Development of NGS-based New CAPS Markers and QTL Analysis of Stem Diameter using Milyang23/Gihobyeo Recombinant Inbred Lines (MGRIL)

Ye-Ji Lee; Eun-Ju Byeon; Seon-Hwa Bae; Hyeonso Ji; Gang-Seob Lee; Ung-Han Yoon; Tae-Ho Kim

doi:10.9787/KJBS.2016.48.3.217

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NGS 기반 밀양23호/기호벼 재조합자식 유전집단(MGRIL)을 이용한 CAPS 마커 개발 및 줄기 굵기 형질 관련 QTL 분석

Development of NGS-based New CAPS Markers and QTL Analysis of Stem Diameter using Milyang23/Gihobyeo Recombinant Inbred Lines (MGRIL)

Ye-Ji Lee¹, Eun-Ju Byeon¹, Seon-Hwa Bae¹, Hyeonso Ji², Gang-Seob Lee³, Ung-Han Yoon¹, Tae-Ho Kim^1,*

The Korean Journal of Breeding Science 2016;48(3):217-233.
Published online: August 31, 2016

DOI: https://doi.org/10.9787/KJBS.2016.48.3.217

^{1
농촌진흥청 국립농업과학원 유전체과,}

¹Genomics Division, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Jeonju, 54874, Korea

^{2
농촌진흥청 국립농업과학원 유전자공학과,}

²Genetic engineering Division, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Jeonju, 54874, Korea

^{3
농촌진흥청 국립농업과학원 생물안전성과}

³Biosafety Division, National Institute of Agricultural Sciences, RDA, Jeonju, 54874, Korea

*Corresponding author (thkim@rda.go.kr, +82-63-238-4563, +82-63-238-4554)

• Received: June 1, 2016 • Accepted: July 22, 2016

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.

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적요
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재료 및 방법
결과 및 고찰
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사 사
References

적요

The rice recombinant inbred lines derived from Milyang23 and Gihobyeo cross were used in genetic mapping and QTL analysis studies. In this study, we developed a new 101 CAPS markers based on the SNPs in the whole genome region between these varieties. As a result, the total genetic distance and average distances were 1,696.97 cM and 3.64 cM, respectively. In comparison to the distance of the previous genetic map constructed based on 365 DNA markers, the new genetic map was found to have a decreased distance. The map was applied for the detection of QTLs on all seven traits relevant to diameter of stem internode, length of culms, length of panicles and the number of panicles including the correlation analysis between each trait. The QTLs results were similar to the report in previous studies, whereas the distance between the markers was narrowed and accuracy increased with the addition of 101 CAPS markers. A total of 9 new QTLs were detected for stem internode traits. Among them, qI1D-6 had higher LOD of 5.1 and phenotype variation of 50.92%. In this experiment, a molecular map was constructed with CAPS markers using next generation sequencing showing high accuracy for markers and QTLs. In the future, developing more accurate QTL information on stem internode diameters with various agriculturally important traits will be possible for further rice breeding.

서 언

작물의 유전체에서 분자 마커(molecular marker)는 어떤 특정 한 위치나 지역을 탐색하고, 농업적으로 유용한 형질들을 탐색하 거나, 육종 시 개체를 선발하는데 가장 중요한 의미를 가진다 (McCouch et al. 2002). 지금까지 restriction fragment length polymorphism(RFLP), amplified fragment length polymorphism(AFLP), simple sequence repeat(SSR), single nucleotide polymorphism(SNP) 등이 개발되어 분자육종에 보 편적으로 사용되고 있다(Cho et al. 1998b, Nasu et al. 2002). 최근 차세대 염기서열 분석방법(next generation sequencing, NGS)을 이용하여 많은 주요 작물에 대해 빠른 속도로 유전체 정보를 해독하고 있으며, 데이터를 대량으로 생산하고 있다(Huq et al. 2016). 마커 생산이 제한되어 있던 과거에 비해 빠른 시간에 대량의 SNP 마커를 생산할 수 있게 되었고, 표현형 데이 터와 연계함으로써 실제 육종 현장에서 농업적으로 활용 가능한 정보를 만들어 준다.

분자 마커를 이용하여 유전체에서 그 마커들 간의 또는 발현유 전자와 마커들 간의 거리를 교배 집단 내 재조합 비율을 바탕으로 상대적 거리를 나타내어 분자유전지도를 작성하고, 육종 시 선발 마커를 개발하는데 적극 활용하였다(Ji et al. 2012). 벼에서는 135개 RFLP 마커를 이용하여 최초로 유전지도가 작성되었으며 (McCouch et al. 1988), 이후 자포니카 품종인 Nipponbare와 인디카 품종인 Kasalath 집단에서 2,275개의 RFLP 마커를 이용 한 고밀도 유전지도가 작성된 바 있었다(Harushima et al. 1998).

한편, 밀양23호와 기호벼의 재조합 자식계통집단에 대해 RFLP 마커(Cho et al. 1998a), AFLP 및 SSR 마커(Cho et al. 1998b), PCR 기반의 sequence tagging site(STS), insertion and deletion(InDel), SSR 마커(Ji et al. 2012) 그리고 SNP 기반 cleaved amplified polymorphism sequence(CAPS) 마커 (Lee et al. 2014)를 이용한 유전지도가 작성되었으며, 이들 중 초창기 분자 마커를 기반으로 하여 수량관련 형질, 품질 관련 특성, 유묘 내염성 등의 quantitative trait loci(QTL)이 보고된 바 있다(Kang et al. 1998, Kang et al. 1999a, Kang et al. 1999b, Kwak et al. 2004, Kwak et al. 2005).

