jeonju697, 5: Nampyeong, 6: Samkwang, 7: Saecheongmu, 8: Gangdaechan, 9: Yechan, 10: Namchan, 11: Milyang360, 12: Jeonju677, 13: Jeonju678, 14: Jeonju684, 15: Jeonju685, 16: Jungmo1015, 17: Jeonju707, 18: Sinjinbaek, 19: Seomyeong, 20: Chindeul, 21: Jeonju698, 22: JJ625LG, 23: Miho, 24: Jeonju708, 25: Jeonju699.

Fig. 6. Effects of qLTG3-1 alleles on the phenotypes of pre-harvest sprouting (PHS) and low-temperature germinability (LTG) in the varieties at the yield trial. Box plots showing the variation in PHS (A) and LTG (B) by allele types, qLTG3-1 and qltg3-1. The black rectangles indicate the means of PHS and LTG. NS and * indicate non significant and significant at the 0.1 level by t-test, respectively. Distribution of the varieties according to allele types of qLTG3-1 for PHS and LTG (C). Among 25 varieties at the yield trial, 10 varieties (sky blue triangle) possess the qLTG3-1 allele, while 15 varieties (red circle) possess the qltg3-1 allele.

qPHS1은 우리나라 벼 품종 중 수발아에 약한 ‘고품’(PHS-S type)과 수발아에 강한 ‘진상’(PHS-T type)을 이용하여 작성된 재조합자식계통 중 출수기, 간장 등 다른 농업형질 특성은 유사하면서 수발아율이 차이가 나는 PHS-T와 PHS-S 계통을 선발하여 단교잡하여 육성된 분리집단을 통해 1번 염색체 단완의 선단에서 탐색된 수발아 관련 QTL(후보유전자Os01g0111600)이다(Jang et al. 2023). Os01g0111600 (OsMFT2)은 종실 발아에서 ABA 신호 유전자와 ABA 수준을 조절하는 것으로 보고되었다(Song et al. 2020). ABA는 종실의 발아 뿐만 아니라 저온발아 및 휴면과 밀접하게 관련되어 있으며, ABA 수준은 발아의 진행과 지연에 영향을 미친다(Sohn et al. 2021). 휴면을 타파한 후 실시한 ABA 반응 조사에서 Os01g0111600의 엑손4에서 16bp가 결실된 PHS-S는 정상형인 PHS-T에 비해 ABA에 대한 민감성이 낮은 특성을 나타냈으며 높은 수발아율을 나타내는 등 Os01g0111600는 ABA 신호전달에 관여하여 수발아에 영향을 미치는 것으로 분석되었다(Jang et al. 2023). 우리나라 92개 벼 품종에 대한 Os01g0111600의 haplotype 분석 결과, PHS-S와 같은 haplotype (Hap1)을 보유한 품종은 ‘고품’ 등 2개로 희소(2.2%)하며 수발아율이 95.6%로 PHS-T와 같은 Hap2 (82개 품종, 89.1%)가 나타낸 수발아율 47.4%에 비해 수발아에 약하였다(Jang et al. 2023). ‘고품’은 2004년에 개발된 최고품질 품종으로 우수한 밥맛으로 인하여 재배면적 확대가 유망 시 되었으나 보급 과정 중 심각한 수발아 피해가 발생하여 현재는 재배가 거의 되지 않는 품종이다. 수발아에 대한 많은 연구에서 ‘고품’은 수발아율이 높은 품종으로 분류되며 ABA 함량이 ‘남평’에 비해 낮음에도 불구하고 높은 수발아율을 보이는 등 ‘고품’이 보유하고 있는 수발아에 대한 유전적 특성은 재배품종 개발 시 제거되어야 할 것으로 판단된다(Kang et al. 2018, Park & Kim 2009, Shon et al. 2014). 생산력검정시험에 공시된 25개 자원들의 qPHS1에 대한 대립유전자형은 모두 ABA에 대한 민감성이 높은 PHS-T형태를 나타내 ‘고품’이 보유하고 있는 PHS-S 형태를 가지고 있지 않은 것으로 확인되었다(Fig. 5B).