다양한 벼의 주요 형질 중에 하나인 줄기 굵기는 벼의 수량을 결정하는 중요한 요인으로써, 생산성과 관련이 있다. 너무 가늘 거나 적정 경도를 가지지 못한 줄기는 도복에 약하고, 이로 인해 양분이동의 억제와 동화작용에 장애가 생겨 쌀의 품질이 떨어지 게 된다(Kashiwagi & Ishimaru 2004, Kashiwagi et al. 2008, Lee et al. 2014, Ookawa et al. 2010). 또한, 반왜성 단간유전자 로 알려진 sd-1(Cho et al. 1994)를 비롯한 관련 유전자와 QTL을 활용하여 벼의 우수한 품종을 육성하고 생산량을 증대시킬 수 있지만(Asano et al. 2007) 이에 대한 연구가 더 필요한 실정이다 (Lee et al. 2014).

본 연구에서는 차세대 염기서열 분석방법을 통해 밀양23호와 기호벼 사이의 특이적인 SNP을 탐색하여 CAPS 마커로 개발한 후, PCR 기반 마커들로 구성된 밀양23호와 기호벼의 재조합 자식 계통집단(Milyang23/Gihobyeo Recombinant Inbred Lines, MGRIL)의 유전지도(Ji et al. 2012, Lee et al. 2014)와 통합하여 보다 정밀한 분자유전지도를 작성하였다. 또한, 분자유전지도를 기반으로 줄기 굵기 형질에 관한 새로운 QTL을 탐색하였고, 동시 에 벼의 간장, 수장, 수수에 대한 QTL 분석도 실시하였다.

재료 및 방법

벼(Oryza sativa L.)의 유전집단 육성 및 DNA 추출

본 실험은 우리나라에서 육성한 인디카 통일형 품종인 밀양23 호를 모본으로 하고, 자포니카 품종인 기호벼를 부본으로 하여 육성한 MGRIL을 유전분석 집단으로 사용하였다. 이 유전집단 은 1998년도에 부모친이 교배되었으며, F₂를 자식하여 얻은 종자를 매년 2회씩 single seed descent(SSD)법으로 F₆세대까지 육성하였다. 그 후, F₇세대부터는 계통당 일렬 재배하여 일계통 일종자법을 통해 23세대 이상 162계통으로 형질이 고정된 집단 이다.

MGRIL 집단을 각 계통 별로 20개체씩 파종 후 약 1개월 지난 식물의 잎을 채취하였다. 잎은 액체질소에 냉각시킨 상태에 서 막자 사발을 이용하여 분말상태로 마쇄하였다. DNA 추출은 Qiagen사의 Qiagen DNeasy Plant Maxi Kit를 이용하여 제공된 매뉴얼을 따라 수행하였다.

NGS를 이용한 대량 염기서열 분석

밀양23호와 기호벼의 잎을 이용하여 추출된 DNA는 차세대 염기서열 분석에 사용하였다. 두 모본의 재염기서열(re-sequenc ing) 분석을 위해 Illumina HiSeq 2000 플랫폼을 이용하여 paire d-end sequencing을 수행하였다. 리드(read)의 길이는 101bp로 생성되었으며, 염기서열의 변이 분석을 위해서 리드는 1% 미만 의 오류율을 갖는 Phred Quality Value ≥ Q20(ASCII Characte r Code +33)을 사용하였다. 전체 염기서열이 밝혀져 있는 벼의 표준유전체(reference sequence)는 Oryza sativa L. cv. Nipponb are(MSU Rice Genome Annotation Project, Pseudomolecules Build 7.0)이며, 유전체 구조를 분석하기 위한 주석(annotation) 정보는 RAP-DB(http://rapdb.dna.affrc.go.jp/)을 이용하였다. 정확하고 고품질의 서열을 얻기 위해서 낮은 리드들을 제거하는 작업을 수행하였으며, 선별된 리드들을 이용하여 Nipponbare에 각각의 염색체로 mapping 하였다. 밀양23호와 기호벼의 염기서 열은 CLC Assembly Cell(ver. 3.3.2, http://www.clcbio.com) 을 이용하여 표준유전체에 조립(assembly)한 후, 변이를 분석하 였다(Jeong et al. 2013).

SNP 프라이머 제작

차세대 염기서열 분석방법으로 해독된 양친의 유전체 염기서 열에서 5’ untranslated region(5’UTR), 3’ untranslated region(3’UTR), intron, coding sequence(CDS)에 존재하는 genic과 두 genic 사이에 위치하는 intergenic을 포함한 전체 영역에서 SNP을 선발하였으며, 두 품종 사이에서 4개(EcoR I, HindIII, Pst I, Xho I)의 제한효소자리에 위치하고 특이적으 로 나타나는 SNP을 후보 CAPS 마커로 선발하였다. 제한효소 인식부위는 특이성과 관련하여 palindromic 구조로 이루어진 6개의 염기를 인식하는 제한효소를 이용하였으며, 이후 선별한 SNP을 기준으로 Vector NTI 9.0.0 프로그램을 활용하여 프라이 머를 제작하였다. 프라이머 설계 시, 온도는 58~62°C, 길이는 20~25bp, GC 함량은 40~60%으로 설정하였다.

CAPS 마커 개발 및 유전형 분석

CAPS 마커의 유전형을 분석하기 위해 앞서 설계한 프라이머 로 PCR을 수행하였다. PCR 반응을 위해서 반응액의 총 부피는 20μl로 하였으며, 희석된 각 10pmol의 프라이머, 10X Taq Buffer 2μl, dNTP 10Mm 0.4μl, Taq polymerase 0.5 unit, gDNA를 사용하였다. PCR 증폭조건은 95°C에서 3분간 pre-denaturation시키고, 95°C에서 40초간 denaturation, 58~7 0°C에서 40초간 annealing, 72°C에서 1분 30초간 34회 반복하 여 polymerization을 한 다음 마지막으로 72°C에서 7분간 유지 하였다.

제한효소 처리는 총 10μl으로 하고 5μl PCR 산물, 1μl 10X Buffer와 5U restriction endonuclease를 37°C에서 3시간 이상 처리하였다. 제한효소 처리 후, 1% 아가로스 젤에 150V로 1시간 30분 동안 전기영동 하였다. 처음에는 모본간 다형성을 검정한 뒤, 선별된 CAPS 마커들로 MGRIL 집단의 유전형 분석을 실시 하였다.

물리 및 유전지도 작성

MGRIL 집단의 물리 및 유전지도 작성을 위해서 Lee et al. (2014) 연구에서 보고된 365개의 마커와 본 연구에서 새로 개발 한 CAPS 마커를 사용하였다. 이후, DNA 마커의 염기서열 및 위치 정보를 이용하여 벼 유전체상에서의 위치를 파악한 다음, Nipponbare(build 7.0) 위치정보를 사용하여 물리지도를 작성 하였다. 이를 위해 CAPS 마커는 SNP의 위치, InDel, SSR, STS 마커는 프라이머의 중간 값을 이용하여 각 염색체 별 마커의 위치를 표시하였다.

유전지도 작성을 위해서 MapDisto 1.7.7.0.1.1(XL2010) 프 로그램(Lorieux 2012)을 이용하여 MGRIL 집단의 유전형을 분석하였다. 각 계통들의 SNP은 homozygous한 밀양23호와 기호벼의 SNP을 각각 A와 B, heterozygous를 H로 나타내어 부, 모친의 유전형 수치로 전환하였으며, 누락된 데이터는 N으로 표시하였다. 유전지도는 MGRIL 집단의 유전형을 입력한 후, “Draw all sequence” 메뉴로 각 연관 군에 있는 마커들 간의 유전거리를 산출하였고, 각각의 마커와 연관성을 나타내는 Kosa mbi 함수식을 적용하였다. 최종 물리지도와 유전지도의 그래픽 레이아웃은 MapChart 프로그램(Voorrips. 2002)을 이용하였다.

표현형 조사 및 QTL 분석

밀양23호와 기호벼 그리고 162계통들은 한 계통 당 20개체씩 자연 상태에서 육성하였으며, 그 중 5개체를 선발하여 표현형 조사에 이용하였다. 표현형 조사에는 1절 줄기 굵기(first internode diameter, I1D), 2절 줄기 굵기(second internode diameter, I2D), 3절 줄기 굵기(third internode diameter, I3D), 4절 줄기 굵기(fourth internode diameter, I4D), 간장(culm length, CL), 수장(panicle length, PL), 수수(panicle number, PN)를 측정하였다. 줄기 굵기는 이삭목과 첫 번째 마디 사이를 1절로 하고, 그 아래 마디를 따라 마디 사이를 각각 2절, 3절, 4절로 정하였다. 줄기 굵기는 마디 사이 중앙에서 가장 두꺼운 부분을 측정하였다.

QTL 분석은 MGRIL 집단의 유전지도와 표현형 값을 이용하 여, Windows QTL Cartographer V2.5(http://statgen.ncsu.edu/ qtlcart/WQTLCart.htm) (Wang et al. 2007) 소프트웨어로 수행 하였다. 각 형질 별 유의수준(p<0.05)으로 1,000회의 치환을 실시하는 composite interval mapping(CIM)방법을 이용하였 으며, 95%의 유의성 있는 logarithm of the odds(LOD)값을 채택하였다. 신뢰도가 높은 QTL을 찾기 위해 LOD 값이 3.0 이상인 것을 선택하였다.

결과 및 고찰

CAPS 마커 개발

NGS를 통해 밀양23호와 기호벼의 유전체 서열을 분석하여 변이를 탐색하였다. 대량으로 생산된 SNP을 기반으로 Lee et al. (2014)이 선발한 후보 CAPS 마커 중에서 genic(UTR, intron, CDS)과 intergenic의 모든 영역에 분포하고 4개의 제한효소 (EcoR I, HindIII, Pst I, Xho I) 자리에 위치한 특이적인 SNP 을 후보 CAPS 마커로 개발하였다. 후보 CAPS 마커 7,843개 중 선발된 110개를 대상으로 실험을 수행하여 두 모본의 다형성 을 검정하였다. 이와 같은 실험을 수행하여 후보 CAPS 마커 가운데 안정적으로 확인이 가능한 CAPS 마커 101개를 개발하 였으며(Table 1), 이는 MGRIL 집단의 유전형 분석에 사용하였 다(Fig. 1). CDS 영역의 SNP을 활용하여 제작한 CAPS 마커 (Lee et al. 2014)와 비교하였을 때, 본 연구에서 개발한 CAPS 마커들은 genic과 intergenic을 포함하는 SNP을 선정함으로써 12개의 염색체 내에 다양한 CAPS 마커가 고루 분포하는 지도를 작성하는데 효과적이었다.

Table 1.

The list of 101 CAPS markers.