qPHS11은 우리나라 조생종 벼 품종인 ‘오대’(수발아 중도저항성)와 ‘운봉40호’(수발아 약) 유래 160개 RILs을 이용한 분석에서 11번 염색체의 장완에서 탐색된 수발아 관련 QTL이다(Cheon et al. 2020). qPHS11은 포장(qPHS-11FD, 22.89-24.03 Mb)과 온실(qPHS-11GH, 24.03-24.81 Mb) 환경조건에서 탐색되었으며 ‘오대’ 대립유전자형을 보유한 계통들이 ‘운봉40호’ 대립유전자형 보유 계통들에 비해 수발아율이 낮은 특성을 나타냈다(Cheon et al. 2020). 해당 위치는 휴면(qSD-11, qSD11BR, qDOR-11)과 저온발아성(qLTG-11) 관련 QTLs과 영역이 겹치는 등 수발아, 저온발아성, 휴면은 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다(Cai & Morishima 2000, Jiang et al. 2006, Miura et al. 2002, Subudhi et al. 2012). 11번 염색체의 qPHS-11FDqPHS-11GH를 포함하는 영역인 22.0-25.0 Mb 위치에서 ‘수발아’, ‘종자 발아’, ‘종자 휴면’ 용어와 관련된 유전자 중 ‘오대’와 ‘운봉40호’의 CDSs (protein coding sequences)에서 비동의적nsSNPs (none-synonymous SNP)나 indels을 보유하는 등 다형성을 나타내는 34개의 후보유전자를 탐색하였고, 이들 중 ABA에 반응하는 잠재적인 Ca2+ 센서를 인코딩하는 Os11g0600500 (chr11:23060525..23061100), ABA 신호전달 경로에 관여하는 protein phosphatase 2C를 암호화하는 Os11g0586001 (chr11:24358138..24365262), 종자 외피에서 슈베린(suberin) 침전 중에 지방산 이동에 필요한 ABC 운반체를 인코딩하는 Os11g0587600 (chr11:22272841..22282403), 80개 자포니카 벼 자원의 수발아에 관여하는 두 개의 SNP를 포함하고 있는 Os11g0622800 (chr11:24302518..24307835)이 qPHS11에 대한 유력한 후보유전자로 제시되었다(Cheon et al. 2020). 또한 최근에는 해당영역에서 보고된 저온발아성 관련 QTL인 qLTG11의 원인 유전자가 GENERAL REGULATORY FACTOR14h (GF14h; Os11g0609600, chr11:23553171..23558900)임이 밝혀졌고, 포르투갈 품종 ‘Arroz da Terra’의 대립유전자형은 GF14h 단백질이 기능을 발휘하여 저온발아율이 높은 반면, GF14h의 코딩영역에서 4 bp가 결실된 일본 자포니카 품종 ‘Hitomebore’는 frameshift 돌연변이(premature stop codon 생성)가 발생하여 기능상실 대립유전자형을 가지며 저온발아율이 낮다 하였다(Sugimura et al. 2024). ‘Hitomebore’ 배경에 ‘Arroz da Terra’의 GF14h가 도입된 근동질계통 ‘NIL-GF14hArroz’의 경우 ‘Hitomebore’에 비해 저온발아율이 높아졌으나 수발아율도 동시에 높아지는 영향이 있다고 하였다(Sugimura et al. 2024). Ji et al (2021)은 차세대 염기서열 분석 기술을 이용하여 유전적 배경이 상대적으로 협소한 우리나라 자포니카 벼 24개 품종에 대한 많은 수의 염기서열 다형성(SNPs, InDels)을 확보하고 이를 이용하여 기 보고된 수발아 저항성 QTL qPHS11 영역에서 모부본인 ‘오대’와 ‘운봉40호’의 다형성을 판단할 수 있는 8개 InDel 마커(qPHS11_ind01-ind08)를 보고하였고, 추가로 GF14h 인근 영역에서의 모부본 다형성을 확인할 수 있는 분자표지 qPHS11_ind18 (chr11:23609824)을 개발하였다(unpublished). qPHS11_ind18을 이용하여 생산력검정시험에 공시된 25개 자원의 qPHS11에 대한 대립유전자형을 분석한 결과, ‘오대’와 같은 수발아에 강한 대립유전자형을 나타낸 자원은 ‘중모1015’이었으며 나머지 24개 자원들(신동진, 참동진, 영호진미 등)은 수발아에 약한 ‘운봉40호’의 대립유전자형을 나타냈다(Fig. 5C). ‘중모1015’의 교배조합은 ‘신동진*2/Milkyqueen’으로 ‘중모1015’가 나타낸 qPHS11의 대립유전자형은 ‘Milkyqueen’ 으로부터 유래한 것으로 판단된다. qPHS11 (22.89-24.81 Mb) 영역 내 위치하면서 저온발아성 등 발아 관련 형질에 작용하는 것으로 보고된 GF14h (Os11g0609600, chr11:23553171..23558900)에 대한 일본 품종들의 대립유전자형 분류에서 ‘Milkyqueen’ (Koshihikari MNU 돌연변이 품종)과 ‘Koshihikari’ 등은 ‘Hitomebore’와 같은 기능상실형 대립유전자 GF14hHitomebore를 나타낸다 하였다(Sugimura et al. 2024). 이에 GF14h의 기능상실에 관여하는 4 bp 결실 유무를 탐지할 수 있도록 개발된 분자표지 GF14h_CAPS3 (chr11:23555223, 제한효소 SmlI)를 이용하여 생산력검정시험에 공시된 25개 자원의 GF14h에 대한 대립유전자형을 분석한 결과, qPHS11_ind18를 통해 분석된 결과와 일치하는 것으로 나타나 qPHS11의 원인 유전자로 GF14h가 예상되나 QTL 탐색 집단 및 모부본 등에 대한 분석을 통해 추가 검증이 필요한 것으로 판단된다(Fig. 5D).

수발아에 약한 ‘참동진’의 내수발아성 향상을 위해 ‘전주697호’를 선발하였다. ‘전주697호’는 qltg3-1 대립유전자형을 보유하고 있으며 생산력검정시험에서 수발아율이 3.2%로 낮아 ‘참동진’(33.0%)의 내수발아성 향상을 위한 우량계통으로 여겨지나 저온발아율이 19.3%로 ‘참동진’(38.0%)과 ‘영호진미’(28.0%)에 비해 떨어져 저온발아성에 대한 개선이 필요할 것으로 판단된다(Fig. 6C). 본 연구와 기 보고된 연구를 종합적으로 살펴볼 때, 저온발아성 관련 유전자로 동정된 qLTG3-1의 기능상실형 대립유전자 qltg3-1은 정상기능형에 비해 수발아율이 낮아 내수발아성 향상을 위한 유용 대립유전자로 판단되나 동시에 저온발아율이 낮아지는 등 상충 관계(trade-off)를 보이는 것으로 나타났다. 또다른 저온발아성 관련 유전자인 GF14h (qLTG11)의 기능상실형 대립유전자 GF14hHitomebore의 경우에도 저온발아율은 낮아지나 내수발아성이 향상되는 효과가 나타나는 등 상충 관계를 보였다(Sugimura et al. 2024). 일본의 토종벼와 재배품종들에 대한 GF14hqLTG3-1에 대한 haplotype 분석 결과, 토종벼의 절반 이상이 저온발아율이 높은 정상기능형 대립유전자(GF14hArroz, qLTG3-1)를 보유하고 있는 반면, 교배 육종이 시작된 20세기초 이후로 내수발아성이 강한 기능상실형 대립유전자(GF14hHitomebore, qltg3-1)를 보유한 품종의 빈도가 증가하였고 2001년 이후 육성된 재배품종들은 80% 이상이 기능상실형 대립유전자를 보유하고 있다 하였다(Sugimura et al. 2024). 이러한 원인으로 육종사업에서 내수발아성에 대한 강한 선발압이 작용하였기 때문으로 판단하였으며, 노동력 절감을 위한 직파 재배 적응성 향상 등을 위해서는 이전에 활용되었던 저온발아성이 높은 정상기능형 대립유전자의 재도입이 고려되어야 한다고 하였다(Sugimura et al. 2024).