Table 1.

Fig. 1.

Example of genotyping in the MGRIL population.

In this experiment, the marker name is RS06005 and PCR product size was 752bp. After restriction enzyme digestion using HindIII, Gihobyeo allele was divided to 240bp and 512bp fragments. ‘MY’ indicates Milyang23 and ‘GH’ indicates Gihobyeo. Each of left and right ends is size marker.

물리 및 유전지도 작성

앞서 선발된 101개의 CAPS 마커와 Lee et al. (2014)에 의해 보고되었던 365개 마커(36 InDel, 146 CAPS, 87 SSR, 88 STS, 8 RTM)를 통합하여 물리 및 유전지도를 작성하였다 (Table 1, Table 2, Fig. 2, Fig. 3). 표준유전체로 사용한 Nipponbare genome(build 7.0)에 총 466개 마커들의 프라이머 서열을 mapping하고 이를 벼 유전체상의 물리적 위치를 확인한 뒤 물리지도를 작성하였다. 이 물리지도에서 마커 간의 물리적 거리의 합은 371.25Mbp이었으며, 이를 총 유전거리로 나누어 구한 1cM 당 평균 물리적 거리는 약 219kbp이었다. 1cM 당 평균 물리적 거리가 약 230kbp인 Lee et al. (2014)의 결과에 비추어 볼 때, 본 연구에서 작성된 1cM 당 평균 물리적 거리의 수치는 정확도가 높다고 할 수 있다.

Table 2.

The list of DNA markers comprising the physical and genetic map constructed in this study.

Table 2.
Marker type	No. of markers	Marker list

InDelz	36v	R1M7, R1M30, R1M37, R1M47, R2M10, R2M37, R2M50, R3M10, R3M23, R3M37, R4M17, R4M43, R4M50, R5M13, R5M20, R5M30, R6M14, R6M30, R6M44, R7M7, R7M20, R7M37, R8M23, R8M33, R8M46, R9M10, R9M20, R9M30, R9M42, R10M10, R10M17, R10M30, R10M40, R11M17, R11M40, R12M43

SNPy	146v	RS011, RS012, RS013, RS014, RS015, RS016, RS017, RS018, RS019, RS0110, RS0111, RS0112, RS0113, RS0114,RS0115, RS0116, RS0117, RS0118, RS0119, RS0120, RS0121, RS0122, RS0123, RS0124, RS0125, RS0226, RS0227, RS0228, RS0229, RS0230, RS0231, RS0232, RS0233, RS0234, RS0235, RS0236, RS0237, RS0238, RS0239, RS0240, RS0241, RS0242, RS0243, RS0244, RS0245, RS0246, RS0347, RS0348, RS0349, RS0350, RS0351, RS0352, RS0353, RS0354, RS0355, RS0356, RS0457, RS0458, RS0459, RS0460, RS0461, RS0462, RS0463, RS0464, RS0465, RS0466, RS0467, RS0468, RS0469, RS0470, RS0471, RS0572, RS0573, RS0574, RS0575, RS0576, RS0577, RS0578, RS0579, RS0680, RS0681, RS0682, RS0683, RS0684, RS0685, RS0686, RS0687, RS0688, RS0689, RS0690, RS0691, RS0692, RS0693, RS0794, RS0795, RS0796, RS0797, RS0798, RS0799, RS07100, RS07101, RS07102, RS08103, RS08104, RS08105, RS08106, RS08107, RS08108, RS08109, RS08110, RS08111, RS08112, RS09113, RS09114, RS09115, RS09116, RS09117, RS10118, RS10119, RS10120, RS10121, RS10122, RS10123, RS10124, RS10125, RS11126, RS11127, RS11128, RS11129, RS11130, RS11131, RS11132, RS11133, RS11134, RS11135, RS11136, RS11137, RS12138, RS12139, RS12140, RS12141, RS12142, RS12143, RS12144, RS12145, RS12146
SNPy	101	RS01001, RS01002, RS01003, RS01004, RS01005, RS01006, RS01007, RS01008, RS01009, RS01010, RS01011, RS02001, RS02002, RS02003, RS02004, RS02005, RS02006, RS02007, RS02008, RS02009, RS02010, RS02011, RS02012, RS02013, RS02014, RS02015, RS03001, RS03002, RS03003, RS03004, RS03005, RS03006, RS03007, RS03008, RS04001, RS04002, RS04003, RS04004, RS04005, RS04006, RS04007, RS04008, RS04009, RS05001, RS05002, RS05003, RS06001, RS06002, RS06003, RS06004, RS06005, RS06006, RS06007, RS06008, RS07001, RS07002, RS07003, RS07007, RS08001, RS08002, RS08003, RS08004, RS08005, RS09001, RS09002, RS09003, RS09004, RS10001, RS10002, RS10003, RS10004, RS10005, RS10006, RS10007, RS10008, RS10009, RS10010, RS10011, RS11001, RS11002, RS11003, RS11004, RS11005, RS11006, RS11007, RS11008, RS12001, RS12002, RS12003, RS12004, RS12005, RS12006, RS12007, RS12008, RS12009, RS12010, RS12011, RS12012