우리나라 벼 육종에서 내수발아성 향상을 위한 육종사업들이 적극적으로 추진되고 있으며 이를 위해 qltg3-1 등 내수발아성 관련 대립유전자 도입이 활발하게 이루어지고 있다. 본 연구를 통해 ‘참동진’ 유전배경에 ‘영호진미’가 보유하고 있는 qltg3-1의 도입이 내수발아성 향상에 효과적임이 입증되었고 qltg3-1을 보유하고 있는 재배품종들의 수발아율이 낮음이 확인되었으나 저온발아율 측면에서는 qltg3-1도입이 부정적인 영향도 함께 미치는 상충 관계에 있음을 감안하여 이를 해결할 수 있는 방안도 마련되어야 할 것으로 판단된다. 이를 위해 수발아와 저온발아성의 상충 관계를 극복할 수 있는 자원의 발굴, 유전분석 집단의 작성 및 QTL 탐색, 유전 양상의 파악 및 분자표지 개발을 통한 효율적인 목표 형질의 도입 등 일련의 과정이 요구된다. 생산력검정시험에 공시된 자원들 중 ‘JJ625LG’의 경우 qltg3-1을 보유하고 있고 수발아율이 8.9%로 낮으나 저온발아율이 78.7%로 공시된 재료들 중에 가장 높은 값을 나타내는 등 이상치(outlier) 형태를 나타냈다(Fig. 6). ‘JJ625LG’는 육성 당시 수발아율 17.1%(2018년 41.9%, 2019년 5.4%, 2020년 4.1%), 저온발아율 76.3% (2018년 75.0%, 2019년 72.0%, 2020년 82.0%)를 나타내 qltg3-1 보유 자원들에서 확인된 수발아와 저온발아성의 상충 관계를 다소 벗어난 것으로 판단된다. 이러한 원인으로 수발아와 저온발아성과 관련된 다른 QTL 및 유전자의 작용에 의한 것으로 추정되며 이에 대한 추가 유전 분석은 저온발아율이 높으면서 내수발아성이 향상된 품종 개발에 기여할 것으로 기대된다. 또한 ‘남평’, ‘새청무’와 같이 qltg3-1을 보유하고 있지 않지만 강한 내수발아성을 나타낸 품종들에 대한 유전 분석 및 qLTG3-1, GF14h, OsVP1, Sdr4 등 기 보고된 유전자에 대한 haplotype 분석을 통해 우리나라 벼 품종들이 보유하고 있는 수발아와 저온발아성에 대한 유전 양상 프로파일링을 구축하고 육종사업에 활용할 경우 기후변화에 대응하여 재배안정성이 확대된 우수한 고품질 벼 품종을 신속하고 효율적으로 개발하는 데 도움을 줄 것으로 판단한다.

적요

‘참동진’은 중대립의 차별화된 입형 특성에 우수한 밥맛을 보유한 벼 품종이나 수발아에 약해 이에 대한 유전적 개선이 요구되고 있다. 최고품질 품종인 ‘영호진미’는 강한 내수발아성을 나타낸다. 본 연구는 ‘참동진/영호진미’ 재조합집단(CY_RIL)을 작성하고 수발아와 저온발아성에 대한 QTL 분석을 수행함으로써 보유 유전자의 작용을 이해하고 내수발아성이 향상된 우량계통을 선발하고자 수행되었다. 수발아 및 저온발아율 관련 QTL로 qPHS3, qLTG3가 탐색되었고, 후보 유전자는 동일하게 qLTG3-1임이 확인되었다. ‘영호진미’가 보유하고 있는 기능상실형 대립유전자 qltg3-1은 ‘참동진’이 보유하고 있는 정상기능형 대립유전자 qLTG3-1에 비해 수발아율을 낮춰서 내수발아성을 증진시켰으나 동시에 저온발아율이 떨어지는 상충 관계를 나타냈다. CY_RIL 내 ‘참동진’의 출수기, 중대립 입형, 강한 줄기 특성은 유지하면서 단간 유전자를 도입한 내도복성 계통 중 qltg3-1을 보유한 우량계통 CY_RIL79를 선발하여 ‘전주697호’로 명명하였다. ‘전주697호’는 강한 내수발아성을 나타내 ‘참동진’ 내수발아성 향상이라는 현안 해결의 실용적 대안으로 활용될 것으로 기대되나 저온발아율이 낮아 이에 대한 개선이 필요할 것으로 판단된다.

보충자료

본문의 Supplementary Fig. 1은 한국육종학회지 홈페이지에서 확인할 수 있습니다.

kjbs-56-2-79-supple.pdf
사사

본 논문은 농촌진흥청 작물시험연구사업(남부지역 적응 밥쌀용 재배안정성 벼 품종개발(3단계), 과제번호: PJ016067022024)의 지원으로 수행된 결과의 일부입니다.

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June 2024, 56 (2)
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