SSRx	87v	RM1 , RM10, RM101, RM1036, RM11, RM1155, RM1227, RM12368, RM1247, RM1300, RM1370, RM1375, RM167, RM16789, RM17, RM17303, RM17377, RM17960, RM17962, RM1880, RM19218, RM19620, RM201, RM205, RM20882, RM212, RM2136, RM214, RM224, RM226, RM22608, RM22630, RM22694, RM234, RM23736, RM23779, RM240, RM242, RM246, RM247, RM253, RM25366, RM257, RM26062, RM276, RM277, RM27970, RM28400, RM286, RM287, RM3, RM3170, RM3199, RM3252, RM332, RM3394, RM3472, RM3481, RM349,RM3664, RM3765, RM401, RM408, RM420, RM4355, RM44, RM4771, RM5055, RM5349, RM536, RM5526, RM5608, RM5633, RM5753, RM5807, RM5814, RM5907, RM6367, RM6467, RM6775, RM6840, RM6841, RM6842, RM7000, RM7389, RM7492, RM7631

STSw	88v	STS01007, STS01009, STS01017, STS01021, STS01031, STS01039, STS01043, STS02012, STS02017, STS02025, STS02027, STS02030, STS02033, STS02036, STS02038, STS03009, STS03020, STS03025, STS03032, STS03036, STS03040, STS04001, STS04007, STS04009, STS04017, STS04024, STS04037, STS04042, STS05018, STS05020, STS05025, STS05027, STS05028, STS05037, STS05043, STS05045, STS05048, STS06013, STS06019, STS06023, STS06037, STS06040, STS07005, STS07010, STS07015, STS07021, STS07023, STS07025, STS07029, STS07036, STS07040, STS08001, STS08003, STS08005, STS08008, STS08019, STS08021, STS08023, STS08029, STS08033, STS08035, STS08038, STS08043, STS09003, STS09004, STS09007, STS09011, STS09031, STS09033, STS09035, STS09036, STS09048, STS10003, STS10005, STS10010, STS10014, STS10017, STS10037, STS11016, STS11019, STS11025, STS11039, STS12008, STS12011, STS12012, STS12019, STS12023, STS12030

RTM	8v	RTM4211 , RTM10147, RTM3211, RTM5697, RTM3550, RTM10742, RTM9188, RTM5516

^zInsertion and deletion

^ySingle nucleotide polymorphism

^xSimple sequence repeat

^wSequence tagged sites

^vLee et al. 2014

Fig. 2.

The physical map constructed using MGRIL population.

Chromosome numbers are indicated on top of chromosome, the name of each marker is at the right side of chromosome, and the physical distance of each marker from the first marker at the top of each chromosome is at the left side. Physical distance, measured as mega base pair(Mbp).

Fig. 3.

The genetic map constructed using MGRIL population.

Chromosome numbers are indicated on top of chromosome, the name of each marker is at the right side of chromosome, and the genetic distance of each marker from the first marker at the top of each chromosome is at the left side. Genetic distance, measured as centimorgan or cM, is calculated using Kosambi function.

또한, 동일 집단을 이용하여 통합된 유전지도를 작성하였다. 총 유전거리는 1696.97cM이었으며, 마커 간의 평균 거리는 3.64cM이었다. Lee et al. (2014)가 보고한 365개의 마커를 이용한 MGRIL 집단의 유전지도에서 마커 간의 평균 거리가 4.6cM인 점을 비추어 볼 때, 빠른 시간에 효율적인 분석이 가능 한 SNP 기반 CAPS 마커의 수가 늘어남으로써 통합된 유전지도 의 마커 밀도와 정확도 또한 높아졌음을 알 수 있었다.

표현형 상관관계 분석

MGRIL 집단의 표현형 조사를 위해서 1절 줄기 굵기(I1D), 2절 줄기 굵기(I2D), 3절 줄기 굵기(I3D), 4절 줄기 굵기(I4D), 간장(CL), 수장(PL), 수수(PN)를 측정하였다. 조사된 형질의 변이 분포를 나타내는 히스토그램은 연속적인 정규분포를 보였 으며, 대부분은 부모의 품종을 벗어나는 초월분리현상을 보였다 (Fig. 4). Lee et al. (2014)의 연구와 동일한 방법으로 표현형 조사에 대한 그래프를 작성한 결과, 수수를 제외한 6가지 형질들 은 그래프 범위 내에 작성된 수치와 두 모본의 평균 값이 이전과 유사하게 나타났다. 줄기 굵기에서는 줄기가 굵을수록 수장의 길이가 길어지는 경향을 나타냈고, 수장과 수수 형질에 대해서도 유의성이 있는 상관관계를 확인할 수 있었다(Table 3). 그러나, 간장 형질에 대해서는 줄기 굵기 형질과 낮은 상관관계를 갖거나 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 줄기 굵기, 수장과 수수의 형질에서는 서로 유의성이 있는 상관관계를 확인할 수 있었지만 간장에서는 이들에 대해 낮은 상관관계가 나타난 것을 보았을 때, 줄기 굵기가 굵어지거나 수장의 길이가 길어지더라도 간장에 큰 영향을 미치지 못한다는 것을 추측할 수 있었다.

Fig. 4.

Frequency distribution in histograms showing seven traits measured in MGRIL population. Mean of the parents are indicated at the top of each histogram, with lines representing Gihobyeo and Milyang23 respectively.

Table 3.

Correlation coefficients among the seven traits measured in the population of MGRIL.

Table 3.
Traitz	I1D	I2D	I3D	I4D	CL	PL	PN

I1D	1.000
I2D	0.831**	1.000
I3D	0.646**	0.864**	1.000
I4D	0.581**	0.788**	0.935**	1.000
CL	-0.034(nsy)	-0.021(ns)	0.167(ns)	0.272**	1.000
PL	0.413**	0.391**	0.400**	0.386**	0.189(ns)	1.000
PN	-0.413**	-0.385**	-0.303**	-0.362**	-0.070(ns)	-0.256**	1.000

^**Significant at 1% level of probability (P<0.01).

^zI1D(first internode diameter), I2D(second internode diameter), I3D(third internode diameter), I4D(fourth internode diameter), CL(culm length), PL(panicle length), PN(panicle number)

^yns,not significant

벼의 7가지 형질 관련 QTL 분석

MGRIL 집단을 이용하여 통합된 유전지도를 바탕으로 벼의 생산성 향상과 관련이 있는 주요 형질 중 하나인 줄기 굵기에서 총 9개의 QTL이 새로 탐색되었다(Table 4). 1절 줄기 굵기에서 는 총 3개의 QTL이 탐색되었으며, 이를 qI1D-1, qI1D-6, qI1D-10으로 명명하였다. LOD 값은 각각 4.8, 5.1, 3.2로 qI1D-6이 전체 중 가장 높았으며, 표현형 변이는 3개 모두 밀양 23호의 대립형질(allele)이 1절 줄기를 증가시켰다. 2절 줄기 굵기도 총 3개의 QTL로 이들을 qI2D-1, qI2D-5, qI2D-7로 명명하였다. 새로 탐색된 QTL 중 qI2D-1는 유일하게 기호벼의 대립형질을 증가시켰으며, 표현형 변이는 각각 46.56%, 46.84%, 51.93%이었다. 3절 줄기 굵기에서는 qI3D-7, qI3D-8 로 명명된 2개의 신규 QTL이 나타났으며, LOD 값은 각각 3.3과 3.5로 밀양23호의 대립형질이 증가하였다. 4절 줄기 굵기 형질에서는 4.0의 LOD값을 가진 qI4D-10로 명명된 1개의 QTL 이 새로 탐색되었으며, 표현형 변이는 35.94%였다. 각 형질 별로 탐색된 모든 QTL들은 유사한 지역에서 탐색되었다. 특히, 1절과 2절, 2절과 3절 줄기 굵기 관련 형질에서는 이전 보고된 QTL들이 동일한 마커에서 탐색되었으며, 유전지도에 표시하였 다(Fig. 5). 본 연구에서 탐색된 총 29개의 QTL 중 9개의 신규 QTL 이외에도 1차 연구결과(Lee et al. 2014)에서 나타난 8개의 QTL들도 포함하고 있었다. 이 중 줄기 굵기 관련 형질에서 탐색된 6개의 QTL들은 이전 연구와 동일한 것임을 확인하였다. 비록, 간장, 수장, 수수의 신규 QTL은 발견되지 않았지만, 전체 7가지 형질과 연관된 QTL의 수를 보았을 때 1차에 비해 10개가 증가하였다. 그 결과, 이전보다 증가된 마커 수와 그로 인해 얻어진 QTL 수가 함께 늘어나면서, 1차보다 2차에서 마커 간 상대적 거리가 줄어들어 QTL 신뢰성이 향상된 유전지도를 얻을 수 있었다. 새로 탐색된 9개의 QTL들은 서로 다른 유전자에 의해 지배될 확률도 있으므로 각각 이름을 다르게 하여 임의로 명명하였다. 그러나, 기존 보고된 연구들과의 교배나 측정방법의 기준 등이 다르기 때문에 이에 대한 연구는 더 필요하다(Lee et al. 2014, Lin et al. 1996, Wu et al. 1996, Xiao et al. 1998, Zhuang et al. 1997). 이러한 QTL 분석 결과들은 실질적인 육종을 수행하는데 기반이 될 것이며, 농업적으로 유익한 정보로 이용될 것이다.

Table 4.

Characteristics of QTLs detected for seven traits with MGRILs.

Table 4.

Fig. 5.

Position of QTLs for seven traits measured in this study with MGRIL population.

The locations of QTLs for the first internode diameter(I1D), the second internode diameter(I2D), the third internode diameter(I3D) and the fourth internode diameter(I4D) were shown on the genetic map.

적 요

차세대 염기서열 분석방법을 통해 밀양23호와 기호벼의 유전 체 서열을 분석하여 변이를 탐색하였다. 대량으로 생산된 SNP을 기반으로 Lee et al. (2014)이 선발한 후보 CAPS 마커 중에서 4개의 제한효소(EcoR I, HindIII, Pst I, Xho I) 자리에 위치한 특이적인 SNP을 후보 CAPS 마커로 개발하였다. 후보 CAPS 마커 7,843개 중 101개가 안정적인 CAPS 마커로 개발되었다. 이들 CAPS 마커를 PCR 기반 마커들로 구성된 Lee et al. (2014) 연구의 유전지도와 통합하여 보다 정밀해진 분자유전지도를 작성하였다. 총 유전거리는 1,696.97cM였으며, 마커 간 평균거 리는 3.64cM로 이전 연구에 비해 거리가 줄어든 것을 확인하였 다. 또한, 벼의 줄기 굵기 형질에 대해 QTL을 탐색한 결과, 총 9개의 유의성이 있는 QTL을 찾을 수 있었으며 모두 기존에 보고되지 않은 새로운 QTL이었다. 간장, 수장 그리고 수수 형질 에 관한 새로운 QTL은 발견되지 않았지만, 7가지 형질에 대한 주동 및 미동 QTL 중 일부는 본 연구에서 새롭게 개발한 CAPS 마커로 확인되었으며 보다 정밀한 QTL 유전지도 작성이 가능하 였다. NGS 기반 CAPS 마커로 작성된 분자유전지도를 통해 높은 정확성과 신규로 개발된 QTL의 신뢰성을 확인하였으며, 이를 이용하여 향후 대량의 마커를 이용하여 고밀도 유전지도를 작성하고 이에 대한 QTL 분석을 통해 농업적으로 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.

사 사

본 연구는 농촌진흥청 어젠다 1-5-15(과제번호:PJ010089) “벼 고밀도 유전지도 기반 생산성 관련 분자마커 개발” 과제 지원에 의해 수행되었다.

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Figure & Data

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Development of NGS-based New CAPS Markers and QTL Analysis of Stem Diameter using Milyang23/Gihobyeo Recombinant Inbred Lines (MGRIL)

Korean. J. Breed. Sci.. 2016;48(3):217-233. Published online September 30, 2016

DOI: https://doi.org/10.9787/KJBS.2016.48.3.217

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Development of NGS-based New CAPS Markers and QTL Analysis of Stem Diameter using Milyang23/Gihobyeo Recombinant Inbred Lines (MGRIL)

Korean. J. Breed. Sci.. 2016;48(3):217-233. Published online September 30, 2016

DOI: https://doi.org/10.9787/KJBS.2016.48.3.217

Figure

Development of NGS-based New CAPS Markers and QTL Analysis of Stem Diameter using Milyang23/Gihobyeo Recombinant Inbred Lines (MGRIL)

Fig. 1. Example of genotyping in the MGRIL population. In this experiment, the marker name is RS06005 and PCR product size was 752bp. After restriction enzyme digestion using HindIII, Gihobyeo allele was divided to 240bp and 512bp fragments. ‘MY’ indicates Milyang23 and ‘GH’ indicates Gihobyeo. Each of left and right ends is size marker.

Fig. 2. The physical map constructed using MGRIL population. Chromosome numbers are indicated on top of chromosome, the name of each marker is at the right side of chromosome, and the physical distance of each marker from the first marker at the top of each chromosome is at the left side. Physical distance, measured as mega base pair(Mbp).

Fig. 3. The genetic map constructed using MGRIL population. Chromosome numbers are indicated on top of chromosome, the name of each marker is at the right side of chromosome, and the genetic distance of each marker from the first marker at the top of each chromosome is at the left side. Genetic distance, measured as centimorgan or cM, is calculated using Kosambi function.

Fig. 4. Frequency distribution in histograms showing seven traits measured in MGRIL population. Mean of the parents are indicated at the top of each histogram, with lines representing Gihobyeo and Milyang23 respectively.

Fig. 5. Position of QTLs for seven traits measured in this study with MGRIL population. The locations of QTLs for the first internode diameter(I1D), the second internode diameter(I2D), the third internode diameter(I3D) and the fourth internode diameter(I4D) were shown on the genetic map.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Development of NGS-based New CAPS Markers and QTL Analysis of Stem Diameter using Milyang23/Gihobyeo Recombinant Inbred Lines (MGRIL)

Table 1.

The list of 101 CAPS markers.

Table 2.

The list of DNA markers comprising the physical and genetic map constructed in this study.

Marker type	No. of markers	Marker list

InDelz	36v	R1M7, R1M30, R1M37, R1M47, R2M10, R2M37, R2M50, R3M10, R3M23, R3M37, R4M17, R4M43, R4M50, R5M13, R5M20, R5M30, R6M14, R6M30, R6M44, R7M7, R7M20, R7M37, R8M23, R8M33, R8M46, R9M10, R9M20, R9M30, R9M42, R10M10, R10M17, R10M30, R10M40, R11M17, R11M40, R12M43

SNPy	146v	RS011, RS012, RS013, RS014, RS015, RS016, RS017, RS018, RS019, RS0110, RS0111, RS0112, RS0113, RS0114,RS0115, RS0116, RS0117, RS0118, RS0119, RS0120, RS0121, RS0122, RS0123, RS0124, RS0125, RS0226, RS0227, RS0228, RS0229, RS0230, RS0231, RS0232, RS0233, RS0234, RS0235, RS0236, RS0237, RS0238, RS0239, RS0240, RS0241, RS0242, RS0243, RS0244, RS0245, RS0246, RS0347, RS0348, RS0349, RS0350, RS0351, RS0352, RS0353, RS0354, RS0355, RS0356, RS0457, RS0458, RS0459, RS0460, RS0461, RS0462, RS0463, RS0464, RS0465, RS0466, RS0467, RS0468, RS0469, RS0470, RS0471, RS0572, RS0573, RS0574, RS0575, RS0576, RS0577, RS0578, RS0579, RS0680, RS0681, RS0682, RS0683, RS0684, RS0685, RS0686, RS0687, RS0688, RS0689, RS0690, RS0691, RS0692, RS0693, RS0794, RS0795, RS0796, RS0797, RS0798, RS0799, RS07100, RS07101, RS07102, RS08103, RS08104, RS08105, RS08106, RS08107, RS08108, RS08109, RS08110, RS08111, RS08112, RS09113, RS09114, RS09115, RS09116, RS09117, RS10118, RS10119, RS10120, RS10121, RS10122, RS10123, RS10124, RS10125, RS11126, RS11127, RS11128, RS11129, RS11130, RS11131, RS11132, RS11133, RS11134, RS11135, RS11136, RS11137, RS12138, RS12139, RS12140, RS12141, RS12142, RS12143, RS12144, RS12145, RS12146
SNPy	101	RS01001, RS01002, RS01003, RS01004, RS01005, RS01006, RS01007, RS01008, RS01009, RS01010, RS01011, RS02001, RS02002, RS02003, RS02004, RS02005, RS02006, RS02007, RS02008, RS02009, RS02010, RS02011, RS02012, RS02013, RS02014, RS02015, RS03001, RS03002, RS03003, RS03004, RS03005, RS03006, RS03007, RS03008, RS04001, RS04002, RS04003, RS04004, RS04005, RS04006, RS04007, RS04008, RS04009, RS05001, RS05002, RS05003, RS06001, RS06002, RS06003, RS06004, RS06005, RS06006, RS06007, RS06008, RS07001, RS07002, RS07003, RS07007, RS08001, RS08002, RS08003, RS08004, RS08005, RS09001, RS09002, RS09003, RS09004, RS10001, RS10002, RS10003, RS10004, RS10005, RS10006, RS10007, RS10008, RS10009, RS10010, RS10011, RS11001, RS11002, RS11003, RS11004, RS11005, RS11006, RS11007, RS11008, RS12001, RS12002, RS12003, RS12004, RS12005, RS12006, RS12007, RS12008, RS12009, RS12010, RS12011, RS12012

SSRx	87v	RM1 , RM10, RM101, RM1036, RM11, RM1155, RM1227, RM12368, RM1247, RM1300, RM1370, RM1375, RM167, RM16789, RM17, RM17303, RM17377, RM17960, RM17962, RM1880, RM19218, RM19620, RM201, RM205, RM20882, RM212, RM2136, RM214, RM224, RM226, RM22608, RM22630, RM22694, RM234, RM23736, RM23779, RM240, RM242, RM246, RM247, RM253, RM25366, RM257, RM26062, RM276, RM277, RM27970, RM28400, RM286, RM287, RM3, RM3170, RM3199, RM3252, RM332, RM3394, RM3472, RM3481, RM349,RM3664, RM3765, RM401, RM408, RM420, RM4355, RM44, RM4771, RM5055, RM5349, RM536, RM5526, RM5608, RM5633, RM5753, RM5807, RM5814, RM5907, RM6367, RM6467, RM6775, RM6840, RM6841, RM6842, RM7000, RM7389, RM7492, RM7631

STSw	88v	STS01007, STS01009, STS01017, STS01021, STS01031, STS01039, STS01043, STS02012, STS02017, STS02025, STS02027, STS02030, STS02033, STS02036, STS02038, STS03009, STS03020, STS03025, STS03032, STS03036, STS03040, STS04001, STS04007, STS04009, STS04017, STS04024, STS04037, STS04042, STS05018, STS05020, STS05025, STS05027, STS05028, STS05037, STS05043, STS05045, STS05048, STS06013, STS06019, STS06023, STS06037, STS06040, STS07005, STS07010, STS07015, STS07021, STS07023, STS07025, STS07029, STS07036, STS07040, STS08001, STS08003, STS08005, STS08008, STS08019, STS08021, STS08023, STS08029, STS08033, STS08035, STS08038, STS08043, STS09003, STS09004, STS09007, STS09011, STS09031, STS09033, STS09035, STS09036, STS09048, STS10003, STS10005, STS10010, STS10014, STS10017, STS10037, STS11016, STS11019, STS11025, STS11039, STS12008, STS12011, STS12012, STS12019, STS12023, STS12030

RTM	8v	RTM4211 , RTM10147, RTM3211, RTM5697, RTM3550, RTM10742, RTM9188, RTM5516

Insertion and deletion

Single nucleotide polymorphism

Simple sequence repeat

Sequence tagged sites

Lee et al. 2014

Table 3.

Correlation coefficients among the seven traits measured in the population of MGRIL.

Traitz	I1D	I2D	I3D	I4D	CL	PL	PN

I1D	1.000
I2D	0.831**	1.000
I3D	0.646**	0.864**	1.000
I4D	0.581**	0.788**	0.935**	1.000
CL	-0.034(nsy)	-0.021(ns)	0.167(ns)	0.272**	1.000
PL	0.413**	0.391**	0.400**	0.386**	0.189(ns)	1.000
PN	-0.413**	-0.385**	-0.303**	-0.362**	-0.070(ns)	-0.256**	1.000

Significant at 1% level of probability (P<0.01).

I1D(first internode diameter), I2D(second internode diameter), I3D(third internode diameter), I4D(fourth internode diameter), CL(culm length), PL(panicle length), PN(panicle number)

ns,not significant

Table 4.

Characteristics of QTLs detected for seven traits with MGRILs.

Table 1. The list of 101 CAPS markers.

Table 2. The list of DNA markers comprising the physical and genetic map constructed in this study.
z

Insertion and deletion

Single nucleotide polymorphism

Simple sequence repeat

Sequence tagged sites

Lee et al. 2014

Table 3. Correlation coefficients among the seven traits measured in the population of MGRIL.
**

Significant at 1% level of probability (P<0.01).

I1D(first internode diameter), I2D(second internode diameter), I3D(third internode diameter), I4D(fourth internode diameter), CL(culm length), PL(panicle length), PN(panicle number)

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NGS 기반 밀양23호/기호벼 재조합자식 유전집단(MGRIL)을 이용한 CAPS 마커 개발 및 줄기 굵기 형질 관련 QTL 분석

Development of NGS-based New CAPS Markers and QTL Analysis of Stem Diameter using Milyang23/Gihobyeo Recombinant Inbred Lines (MGRIL)

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적요

서 언

재료 및 방법

결과 및 고찰

적 요

사 사

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